生物法制备乙醇研究及其现状调研
：本课题调查了广东、广西推广新能源地区生物乙醇的使用状况及生产厂家的生产方式。依据文献及调查情况选取三个对生物乙醇发酵影响较大的因素进行正交实验，确定分步糖化发酵方式和同步糖化的最优反应参数。尝试利用灵芝液态发酵制备的漆酶与纤维素酶协同酶解小麦秸秆发酵制备燃料乙醇的研究。结果表明同步糖化和分步糖化的最优反应条件均为：秸秆颗粒度40目、反应固液比为1:25、纤维素酶的添加量为3300 U/g秸秆。漆酶对小麦秸秆的预处理使小麦秸秆的糖化率提高了12.3%。漆酶与纤维素酶在同步糖化反应过程中的协同酶解使乙醇产量提高了6.7%。
目录
摘要 2
关键词 2
Abstract 2
Key words 2
引言 2
1 情况调查 3
1.1我国燃料乙醇使用情况 3
1.2生物质燃料乙醇的价格波动详细情况 4
1.3燃料乙醇生产情况调查 5
2 材料与方法 9
2.1材料 9
2.1.1原料 9
2.1.2 主要试剂与材料 9
2.1.3主要仪器 9
2.1.4.醋酸醋酸钠缓冲溶液配置 9
2.1.5发酵培养基 9
2.1.6酵母种子液的制备 9
2.2方法 9
2.2.1乙醇含量标准曲线 9
2.2.2还原糖含量标准曲线 9
2.2.3 单因素实验 9
2.2.4分步糖化发酵 10
2.2.5同步糖化发酵 10
2.2.6漆酶与纤维素酶的协同酶解 10
3 实验结果与分析 11
3.1标准曲线 11
3.2单因素实验 12
3.3分步糖化发酵 13
3.4同步糖化发酵 14
3.5漆酶与纤维素酶的协同酶解 14
4 讨论 15
4.1分步糖化实验 15
4.2同步糖化实验 15
4.3漆酶预处理及漆酶与纤维素酶的协同酶解 15
致谢 16
参考文献 16<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
br /> 生物法制备燃料乙醇研究及其现状调研
引言
生物乙醇作为一种可再生的清洁能源，在2000年开始受到了国家的重视和推广。当时的第一代生物乙醇以糖和淀粉作为原料进行生产，主要原料为粮食作物，容易造成粮食危机。第二代燃料乙醇生产则是以木质纤维和非粮类淀粉物质为原料生产燃料乙醇，其主要代表原料有农作物废弃秸秆、木薯等。由于原料来源广泛、价格低廉且不与人争粮，第二代生物乙醇生产技术已经成为当今主要的生物乙醇生产方式。
然而仍存在一些关键技术问题，其中以木质纤维素为原料构建糖平台技术是其中重要的技术瓶颈，亟待解决。本实验在对生物乙醇生产工艺与市场调查的基础上，优化木质纤维素制备生物乙醇操作参数，进而考察利用漆酶和纤维素酶协同酶解对乙醇发酵的影响，对生物乙醇制取方法发展有研究意义。
近年来研究以木质纤维素原料生产生物乙醇的生产方式包含有3个方面，分别是纤维素的预处理、纤维素在酶的作用下的水解糖化以及还原糖的发酵反应。目前国内外主要的研究进展集中在纤维素的预处理工艺研究、纤维素酶制备成本的降低以及五碳糖和六碳糖在发酵反应过程中的协同发酵作用。现阶段在生物乙醇制取方面上使用的具体生产方式可分为直接发酵法、间接发酵法、混合菌发酵法、分步糖化发酵、同步糖化发酵法、非等温同步糖化发酵法和固定化细胞发酵法等。各国学者对各种发酵方式进行了大量研究[1?5]。Wingren等[4]对软木材生产生物乙醇的过程分析表明，SSF模式比先糖化后发酵(SHF)模式更经济。
同步糖化发酵方式能够实现纤维素的水解和还原糖的发酵同时进行，在获得还原糖的同时，利用酵母菌发酵制取乙醇。纤维素的水解温度和还原糖的发酵温度不同，由于纤维素酶的最适水解温度为55℃，而最适的发酵温度为30℃，故同步糖化发酵通常在35~38℃下操作，这一折中处理使酶的活性和发酵的效率都不能达到最大[69]。Olofsson等[1011]研究发现，用麦秆进行同步糖化发酵的最佳温度为34℃。
漆酶是木质素降解酶的一种，存在于菇、菌及植物中。漆酶在降解木质素的过程中能够去除木质纤维素当中部分发酵抑制物，并且增加木质纤维素的孔隙率，促进纤维素的快速降解。实验尝试在同步糖化发酵反应中使用漆酶和纤维素酶的协同酶解[12]。在漆酶与纤维素酶的协同酶解中，有漆酶/介体系统的存在。该系统在保证木质素降解的同时还会对另一种协同作用酶起到促进作用[13]。由于实验所用漆酶取自灵芝发酵液中，故在使用前需测定其酶活[14]。
