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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
棉桿稀酸水解及發(fā)酵生產(chǎn)乙醇工藝研究
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)介：
隨著能源的日益短缺，利用纖維素類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究逐漸受到世界各國(guó)的重視。棉花秸稈是新疆棉區(qū)大量存在的生物質(zhì)原料，其主要組成成分為木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，眾多棉稈除少量用于造紙、制板、建筑和飼料生產(chǎn)等之外，大部分直接還田，利用率和生物轉(zhuǎn)化率較低。利用棉花秸稈發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，既可以使棉稈資源得以充分利用，又可以解決由能源引起的環(huán)境危機(jī)、糧食危機(jī)及能源危機(jī),具有重大的社會(huì)意義。
詳細(xì)介紹：
隨著能源的日益短缺，利用纖維素類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究逐漸受到世界各國(guó)的重視。棉花秸稈是新疆棉區(qū)大量存在的生物質(zhì)原料，其主要組成成分為木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，其含量分別為15.3％、44.0％、10.7％[1]，使棉花秸稈中的木質(zhì)纖維素成分充分轉(zhuǎn)化，發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，既可以使棉稈資源得以充分利用，又可以解決由能源引起的環(huán)境危機(jī)、糧食危機(jī)及能源危機(jī)[2]，具有重大的社會(huì)意義。 欲使棉花秸稈轉(zhuǎn)化為乙醇，首先是將其中的木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化還原糖類(lèi)。目前，稀酸處理已成為水解糖化秸稈中半纖維素及部分纖維素的重要方法。Mohammad和Keikhosro在對(duì)木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法作出綜述的基礎(chǔ)上，指出稀酸預(yù)處理中，半纖維素的去除率可高達(dá)100%[3]。張繼泉等用稀硫酸處理玉米秸稈，結(jié)果表明在硫酸濃度為1.0%，水解溫度120℃，水解時(shí)間2 h，秸稈粉粒度20-40 目，固形物含量10%的水解條件下，秸稈的水解率為19.2%，還原糖組成主要為木糖和葡萄糖[4]。王艷敏等指出木質(zhì)纖維素稀酸水解中，半纖維素首先被降解成單糖，接著水解才使纖維素進(jìn)一步降解成葡萄糖，而木質(zhì)素幾乎不被降解[5]。可見(jiàn)酸解液中主要含有葡萄糖和木糖等可溶性糖，其中的葡萄糖可以通過(guò)釀酒酵母轉(zhuǎn)化為乙醇，能夠轉(zhuǎn)化木糖的微生物也很多，如管囊酵母、畢赤酵母、假絲酵母等都能將木糖轉(zhuǎn)化為乙醇[6]，為此，探討木質(zhì)纖維素稀酸水解工藝、檢測(cè)水解還原糖含量并用于乙醇生產(chǎn)，對(duì)棉稈纖維素類(lèi)物質(zhì)高效水解糖化及后續(xù)乙醇發(fā)酵生產(chǎn)十分必要。 本研究擬通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)探討硫酸濃度、水解時(shí)間、固液比和水解溫度對(duì)棉桿水解糖化的木糖得率和葡萄糖得率的影響，實(shí)現(xiàn)稀酸水解工藝的優(yōu)化，并通過(guò)管囊酵母、釀酒酵母單菌及混菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，探索棉桿稀酸水解糖液乙醇發(fā)酵途徑，為棉稈的水解糖化及后續(xù)乙醇發(fā)酵奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

作品專(zhuān)業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

本作品針對(duì)棉稈的木質(zhì)纖維素組成情況及其潛在還原糖的存在可能開(kāi)展研究，旨在通過(guò)優(yōu)化稀酸水解工藝，探討具有較高木糖得率和葡萄糖得率的棉桿稀酸水解工藝；通過(guò)對(duì)比單菌和混菌發(fā)酵條件下的乙醇產(chǎn)量，獲得較優(yōu)的乙醇發(fā)酵方式

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

棉稈是新疆棉區(qū)廣泛存在的廉價(jià)生物質(zhì)原料，木質(zhì)纖維素含量高，本作品依據(jù)棉稈獨(dú)特的木質(zhì)纖維素組成特性和潛在還原糖的存在可能，探討了棉稈稀酸水解、酸解液脫毒脫色及乙醇發(fā)酵生產(chǎn)的工藝技術(shù)，科學(xué)地提出了棉稈高效水解和發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)路線，能為后續(xù)棉稈規(guī)?；夂桶l(fā)酵生產(chǎn)提供技術(shù)參考

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

本作品通過(guò)研究獲得了棉稈稀酸水解和酸解液發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝，并掌握了有效的棉稈酸解液脫毒脫色技術(shù)，便于后續(xù)對(duì)棉稈稀酸水解和乙醇發(fā)酵進(jìn)行規(guī)?；芯浚蔀槊薅挼漠a(chǎn)業(yè)化利用提供技術(shù)參考和開(kāi)辟新途徑，對(duì)新疆棉稈的高值化利用具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義

