里氏木霉与斜卧青霉异步发酵甜高粱秸秆产燃料乙醇的条件优化
目 录
1 引言 1
1.1 甜高粱简介 1
1.2 甜高粱用途 1
1.3 斜卧青霉在燃料乙醇生产中的作用 2
1.4 里氏木霉在燃料乙醇生产中的作用 2
1.5 用甜高粱固态发酵产乙醇的目的和意义 3
1.6 本课题研究的目的和意义 3
2 材料与方法 3
2.1 试验材料 3
2.1.1 原料 3
2.1.2 主要试验仪器 3
2.1.3 主要化学试剂 4
2.2 试验设计 4
2.2.1 发酵前甜高粱秸秆糖类物质的含量 4
2.2.2 里氏木霉与斜卧青霉异步发酵产甜高粱试验设计 5
2.2.3 正交试验设计 6
2.3 测定项目与方法 6
2.3.1 培养基的制备 6
2.3.2 乙醇含量的测定方法 7
2.3.4 葡萄糖标准曲线的绘制 8
2.3.5 可溶性糖的测定方法 9
2.3.7 纤维素、半纤维素、木质素含量的测定方法 10
2.3.8 滤纸酶活力(FPA)测定 11
3 结果分析 12
3.1 不同料水比对甜高粱秸秆产燃料乙醇的影响 12
3.2 不同初始pH对甜高粱秸秆产燃料乙醇的影响 12
3.3 不同发酵温度对甜高粱秸秆产燃料乙醇的影响 13
3.4 正交试验各处理固态发酵甜高粱秸秆产燃料乙醇得率分析 13
3.5 正交试验各处理固态发酵甜高粱秸秆发酵前后糖类物质的转化率分析 18
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3.6 正交试验滤纸酶活测定 21
4 讨论 22
4.1 不同发酵条件对固态发酵燃料乙醇的影响 22
4.2 不同发酵条件对固态发酵甜高粱秸秆发酵前后糖类物质的转化率的响 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 引言
1.1 甜高粱简介
在最近几十年里，甜高粱的用途越来越广泛，主要可以作为糖料作物、饲料作物和能源作物。甜高粱因为生长适应性较强，即使在不肥沃的土地上生长，产量也相当大，每公顷鲜茎秆产量能达到60t～90t，是正常的玉米产量的两倍左右，它的茎干中所含汁量比较多，能达到10%～20%[1]，并且它的汁液中的成分种类非常多，包括蔗糖、葡萄糖、果糖等糖分，还包括淀粉、果胶、有机酸、树胶等非糖分成分，还有一些细碎的残渣、腊质物、色素等[2]。现阶段可以通过酵母将其茎秆中糖分发酵成酒精，然后再通过蒸馏的方式得到无水乙醇，这样就可以与汽油混合形成乙醇汽油作为汽车燃料。因此在当前能源紧缺的环境下甜高粱是一种非常理想的可再生和并且产量大的能源作物。
1.2 甜高粱用途
在当今世界经济快速发展，化石燃料污染越严重，各国都在提倡低碳经济的情况下，发展能够替代煤、石油等化石燃料的可再生的清洁能源已是非常必要的，而甜高粱作为近些年被提出的新型能源作物，在生物质能源研究和运用越来越广泛的的今天，被越来越多的国家所关注[3]。从国内和国际的甜高粱发展现状以及现阶段我国经济发展的实情来分析，用于生产新一代生物质液体燃料所需要的作物必须要满足以下特点：
1）抗胁迫性强，因为甜高粱对土地的要求不高，可以生长在其他作用生长不了的盐碱地等不被利用的土地上，这样可以有效避免“与粮食作物争土地，与人争粮食的”情况的发生；
2）气候适应性非常广，甜高粱不同生态气候环境下形成大范围的规模化生产，即使非常恶劣的气候环境；
3）产能高及蓄能性好，单位面积土地上的能源产率非常高，特别是在贫瘠的土壤和不好的生态气候环境情况下仍然能保持很高的产能蓄能能力；
4）液体燃料转化率要高效，目前的方法是通过减少作物的加工步骤从而降低生物质燃料的加工成本；
5）生态友好型，水肥利用率高，适合免耕，资金投入低和水土保护型种植模式系统；
6）易于遗传改良，可以利用现代分子遗传育种和基因工程等技术筛选和定向改良高效可持续能源植物。我国目前已颁布的《可再生能源中长期发展规划》已经将燃料乙醇作为21世纪政府重点推广的新型可再生能源，并提出到2020年，生物燃料乙醇年利用量达到1000万吨，重点发展以甜高粱等为主要原料的燃料乙醇技术，目前，中兴新能源公司已经在北方的内蒙古五元建成了一条年产达4万吨的甜高粱乙醇生产线[4]。
1.3 斜卧青霉在燃料乙醇生产中的作用
