随着经济全球化的进一步深入, 尤其随着汽车工业的快速发展, 对石油资源的需求进一步扩大, 在这种背景下, 寻求新的替代能源已经成为了全社会关注的热点话题。在长期的实践中, 纤维素乙醇作为一种生物质能源, 具有可再生、环境污染小以及原料来源丰富等一系列突出的优点, 成为当前石油替代能源的重要选择之一。本文即是以汽爆玉米秸秆为主要原料, 对木质纤维素生产燃料乙醇相关内容进行了深入的探讨。
1 植物木质纤维素的预处理目的
对植物木质纤维素进行预处理, 基本的目的是对纤维素分子的保护层以及结晶结构进行破坏, 继而使得材料变的蓬松, 使酶制剂和纤维素充分接触, 继而使得纤维素酶能够有效发挥其作用。而且根据相关的数据也显示, 没有经过预处理的原料, 其水解率甚至还达不到理论值的20%, 但是经过预处理之后就能够达到90%以上。
2 汽爆预处理技术及同步糖化发酵生产乙醇的工艺
2.1 汽爆预处理技术
汽爆的处理方式包括批式、连续式和液相三种。所谓的批式处理是指原料投入之后, 在汽爆反应器中, 按次经过高温高压、突然释放, 在工作期间不另外加料。连续式处理是指原料以一定的速度加入到汽爆器中, 连续排出。连续式处理的处理能力较大, 效率更高, 适合于大型工业使用, 但连续式处理的装置比较少, 目前意大利Beta Renewables公司拥有成熟的连续化技术。而批式处理中所用到的装置结构简单, 成本相对较低, 适合实验室和其他小型原料加工厂使用, 处理效率明显低于连续式处理, 多为国内厂家所采用。
2.2 同步糖化发酵生产乙醇的工艺
在目前的纤维素乙醇生产工艺研究中, 为了有效提升乙醇的生产率, 人们开发了多种乙醇发酵工艺, 比如同步糖化发酵法、分步水解糖化发酵法、同步糖化共发酵法以及联合发酵法等等。而对于这四种工艺来说, 同步糖化共发酵法、联合发酵法由于受到基因工程菌自身的限制, 大多数都还停留在实验室的研究水平中, 相比来说, 同步糖化发酵法与分步水解糖化发酵法两种工艺的应用场景最为广泛。
本文在进行乙醇生产实验时, 采用的方法主要是同步糖化发酵法, 该种方法和分步水解糖化发酵法相比, 其主要特点是将纤维素水解和乙醇发酵同步进行的一种工艺, 也即是纤维素在被纤维素酶糖化的同时, 酵母能及时将糖发酵为乙醇, 因此整个发酵过程中的纤维二糖和葡萄糖浓度很低, 能有效解除糖对纤维素酶的抑制作用, 有利于提高酶解效率和减少酶用量。除此之外, 该种工艺技术还明显具有设备投资小、反应设备简单、生产效率高、染菌几率低等突出的优点。
3 汽爆玉米秸秆同步糖化发酵生产乙醇的工艺实践探索
通过上文的分析发现, 同步糖化发酵生产乙醇的工艺相比其他工艺具有非常明显的优势, 而当前关于汽爆玉米秸秆同步糖化发酵生产乙醇的研究却还非常少, 本文主要基于该背景, 以寻求出最佳的生产工艺条件。
3.1 工艺的主要影响因素
目前, 对同步糖化发酵生产乙醇的工艺实践来说, 主要的影响因素有温度、底物浓度、PH值、表面活性剂、纤维素酶用量、接种量、培养基的组成以及发酵时间等等。
(1) 温度。在该工艺中, 温度主要是对纤维素酶的糖化效率以及最终产物乙醇的积累产生影响;
(2) 底物浓度。增加底物的方法主要是为了提升燃料乙醇生产的经济性, 以获得较高的乙醇体积参数。不过伴随着底物的不断增加, 还会造成有害抑制物质的积累, 搅拌功率增大以及乙醇转化率下降等一系列突出的问题;
(3) PH值。PH值对纤维素酶的活力有着最为直接的影响, 会影响酵母细胞的通透性, 进而影响酵母细胞对营养物质的吸收和乙醇的排泄, 因此, 适宜的PH值是非常重要;
(4) 表面活性剂。根据有关研究发现, 表面活性剂的使用能够大大有利于同步糖化发酵的工艺过程;
(5) 纤维素酶用量。在该工艺中, 纤维素酶用量是一个非常重要的因素, 其是一种多组分的复合酶。
(6) 接种量。酵母的接种量与发酵时间与乙醇得率密切相关, 直接影响乙醇得率;
(7) 培养基的组成。发酵培养基的组成对菌体的生长代谢和产物乙醇的生成有重要的影响。不过, 由于工艺、菌种以及原料预处理方法之间的差异, 对发酵培养基的确定需要经过试验来确定。
(8) 发酵时间。发酵时间对乙醇的生产效率有着直接的关系。
3.2 最佳的工艺生产条件
通过相关试验, 本文确定了这些汽爆玉米秸秆同步糖化发酵生产乙醇过程中的最佳生产条件, 其分别为温度:37摄氏度;底物浓度:15%;PH:4.8;表面活性剂:Tween-20;纤维素酶用量:30U/g;酵母接种量:0.005%;优化后的培养基组成为:KH2PO42.5g/L、 (NH4) 2SO42.0g/L、Mg SO4·7H2O 0.15g/L、CaCl20.35g/L, 在发酵周期60小时的条件下, 乙醇转化率能够达到理论值的89.21%, 表明达到了较高的生产水平。
摘要：本文首先分析了植物木质纤维素的预处理过程, 然后对同步糖化发酵生产乙醇的工艺进行了详细的介绍, 并结合其中对工艺的主要影响因素, 提出了最佳的工艺条件, 希望能够为同类的实践提供借鉴。
关键词：纤维素,同步糖化发酵,乙醇,纤维素酶,酵母
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