紅麻骨纖維質轉化燃料乙醇的關鍵技術研究.pdf

1、利用地球上儲量最大的可再生的植物纖維質轉化制備燃料乙醇可減少溫室效應、緩解能源緊張、提高環(huán)境質量、促進經濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。紅麻是一種傳統的速生高產的纖維作物，每公頃生物質產量可達30 t，是樹木的3～4倍，對CO2的同化能力是樹木的4～5倍，已被美日等發(fā)達國家認定是最適于替代木材的優(yōu)質造紙植物。紅麻耐旱、耐鹽堿，沿海鹽堿地、內陸山地旱地等均可種植，其生產不與糧爭地，并可改良土壤質量，從而充分利用全國各地的邊際性土地，提高土地利用率。

2、其秸稈纖維質含有豐富的纖維素和半纖維素，用于轉化燃料乙醇，具有重大的社會及經濟意義。制約紅麻纖維質乙醇發(fā)展的瓶頸主要是預處理技術、纖維素酶成本及木糖發(fā)酵技術。鑒此，本研究擬從高效預處理、紅麻纖維素降解菌及木糖發(fā)酵菌的篩選和選育入手，以紅麻秸稈纖維質為原料，研發(fā)紅麻纖維質燃料乙醇的生產工藝。主要研究結果如下：
　　 1.測定了紅麻秸稈纖維質的有機成分含量，其中含纖維素42.31％、半纖維素22.58％、木質素23.79％。采用熱水

3、和3％硫酸、1.5％燒堿溶液對紅麻秸稈進行預處理(121℃，60 min)，通過纖維素酶催化水解，紅麻秸稈的平均纖維素轉化率分別達到12.23％、25.62％和85.34％，說明堿性預處理比較適合于紅麻秸稈。以堿處理紅麻秸稈為底物的同步糖化發(fā)酵實驗表明，當發(fā)酵168 h后，乙醇濃度達到26.06 g·L-1，乙醇產率達到理論產率的76.71％。
　　 2.為研究微生物法預處理對紅麻纖維質轉化燃料乙醇效率的影響，采用白腐真菌Ple

4、urotus sajor-caju在紅麻秸稈培養(yǎng)基上固態(tài)培養(yǎng)的方法對紅麻纖維質進行預處理，研究微生物法預處理的紅麻纖維質中木質素的降解及后續(xù)的紅麻纖維質酶促糖化和發(fā)酵。經P.sajor-caju培養(yǎng)25～35 d后，可有效去除紅麻纖維質中的木質素，去除率最高可達50.20％，并提高紅麻纖維素的酶促水解(糖化率達69.33～78.64％)，但采用P.sajor-caju培養(yǎng)物的粗酶提取液不能有效預處理紅麻秸稈。以微生物法預處理的紅麻秸稈樣

5、品為底物的同步糖化發(fā)酵實驗表明，發(fā)酵72 h，發(fā)酵液中乙醇濃度達到18.35～18.90 g·L-1，最高乙醇產率達到理論產率的68.31％。
　　 3.篩選到一株紅麻纖維質高效降解菌Trichoderma sp.HC-35，經誘變后，選育得到突變株Trichoderma sp.MHC-18，該菌株在適宜條件下固態(tài)發(fā)酵，得到的纖維素酶的FPA達29 U·mL-1，CMCase活性最高可達260 U·mL-1，較之出發(fā)菌株提高近1

6、倍。連續(xù)5代發(fā)酵產酶，其纖維素酶活性相對比較穩(wěn)定，說明該菌株具有較好的遺傳穩(wěn)定性。
　　 4.通過對培養(yǎng)基成分和發(fā)酵條件的單因子分析，初步配成MHC-18的固態(tài)發(fā)酵產酶培養(yǎng)基：將紅麻秸稈與麩皮的混合物(7:3，w/w)以(NH4)2SO4和MgSO4的混合溶液((NH4)2SO4為25 g·L-1，MgSO4為0.5 g·L-1，用HCl溶液將pH調至5.0～6.0)調整濕度至60％～75％。接種適量孢子，在25～30℃培養(yǎng)5～

7、7 d，CMCase和FPA可達最高值，其置信度95％的置信區(qū)間分別為239.67～279.31 U·mL-1和24.33～39.29 U·mL-1。MHC-18纖維素酶的適宜反應溫度為45℃～60℃，最適溫度為50℃，適宜pH為4.5～6.0，最適pH為5.0。但以溶液形式貯存時，穩(wěn)定性較差，4℃低溫條件下可保存72 h。而且，該菌株的纖維素酶系不完整，β-glucosidase活性較低。
　　 5.由于A.niger纖維素酶

8、的β-glucosidase活性較高，酶解反應條件與MHC-18纖維素酶基本一致，可將MHC-18與A.niger兩種菌株應用于固態(tài)混菌發(fā)酵。先接種MHC-18，后接入A.niger，二者接種間隔時間為24 h，在28℃下培養(yǎng)，總發(fā)酵時間為120 h，此時纖維素酶各組分均能達到較高的活性。
　　 6.利用紅麻纖維質為主要碳源，通過正交實驗，得到了MHC-18與A.niger固態(tài)混菌發(fā)酵產纖維素酶的優(yōu)化培養(yǎng)基：紅麻秸稈與麩皮的質量

9、比為7:3，混合溶液中(NH4)2SO4濃度為25 g·L-1、MgSO4濃度為3.5 g·L-1、KH2PO4濃度為7 g·L-1，調整培養(yǎng)基濕度為60％～75％，起始pH5.0～6.0。在該優(yōu)化培養(yǎng)基發(fā)酵5 d，FPA、CMCase和β-glucosidase活性分別達到35.72～46.44 U·mL-1、320.22～384.67 U·mL-1、197.44～229.86 U·mL-1(置信度為95％)。
　　 7.篩選

10、到1株可利用木糖發(fā)酵產乙醇的酵母菌RX-8，該菌的木糖發(fā)酵為微好氧發(fā)酵。發(fā)酵培養(yǎng)基中木糖為50 g·L-1，蛋白胨為5 g·L-1，酵母粉為3 g·L-1，接種量為10％，28℃以120 r/min搖瓶發(fā)酵3 d，發(fā)酵液中乙醇濃度可以達到10.46～11.70μL·mL-1(置信度95％)，乙醇產率達到理論產率的33.37％。
　　 8.木糖發(fā)酵菌RX-8以葡萄糖為碳源發(fā)酵產乙醇時，發(fā)酵培養(yǎng)基中葡萄糖為120 g·L-1，蛋白胨