學(xué)術(shù)論文摘要

通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)探討了硫酸濃度、水解時(shí)間、固液比和水解溫度對(duì)棉桿稀酸水解過(guò)程中木糖得率和葡萄糖得率的影響，并優(yōu)化了工藝參數(shù)，再利用最優(yōu)條件下獲得的酸解液，經(jīng)脫毒、脫色和濃縮，用于酵母菌乙醇發(fā)酵。結(jié)果表明，棉桿稀酸水解最優(yōu)的工藝條件為：硫酸濃度4.0%、水解時(shí)間30 min、固液比1 : 5、水解溫度121℃；酸解液經(jīng)酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，48 h是較適宜的發(fā)酵時(shí)間，混菌發(fā)酵效果較好，發(fā)酵48 h，兩菌株混合發(fā)酵的乙醇質(zhì)量濃度可達(dá)到8.49±0.54 g?L-1。

獲獎(jiǎng)情況

無(wú)

鑒定結(jié)果

該作品研究了棉稈稀酸水解和發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝條件，獲得了具有高效糖轉(zhuǎn)化率和乙醇得率的工藝參數(shù)，為棉稈的高效水解和乙醇生產(chǎn)提供了技術(shù)依據(jù)，具有較高的科學(xué)參考價(jià)值，建議推薦為大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”作品。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏敏, 雒秋江, 潘榕, 等. 對(duì)棉花秸稈飼用價(jià)值的基本評(píng)價(jià)[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 26(1): 1-4 [2] 張繼泉, 孫玉英, 關(guān)鳳梅, 等. 玉米秸稈稀硫酸預(yù)處理?xiàng)l件的初步研究[J]. 纖維素科學(xué)與技術(shù), 2002, 10(2): 32-36 [3] 王艷敏, 丁長(zhǎng)河, 李里特, 等. 樹(shù)干畢赤酵母發(fā)酵半纖維素稀酸水解液生產(chǎn)乙醇的研究進(jìn)展[J]. 釀酒科技, 2008, 12: 97-99, 103 [4] Jeewon Lee. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol[J]. Journal of Biotechnol, 1997(56): 1-24 [5] Mohammad JT and Keikhosro K. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: a review[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2008, 9, 1621-1651

同類(lèi)課題研究水平概述

欲使棉花秸稈轉(zhuǎn)化為乙醇，首先是將其中的木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化還原糖類(lèi)。目前，稀酸處理已成為水解糖化秸稈中半纖維素及部分纖維素的重要方法。Mohammad和Keikhosro在對(duì)木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法作出綜述的基礎(chǔ)上，指出稀酸預(yù)處理中，半纖維素的去除率可高達(dá)100%。張繼泉等用稀硫酸處理玉米秸稈，結(jié)果表明在硫酸濃度為1.0%，水解溫度120℃，水解時(shí)間2 h，秸稈粉粒度20-40 目，固形物含量10%的水解條件下，秸稈的水解率為19.2%，還原糖組成主要為木糖和葡萄糖。王艷敏等指出木質(zhì)纖維素稀酸水解中，半纖維素首先被降解成單糖，接著水解才使纖維素進(jìn)一步降解成葡萄糖，而木質(zhì)素幾乎不被降解?？梢?jiàn)酸解液中主要含有葡萄糖和木糖等可溶性糖，其中的葡萄糖可以通過(guò)釀酒酵母轉(zhuǎn)化為乙醇，能夠轉(zhuǎn)化木糖的微生物也很多，如管囊酵母、畢赤酵母、假絲酵母等都能將木糖轉(zhuǎn)化為乙醇，為此，探討木質(zhì)纖維素稀酸水解工藝、檢測(cè)水解還原糖含量并用于乙醇生產(chǎn)，對(duì)棉稈纖維素類(lèi)物質(zhì)高效水解糖化及后續(xù)乙醇發(fā)酵生產(chǎn)十分必要。 在棉稈生產(chǎn)乙醇方面研究尚少，目前還沒(méi)有形成完整的乙醇生產(chǎn)技術(shù)路線和工藝，但已有人對(duì)棉稈的預(yù)處理、糖化及乙醇的生產(chǎn)等方面進(jìn)行了一定研究。Jian等（2008）研究了白腐菌預(yù)處理對(duì)棉稈纖維素酶解和生產(chǎn)乙醇的影響；Haykir（2009）通過(guò)堿預(yù)處理、漆酶和纖維素酶的復(fù)合處理，使棉稈溶出的葡萄糖產(chǎn)量達(dá)到5.45%；鄧輝等（2008）通過(guò)優(yōu)化棉稈糖化堿預(yù)處理?xiàng)l件，使棉稈水解率達(dá)到20.05%；張琴等（2009）、李艷賓等（2009）利用微生物降解經(jīng)稀酸常溫處理的棉稈，實(shí)現(xiàn)棉稈糖化率最高達(dá)30%左右。但以上研究普遍存在微生物發(fā)酵周期偏長(zhǎng)、糖化率不高及乙醇產(chǎn)量低等問(wèn)題，故只有在棉稈生產(chǎn)乙醇的各個(gè)環(huán)節(jié)上展開(kāi)深入研究，才能從根本上提高乙醇含量。本課題組前期已針對(duì)汽爆和酸解預(yù)處理棉稈開(kāi)展了棉稈纖維素乙醇生產(chǎn)方法的部分研究，但僅限于實(shí)驗(yàn)室水平，較多關(guān)鍵技術(shù)尚未根本解決。為此，欲實(shí)現(xiàn)棉稈乙醇發(fā)酵的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，尚需對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行更進(jìn)一步的研究與摸索。
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