斜卧青霉是产生纤维素酶的重要菌株[5-6]。现在，真菌是用来生产纤维素酶最广泛的微生物。使用最多的真菌有木霉、曲霉、青霉等。其中通过木霉、青霉生产出来的的纤维素酶一般都具有高活力、酶组分最全面等特点[7]。山东大学所改进了抗降解物阻遏突变株的筛选方法，诱变选出一株纤维素酶高产的斜卧青霉(Pldecumbens) [8]，不仅能够高产纤维素 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
酶而且具有明显的抗高浓度葡萄糖阻遏特性，使得其快速生长和高效产酶变的可能[9]。
1.4 里氏木霉在燃料乙醇生产中的作用
自然界中能够降解纤维素的微生物种类非常多，有真菌、细菌和放线菌等。到目前为止，通过科学实验研究表明，木霉属的里氏木霉( T. reesei)相对于其他其他常用的酶而言生产纤维素酶能力最强，所生产的纤维素酶最多；它生产的纤维素酶是一种胞外酶，这使得它更容易与其菌体本身分离纯化进而得到我们所需的酶；里氏木霉及其代谢物安全无毒无污染，不会对生产人员和工作环境产生不利影响[10]。里氏木霉中纤维素酶主要由纤维二糖酶( CX 酶)、内切葡聚糖酶( C1 酶)及β- 葡萄糖苷酶组成。其中CX酶不能水解天然纤维素。目前，主要检测纤维素酶是C1酶(滤纸酶活)、CX酶(羧甲基纤维素钠酶活)。C1 酶是能在纤维素酶分子内部任意断裂β- 1,4糖苷键，从而使天然纤维素裂解为直链纤维素[11]。
1.5 用甜高粱固态发酵产乙醇的目的和意义
因为甜高粱在缺水、洪涝、盐碱化的土地都具有很强的生存能力，所以，甜高粱的种植范围就非常广泛，即使在我国西北的盐碱化的非粮食产区都能大规模种植[13]。进而达到不与粮争地的目的。
同时甜高粱也非常容易种植，它的茎秆产量非常高，转化生产酒精也非常容易，利用甜高粱茎秆作为原料来生产乙醇，可极大程度地降低乙醇生产的成本。因而，用甜高粱茎秆为原料生产燃料乙醇的前景就非常广阔[14-15]。
通过甜高粱的茎秆生产出的燃料乙醇，它的硫含量最低，用它与汽油、柴油混合或者直接代替汽油、柴油等化石油料，既能缓解现阶段能源不足的问题，还能燃油成本降低从而降低油价，最主要的还能减少汽车尾气对空气的污染。由此可以看出甜高粱发酵生产乙醇在既具有很高的经济效益，也有很好的生态效益，发展前景非常广阔[16]，值得去研究发展。
甜高粱秸秆
2.1.2 主要试验仪器
表1 主要试验仪器
名称 规格 生产厂家
1 引言 1
1.1 甜高粱简介 1
1.2 甜高粱用途 1
1.3 斜卧青霉在燃料乙醇生产中的作用 2
1.4 里氏木霉在燃料乙醇生产中的作用 2
1.5 用甜高粱固态发酵产乙醇的目的和意义 3
1.6 本课题研究的目的和意义 3
2 材料与方法 3
2.1 试验材料 3
2.1.1 原料 3
2.1.2 主要试验仪器 3
2.1.3 主要化学试剂 4
2.2 试验设计 4
2.2.1 发酵前甜高粱秸秆糖类物质的含量 4
2.2.2 里氏木霉与斜卧青霉异步发酵产甜高粱试验设计 5
2.2.3 正交试验设计 6
2.3 测定项目与方法 6
2.3.1 培养基的制备 6
2.3.2 乙醇含量的测定方法 7
2.3.4 葡萄糖标准曲线的绘制 8
2.3.5 可溶性糖的测定方法 9
2.3.7 纤维素、半纤维素、木质素含量的测定方法 10
2.3.8 滤纸酶活力(FPA)测定 11
3 结果分析 12
3.1 不同料水比对甜高粱秸秆产燃料乙醇的影响 12
3.2 不同初始pH对甜高粱秸秆产燃料乙醇的影响 12
3.3 不同发酵温度对甜高粱秸秆产燃料乙醇的影响 13
3.4 正交试验各处理固态发酵甜高粱秸秆产燃料乙醇得率分析 13
3.5 正交试验各处理固态发酵甜高粱秸秆发酵前后糖类物质的转化率分析 18
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3.6 正交试验滤纸酶活测定 21
4 讨论 22
4.1 不同发酵条件对固态发酵燃料乙醇的影响 22
4.2 不同发酵条件对固态发酵甜高粱秸秆发酵前后糖类物质的转化率的响 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 引言
1.1 甜高粱简介
在最近几十年里，甜高粱的用途越来越广泛，主要可以作为糖料作物、饲料作物和能源作物。甜高粱因为生长适应性较强，即使在不肥沃的土地上生长，产量也相当大，每公顷鲜茎秆产量能达到60t～90t，是正常的玉米产量的两倍左右，它的茎干中所含汁量比较多，能达到10%～20%[1]，并且它的汁液中的成分种类非常多，包括蔗糖、葡萄糖、果糖等糖分，还包括淀粉、果胶、有机酸、树胶等非糖分成分，还有一些细碎的残渣、腊质物、色素等[2]。现阶段可以通过酵母将其茎秆中糖分发酵成酒精，然后再通过蒸馏的方式得到无水乙醇，这样就可以与汽油混合形成乙醇汽油作为汽车燃料。因此在当前能源紧缺的环境下甜高粱是一种非常理想的可再生和并且产量大的能源作物。