1 调查情况
1.1 我国燃料乙醇使用情况
2000年以来，我国原油对外依存度由30%上升至国际公认警戒线(50%)以上，达到55%，高于美国的53%。我国的能源安全问题已不可忽视。
图11 我国原油对外依存度与燃料乙醇使用情况图
由图11可知，在2002年前中国的原油对外依存度增长速度较快，而2002年后，若不开展除原油外其他能源的推广应用，我国的能源安全会收到威胁。此外，燃料乙醇得到大力推广以降低我国原油的对外依存度。
图12 全国燃料乙醇消费量（万吨）
由图12可知，我国对燃料乙醇的需求和使用量逐年增长，自2006年开始，其增长幅度始终保持在每年810万吨。虽然燃料乙醇消费量的增长幅度不大，但其持续增长的趋势会保持下去。
1.2 生物质燃料乙醇的价格波动详细情况
燃料乙醇目前主要有两大生产方式，一是使用以煤炭为原料制取燃料乙醇，另一种是使用生物质能如农作物秸秆，或者直接以粮食为原料制取，但该方式目前技术成本偏高。由图13可知，在燃料乙醇价格方面，产煤大省山西，内蒙古由于煤炭资源丰富，价格低于全国平均水平，而主要使用生物质能的地区（如河南、广西、海南等）因目前生物燃料乙醇制取技术成本偏高，价格高于全国平均水平。同时，由于我国正大力推广生物燃料乙醇，2014年全国燃料乙醇价格较2013年提高0.120.4 元/kg。
图13 20132014年各省份燃料乙醇价格波动情况
1.3 燃料乙醇生产情况调查
我国生物燃料乙醇主要原料为玉米、农作物秸秆、木薯三种。在原料价格方面，木薯和玉米价格始终保持稳定，不会对产照成大幅度的冲击，而农作物秸秆存在季节性，原料价格在全年会有不同幅度的变化。在当今生物燃料乙醇发展规划中，主要制备原料开始偏向非食生物质，以木薯、玉米芯等为主。
图14 广西中粮生物质有限公司图
2014年11月前往广西中粮生物质能源有限公司开展调查活动。广西中粮生物质能源有限公司是一座以广西地区盛产的木薯为原料进行燃料乙醇生产的企业，企业生产规模为20万吨/年，每年可为种植木薯的农民带来3亿多元的收入。公司内建设有两条木薯燃料乙醇生产线、一条铁路专用线、一座自备发电站(火力)和两座污水处理厂，拥有较好的后勤处理系统。
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摘要 2
关键词 2
Abstract 2
Key words 2
引言 2
1 情况调查 3
1.1我国燃料乙醇使用情况 3
1.2生物质燃料乙醇的价格波动详细情况 4
1.3燃料乙醇生产情况调查 5
2 材料与方法 9
2.1材料 9
2.1.1原料 9
2.1.2 主要试剂与材料 9
2.1.3主要仪器 9
2.1.4.醋酸醋酸钠缓冲溶液配置 9
2.1.5发酵培养基 9
2.1.6酵母种子液的制备 9
2.2方法 9
2.2.1乙醇含量标准曲线 9
2.2.2还原糖含量标准曲线 9
2.2.3 单因素实验 9
2.2.4分步糖化发酵 10
2.2.5同步糖化发酵 10
2.2.6漆酶与纤维素酶的协同酶解 10
3 实验结果与分析 11
3.1标准曲线 11
3.2单因素实验 12
3.3分步糖化发酵 13
3.4同步糖化发酵 14
3.5漆酶与纤维素酶的协同酶解 14
4 讨论 15
4.1分步糖化实验 15
4.2同步糖化实验 15
4.3漆酶预处理及漆酶与纤维素酶的协同酶解 15
致谢 16
参考文献 16<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
br /> 生物法制备燃料乙醇研究及其现状调研
引言
生物乙醇作为一种可再生的清洁能源，在2000年开始受到了国家的重视和推广。当时的第一代生物乙醇以糖和淀粉作为原料进行生产，主要原料为粮食作物，容易造成粮食危机。第二代燃料乙醇生产则是以木质纤维和非粮类淀粉物质为原料生产燃料乙醇，其主要代表原料有农作物废弃秸秆、木薯等。由于原料来源广泛、价格低廉且不与人争粮，第二代生物乙醇生产技术已经成为当今主要的生物乙醇生产方式。
