秸稈預(yù)處理副產(chǎn)物對(duì)纖維素乙醇發(fā)酵的抑制及去抑制研究.pdf

1、纖維素乙醇因其原料產(chǎn)量豐富、來源廣泛、廉價(jià)而備受關(guān)注，但是由于纖維素乙醇的生產(chǎn)成本過高，至今仍未實(shí)現(xiàn)真正的大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。原料預(yù)處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物對(duì)酶解和發(fā)酵的“毒性”問題是纖維素乙醇走向產(chǎn)業(yè)化的瓶頸問題之一。本文以解決纖維素乙醇生產(chǎn)中的“毒性”問題為目標(biāo)，以中糧集團(tuán)提供的蒸汽爆破預(yù)處理玉米秸稈（SECS）和美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）提供的稀酸預(yù)處理玉米秸稈（APCS）為研究對(duì)象，圍繞抑制物分析及作用機(jī)理、篩選和開發(fā)解毒工

2、藝及不同解毒工藝的解毒效能展開了研究。
　　首先，本文定性和定量地分析了 SECS和APCS產(chǎn)生的副產(chǎn)物，并考查了其抑制作用。結(jié)果表明SECS和APCS產(chǎn)生的副產(chǎn)物種類均很復(fù)雜，其中APCS和SECS分別產(chǎn)生60和49種有機(jī)物，多為酸、醇、酚和呋喃類化合物。APCS產(chǎn)生的主要抑制物濃度遠(yuǎn)高于SECS，其毒性也高于SECS。SECS和APCS產(chǎn)生的金屬離子無論單獨(dú)存在還是聯(lián)合存在于發(fā)酵液中，都對(duì)發(fā)酵有輕微的抑制作用，但是抑制作用不疊

3、加；SECS產(chǎn)生的鹽度（<50g/L）、有機(jī)酸和呋喃類化合物，獨(dú)立濃度均未達(dá)到致毒濃度，聯(lián)合抑制是 SECS副產(chǎn)物抑制作用的主要形式；有機(jī)物（尤其是有機(jī)酸）對(duì)發(fā)酵的抑制作用受pH影響很大，pH≦5.0時(shí)，SECS產(chǎn)生的有機(jī)抑制物聯(lián)合作用對(duì)乙醇發(fā)酵的抑制率均在90％以上； pH=5.5時(shí)，SECS產(chǎn)生的有機(jī)酸反而對(duì)發(fā)酵有促進(jìn)作用。確定了控制pH和減小聯(lián)合抑制作用是去除 SECS副產(chǎn)物對(duì)酵母發(fā)酵產(chǎn)乙醇抑制的重點(diǎn)。APCS產(chǎn)生的鹽度（>70g

4、/L）會(huì)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制作用，產(chǎn)生的有機(jī)酸和呋喃類化合物中，乙酸（1.25×104 mg/L）和5-HMF（1592 mg/L）的濃度也均達(dá)到了單獨(dú)對(duì)釀酒酵母致毒的濃度，因此確定去除乙酸、5-HMF和降低鹽度是去除APCS副產(chǎn)物對(duì)酵母發(fā)酵產(chǎn)乙醇抑制的關(guān)鍵。
　　其次，比較和評(píng)價(jià)了水洗、加大釀酒酵母接種量、氫氧化鈣過量等幾種解毒方法對(duì) SECS的解毒作用。發(fā)現(xiàn)用3倍水洗處理、酵母接種量增加到10g/L和應(yīng)用改進(jìn)的氫氧化鈣過量法均

5、可使乙醇得率（相對(duì)葡萄糖）達(dá)到95%以上。發(fā)現(xiàn)氫氧化鈣過量法中產(chǎn)生的沉淀物對(duì)解毒至關(guān)重要，解毒處理后，需要在酶解發(fā)酵前將沉淀物轉(zhuǎn)移出發(fā)酵體系，否則沉淀物的存在對(duì)糖化和發(fā)酵都有影響。發(fā)現(xiàn)水洗和氫氧化鈣過量法均會(huì)造成 APCS糖的損失，而加大酵母接種量是一種可以獲得較高纖維素乙醇得率（95.8%）的方法。
　　再次，發(fā)現(xiàn)纖維素降解菌 Aspergillus nidulans UOA/HCPF10647的解毒功能，測(cè)定和評(píng)價(jià)了該菌在解毒

6、過程中產(chǎn)生的酶活（0.49IU/ml濾紙酶活和0.22IU/mlβ-葡葡萄糖苷酶活，相當(dāng)于添加的商品纖維素酶活的22%和添加的β-葡葡萄糖苷酶活的99%），確定了Aspergillus nidulans UOA/HCPF10647對(duì)葡萄糖的代謝速率（約為酵母的1/14.5）遠(yuǎn)小于釀酒酵母，開發(fā)了分別適合SECS和APCS的固體和菌絲體生物解毒菌劑和可以同時(shí)解毒和產(chǎn)酶的在線生物解毒工藝。應(yīng)用在線生物解毒工藝，SECS和APCS的葡萄糖乙醇

7、轉(zhuǎn)化率分別達(dá)90%和99%以上。除Aspergillus nidulans UOA/HCPF10647外，通過對(duì)其他纖維素降解菌Aspergillus niger NRRL330、Penicillium decumbens NRRL741、Penicillium chrysogenum NRRL821、Aspergillus niger NRRL1956、Penicillium funiculosum NRRL3647、Trichode

8、rma viride NRRL54020和Trichoderma reesei ATCC13631的解毒能力的考查，發(fā)現(xiàn)除NRRL54020和NRRL821，其它菌均具有去除抑制物能力，推測(cè)纖維素降解菌可以去除預(yù)處副產(chǎn)物可能是一種普遍存在的現(xiàn)象。確定了纖維素降解菌去除抑制物的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了可能普遍存在于纖維素降解菌解毒過程的、通過控制糠醛的量控制糖消耗的方法。研究發(fā)現(xiàn)了各菌之間解毒能力和產(chǎn)酶能力的差異，推薦通過菌之間的復(fù)配，讓產(chǎn)酶和解毒功

9、能都得到最大程度的發(fā)揮。
　　最后，通過對(duì)篩選和開發(fā)出來的水洗、生物解毒和加大酵母接種量三種解毒方法的解毒效能研究，得出三種解毒方法都有較好的抑制物去除能力，解毒過程造成的糖損失都在可接受范圍內(nèi)，也都能獲得較好的乙醇得率的結(jié)論。而通過解毒工藝過程的分析可知，加大酵母接種量法物耗費(fèi)用過高，即使次產(chǎn)物全部回收利用，其解毒費(fèi)用也要占到纖維素乙醇生產(chǎn)成本的50%左右；水洗法的物耗加上次產(chǎn)物處理的總費(fèi)用約為生產(chǎn)成本的2.2%~2.8%；應(yīng)用