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基本信息

項目名稱：
纖維物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇和2,3-丁二醇的研究
小類：
能源化工
簡介：
本作品研究了一種能有效去除玉米芯中木質(zhì)素，減少纖維素和半纖維素?fù)p失率的堿性預(yù)處理方法，繼而優(yōu)化酶解條件，高效酶解纖維素生產(chǎn)燃料乙醇，半纖維素酶解生產(chǎn)有較高附加值的2,3-丁二醇，從而解決了現(xiàn)行纖維物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇過程中木糖無法有效利用，綜合生產(chǎn)成本高的問題。
詳細介紹：
本作品對玉米芯堿法預(yù)處理，半纖維素木聚糖酶酶解影響因素，纖維素同步糖化發(fā)酵乙醇，木糖酶解液2,3-丁二醇發(fā)酵進行了研究。發(fā)明了一種能夠有效去除玉米芯中木質(zhì)素，減少纖維素和半纖維素?fù)p失率的堿性預(yù)處理方法。預(yù)處理主要以增加木質(zhì)素的去除率、減少半纖維素和纖維素的損失率為考察指標(biāo)。對影響玉米芯組分的處理時間、溫度、液固比以及混合溶液中氨水濃度、過氧化氫（H2O2）濃度、硅酸鈉（Na2SiO3）濃度、硫酸鎂（MgSO4）濃度等進行了優(yōu)化，得出最佳的預(yù)處理條件為：時間16h，溫度70℃，液固23:1，氨水濃度2.5%， H2O2 0.6%、Na2SiO3 5%、MgSO4 0.05%。在此條件下對玉米芯進行預(yù)處理，所得玉米芯殘渣得率為58.90%，半纖維素保留率為52.76，纖維素保留率為86.14，木質(zhì)素的去除率為94.31%。 酶解預(yù)處理殘渣中的半纖維素，利用木糖液進行2,3-丁二醇發(fā)酵?？疾旒せ顒┖兔附鈼l件對木聚糖酶酶解半纖維素的影響。綜合激活劑和酶解條件的優(yōu)化，得出木聚糖酶的最佳酶解條件為：液固比15:1、木聚糖酶添加量150IU/g玉米芯，激活劑濃度分別為Tween80 0.15%、PEG6000 0.15%、牛血清蛋白（BSA） 0.15%、鼠李糖脂（RH） 0.005%，酶解溫度50℃、酶解時間48h。優(yōu)化后的半纖維素酶解得率可達86.62%，與優(yōu)化前相比提高了44.17%。 堿液預(yù)處理玉米芯纖維素同步糖化發(fā)酵乙醇，發(fā)酵60h，乙醇濃度可達28.80g/L，乙醇得率為0.5005g乙醇/g纖維素，達到理論得率的88.33%。木糖液無需脫毒直接進行補料發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇，達到了理論轉(zhuǎn)化率的87.7%。 此作品的堿法預(yù)處理能避免酸解得到的木糖溶液中存在糠醛等發(fā)酵抑制物，并解決了混合糖發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇能力弱、原料利用率低等問題。

作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

本作品研究了一種能夠有效去除玉米芯中木質(zhì)素，減少纖維素和半纖維素?fù)p失率的堿性預(yù)處理方法，繼而高效酶解纖維素生產(chǎn)燃料乙醇，半纖維素酶解生產(chǎn)有較高附加值的2,3-丁二醇，本作品采用堿法預(yù)處理玉米芯，對影響玉米芯組分的處理時間、溫度、液固比以及混合溶液中氨水濃度、H2O2濃度、Na2SiO3濃度、MgSO4濃度等進行了優(yōu)化，得出最佳的預(yù)處理條件。用該條件處理得到的玉米芯殘渣再進行木聚糖酶解，優(yōu)化酶解條件。利用酶解殘渣及水解液發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇和2,3-丁二醇。主要的技術(shù)指標(biāo)： 1，文中所述的纖維物質(zhì)為農(nóng)業(yè)廢棄物，玉米芯、玉米秸稈、稻草、麥稈或草。 2，第一步堿法預(yù)處理過程中的反應(yīng)液含有體積質(zhì)量濃度為1.5%~3.0%的氨水和0.4%~0.8%的過氧化氫。 3，在預(yù)處理的同時向反應(yīng)液中添加增效劑：體積質(zhì)量濃度3%~6%的硅酸鈉和0.02%~0.1%的硫酸鎂，硅酸鈉和硫酸鎂的加入有效的提高了木質(zhì)素的去除。 4，木聚糖酶解過程中使用的是能夠顯著提高木聚糖酶解效率的激活劑：Tween80 0.15%、PEG6000 0.15%、牛血清蛋白（BSA） 0.15%、鼠李糖（RH ）0.005%。