然而仍存在一些关键技术问题，其中以木质纤维素为原料构建糖平台技术是其中重要的技术瓶颈，亟待解决。本实验在对生物乙醇生产工艺与市场调查的基础上，优化木质纤维素制备生物乙醇操作参数，进而考察利用漆酶和纤维素酶协同酶解对乙醇发酵的影响，对生物乙醇制取方法发展有研究意义。
近年来研究以木质纤维素原料生产生物乙醇的生产方式包含有3个方面，分别是纤维素的预处理、纤维素在酶的作用下的水解糖化以及还原糖的发酵反应。目前国内外主要的研究进展集中在纤维素的预处理工艺研究、纤维素酶制备成本的降低以及五碳糖和六碳糖在发酵反应过程中的协同发酵作用。现阶段在生物乙醇制取方面上使用的具体生产方式可分为直接发酵法、间接发酵法、混合菌发酵法、分步糖化发酵、同步糖化发酵法、非等温同步糖化发酵法和固定化细胞发酵法等。各国学者对各种发酵方式进行了大量研究[1?5]。Wingren等[4]对软木材生产生物乙醇的过程分析表明，SSF模式比先糖化后发酵(SHF)模式更经济。
同步糖化发酵方式能够实现纤维素的水解和还原糖的发酵同时进行，在获得还原糖的同时，利用酵母菌发酵制取乙醇。纤维素的水解温度和还原糖的发酵温度不同，由于纤维素酶的最适水解温度为55℃，而最适的发酵温度为30℃，故同步糖化发酵通常在35~38℃下操作，这一折中处理使酶的活性和发酵的效率都不能达到最大[69]。Olofsson等[1011]研究发现，用麦秆进行同步糖化发酵的最佳温度为34℃。
漆酶是木质素降解酶的一种，存在于菇、菌及植物中。漆酶在降解木质素的过程中能够去除木质纤维素当中部分发酵抑制物，并且增加木质纤维素的孔隙率，促进纤维素的快速降解。实验尝试在同步糖化发酵反应中使用漆酶和纤维素酶的协同酶解[12]。在漆酶与纤维素酶的协同酶解中，有漆酶/介体系统的存在。该系统在保证木质素降解的同时还会对另一种协同作用酶起到促进作用[13]。由于实验所用漆酶取自灵芝发酵液中，故在使用前需测定其酶活[14]。
1 调查情况
1.1 我国燃料乙醇使用情况
2000年以来，我国原油对外依存度由30%上升至国际公认警戒线(50%)以上，达到55%，高于美国的53%。我国的能源安全问题已不可忽视。
图11 我国原油对外依存度与燃料乙醇使用情况图
由图11可知，在2002年前中国的原油对外依存度增长速度较快，而2002年后，若不开展除原油外其他能源的推广应用，我国的能源安全会收到威胁。此外，燃料乙醇得到大力推广以降低我国原油的对外依存度。
图12 全国燃料乙醇消费量（万吨）
由图12可知，我国对燃料乙醇的需求和使用量逐年增长，自2006年开始，其增长幅度始终保持在每年810万吨。虽然燃料乙醇消费量的增长幅度不大，但其持续增长的趋势会保持下去。
1.2 生物质燃料乙醇的价格波动详细情况
燃料乙醇目前主要有两大生产方式，一是使用以煤炭为原料制取燃料乙醇，另一种是使用生物质能如农作物秸秆，或者直接以粮食为原料制取，但该方式目前技术成本偏高。由图13可知，在燃料乙醇价格方面，产煤大省山西，内蒙古由于煤炭资源丰富，价格低于全国平均水平，而主要使用生物质能的地区（如河南、广西、海南等）因目前生物燃料乙醇制取技术成本偏高，价格高于全国平均水平。同时，由于我国正大力推广生物燃料乙醇，2014年全国燃料乙醇价格较2013年提高0.120.4 元/kg。
图13 20132014年各省份燃料乙醇价格波动情况
1.3 燃料乙醇生产情况调查
我国生物燃料乙醇主要原料为玉米、农作物秸秆、木薯三种。在原料价格方面，木薯和玉米价格始终保持稳定，不会对产照成大幅度的冲击，而农作物秸秆存在季节性，原料价格在全年会有不同幅度的变化。在当今生物燃料乙醇发展规划中，主要制备原料开始偏向非食生物质，以木薯、玉米芯等为主。
图14 广西中粮生物质有限公司图
2014年11月前往广西中粮生物质能源有限公司开展调查活动。广西中粮生物质能源有限公司是一座以广西地区盛产的木薯为原料进行燃料乙醇生产的企业，企业生产规模为20万吨/年，每年可为种植木薯的农民带来3亿多元的收入。公司内建设有两条木薯燃料乙醇生产线、一条铁路专用线、一座自备发电站(火力)和两座污水处理厂，拥有较好的后勤处理系统。
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