1.2 甜高粱用途
在当今世界经济快速发展，化石燃料污染越严重，各国都在提倡低碳经济的情况下，发展能够替代煤、石油等化石燃料的可再生的清洁能源已是非常必要的，而甜高粱作为近些年被提出的新型能源作物，在生物质能源研究和运用越来越广泛的的今天，被越来越多的国家所关注[3]。从国内和国际的甜高粱发展现状以及现阶段我国经济发展的实情来分析，用于生产新一代生物质液体燃料所需要的作物必须要满足以下特点：
1）抗胁迫性强，因为甜高粱对土地的要求不高，可以生长在其他作用生长不了的盐碱地等不被利用的土地上，这样可以有效避免“与粮食作物争土地，与人争粮食的”情况的发生；
2）气候适应性非常广，甜高粱不同生态气候环境下形成大范围的规模化生产，即使非常恶劣的气候环境；
3）产能高及蓄能性好，单位面积土地上的能源产率非常高，特别是在贫瘠的土壤和不好的生态气候环境情况下仍然能保持很高的产能蓄能能力；
4）液体燃料转化率要高效，目前的方法是通过减少作物的加工步骤从而降低生物质燃料的加工成本；
5）生态友好型，水肥利用率高，适合免耕，资金投入低和水土保护型种植模式系统；
6）易于遗传改良，可以利用现代分子遗传育种和基因工程等技术筛选和定向改良高效可持续能源植物。我国目前已颁布的《可再生能源中长期发展规划》已经将燃料乙醇作为21世纪政府重点推广的新型可再生能源，并提出到2020年，生物燃料乙醇年利用量达到1000万吨，重点发展以甜高粱等为主要原料的燃料乙醇技术，目前，中兴新能源公司已经在北方的内蒙古五元建成了一条年产达4万吨的甜高粱乙醇生产线[4]。
1.3 斜卧青霉在燃料乙醇生产中的作用
斜卧青霉是产生纤维素酶的重要菌株[5-6]。现在，真菌是用来生产纤维素酶最广泛的微生物。使用最多的真菌有木霉、曲霉、青霉等。其中通过木霉、青霉生产出来的的纤维素酶一般都具有高活力、酶组分最全面等特点[7]。山东大学所改进了抗降解物阻遏突变株的筛选方法，诱变选出一株纤维素酶高产的斜卧青霉(Pldecumbens) [8]，不仅能够高产纤维素 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
酶而且具有明显的抗高浓度葡萄糖阻遏特性，使得其快速生长和高效产酶变的可能[9]。
1.4 里氏木霉在燃料乙醇生产中的作用
自然界中能够降解纤维素的微生物种类非常多，有真菌、细菌和放线菌等。到目前为止，通过科学实验研究表明，木霉属的里氏木霉( T. reesei)相对于其他其他常用的酶而言生产纤维素酶能力最强，所生产的纤维素酶最多；它生产的纤维素酶是一种胞外酶，这使得它更容易与其菌体本身分离纯化进而得到我们所需的酶；里氏木霉及其代谢物安全无毒无污染，不会对生产人员和工作环境产生不利影响[10]。里氏木霉中纤维素酶主要由纤维二糖酶( CX 酶)、内切葡聚糖酶( C1 酶)及β- 葡萄糖苷酶组成。其中CX酶不能水解天然纤维素。目前，主要检测纤维素酶是C1酶(滤纸酶活)、CX酶(羧甲基纤维素钠酶活)。C1 酶是能在纤维素酶分子内部任意断裂β- 1,4糖苷键，从而使天然纤维素裂解为直链纤维素[11]。
1.5 用甜高粱固态发酵产乙醇的目的和意义
因为甜高粱在缺水、洪涝、盐碱化的土地都具有很强的生存能力，所以，甜高粱的种植范围就非常广泛，即使在我国西北的盐碱化的非粮食产区都能大规模种植[13]。进而达到不与粮争地的目的。
同时甜高粱也非常容易种植，它的茎秆产量非常高，转化生产酒精也非常容易，利用甜高粱茎秆作为原料来生产乙醇，可极大程度地降低乙醇生产的成本。因而，用甜高粱茎秆为原料生产燃料乙醇的前景就非常广阔[14-15]。
通过甜高粱的茎秆生产出的燃料乙醇，它的硫含量最低，用它与汽油、柴油混合或者直接代替汽油、柴油等化石油料，既能缓解现阶段能源不足的问题，还能燃油成本降低从而降低油价，最主要的还能减少汽车尾气对空气的污染。由此可以看出甜高粱发酵生产乙醇在既具有很高的经济效益，也有很好的生态效益，发展前景非常广阔[16]，值得去研究发展。
甜高粱秸秆
2.1.2 主要试验仪器
表1 主要试验仪器
名称 规格 生产厂家
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