科學(xué)性、先進性

在現(xiàn)行木質(zhì)纖維素乙醇技術(shù)中，一部分半纖維素在預(yù)處理（如酸預(yù)處理）階段被水解，與木質(zhì)素水解得到的酚類化合物和半纖維素自身產(chǎn)生的乙酸、糠醛、羥甲基糠醛等抑制物混在一起，多作為廢水排放，若要進行木糖發(fā)酵須經(jīng)過復(fù)雜的脫毒工藝、成本高、且發(fā)酵效率低。本作品通過堿法預(yù)處理，并在反應(yīng)液中添加增效劑，在高效去除木質(zhì)素的同時，省去了酸中和及脫毒程序。 剩余的半纖維素在纖維素酶解階段與纖維素一起水解，得到五碳糖和六碳糖的混合糖液，本文采用先預(yù)處理再分步酶解，先用木聚糖酶將半纖維素酶解成木糖，減弱了半纖維素與木質(zhì)素之間的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)對纖維素酶酶解活性的間接影響，然后用半纖維素水解液（木糖）進行2,3-丁二醇發(fā)酵，纖維素酶將纖維素殘渣酶解成葡萄糖，進而進行乙醇發(fā)酵，這樣既可以充分利用五碳糖（木糖）和六碳糖（葡萄糖），又提高了纖維素的酶解得率，同時又解決了酸解得到的木糖溶液存在糠醛等發(fā)酵抑制物，混合糖發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇能力弱等問題。這將為木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理及酶解方法提供一定的借鑒和應(yīng)用價值。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

無

作品所處階段

實驗室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

無

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測

隨著人類社會的飛速發(fā)展，使得石油、煤、天然氣等不可再生資源大量消耗并已逐漸枯竭，能源危機、環(huán)境污染、全球氣候變化等一系列問題日益突出，嚴(yán)重影響了人類社會的生存發(fā)展。燃料乙醇是世界上生產(chǎn)規(guī)模最大、發(fā)展最快的生物能源。2,3-丁二醇是重要的化工原料和液體燃料，可廣泛應(yīng)用于化工、食品、燃料、航空航天等多個領(lǐng)域，目前市場售價是1600元/噸以上。 植物每年通過光合作用能產(chǎn)生高達1.55×1011t木質(zhì)纖維素類物質(zhì)，其中纖維素、半纖維素的總量為8.5×1010t，但是作為富含纖維素、半纖維素的農(nóng)業(yè)廢棄物，除了少量用于生產(chǎn)木糖醇、糠醛等外，絕大部分在田間放火燃燒，既浪費資源又污染環(huán)境。因此研究開發(fā)木質(zhì)纖維素的轉(zhuǎn)化技術(shù)，將農(nóng)作物殘渣等木質(zhì)纖維素類物質(zhì)高效地轉(zhuǎn)化為糖，進一步發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇和2,3-丁二醇，對開發(fā)新能源、降低生產(chǎn)成本、提高資源利用率、保護環(huán)境具有非常重要的現(xiàn)實意義。

同類課題研究水平概述

現(xiàn)階段世界上大多數(shù)國家生產(chǎn)燃料乙醇的原料都是以玉米等糧食作物為主，但是隨著現(xiàn)代工業(yè)和運輸業(yè)對燃料乙醇用量的增加，用于生產(chǎn)乙醇的原材料的價格在不斷上漲，原料成本高達總成本的40%，并且用這些原料生產(chǎn)燃料乙醇存在“與人爭食”和“與農(nóng)爭地”等問題。因此，從長遠考慮必須尋找豐富且廉價的原料來源，而木質(zhì)纖維素原料是地球上最豐富和最廉價的可再生資源，占地球生物總量的60%~80%，被看做是最具價值的生產(chǎn)燃料乙醇潛在資源，越來越被各國所看好。但由于木質(zhì)素、半纖維素對纖維素的保護作用及自身的高度結(jié)晶特性，使酶分子很難與纖維素接觸，酶解效率低，因此，在以木質(zhì)纖維素為原料進行乙醇制備方面仍存在原料預(yù)處理難、纖維素酶解水解成本高和木糖無法被利用等問題。 木糖是木質(zhì)纖維原料水解產(chǎn)物中含量僅次于葡萄糖的一種單糖，由半纖維素水解生成，含量可達植物纖維水解糖類的35%以上。現(xiàn)有纖維素乙醇生產(chǎn)技術(shù)由于木糖發(fā)酵難題大多放棄了木糖發(fā)酵，只利用了纖維原料中的纖維素部分，致使原料利用率偏低，基本在30%~35%水平，這不但增加了生產(chǎn)成本，而且造成資源浪費。目前木質(zhì)纖維素的利用主要集中于其中纖維素降解的葡萄糖，利用其生產(chǎn)酒精或生物質(zhì)化學(xué)品等，而對于半纖維素降解的木糖利用很少。 2,3-丁二醇(2,3-Butanediol, 2,3-BD)是一種重要的化工原料和液體燃料，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品及航空航天等領(lǐng)域。微生物可以利用糧食或木質(zhì)纖維素為底物生產(chǎn)2,3-丁二醇，其中利用葡萄糖為底物生產(chǎn)2,3-丁二醇研究較多。但由于糧食危機的存在，利用豐富而且廉價的可再生資源木質(zhì)纖維類物質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇成為必然趨勢。 本作品的利用木質(zhì)纖維物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇和2,3-丁二醇，主要特征在于預(yù)處理和木聚糖酶解工藝，有效去除原料中的木質(zhì)素，將半纖維素高效轉(zhuǎn)化為低毒性的木糖水解液，同時獲得纖維素含量高的纖維素殘渣，進而分別高效發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇，有效提高了原料利用率。
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