蒸汽爆破玉米秸秆抑制物研究及酶解条件优化

论文摘要

纤维乙醇作为一种新能源,是解决能源危机的一种很好的材料。生产纤维乙醇的过程中一个重要步骤就是预处理,其中蒸汽爆破预处理被认为是最好的预处理方式之一,但是预处理过程中需要高温、高压,正是这些条件使生物大分子降解,产生对后续的酶解、发酵有抑制作用的物质,这些抑制物严重的影响了乙醇的产率。本试验运用鹤壁正道集团的小型蒸汽爆破机在2.5MP、5min的条件下,对蒸汽爆破玉米秸秆的液体部分进行组分分析,结果发现其中的甲酸、乙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛的含量较高。本研究主要就这四种抑制物对发酵的影响进行研究。本试验首先优化酵母菌在没有抑制物的存在下的一些最优条件,然后逐个研究各个抑制物对菌体生长和发酵的影响,最后运用响应面法中心组合（CCD）设计研究四种抑制物的交互作用。并在此基础上建立了酵母抑制物的发酵动力学模型。本文的主要结论:1、优化了酵母生长的最优条件:最优接种时间为第12h,最适pH值为5.0,最适温度为35℃,最佳摇床转速为150rpm。2、在接种量为5%,葡萄糖浓度为10%左右,pH值为5.0,35℃和150rpm的情况下,逐一研究了单个抑制物对酵母生长和发酵的影响。结果表明他们的最大抑制浓度分别为:甲酸10g/L,乙酸20g/L,5-羟甲基糠醛5g/L,糠醛3g/L。结果还发现甲酸、乙酸不被菌体消耗,5-羟甲基糠醛、糠醛能够被菌体消耗。通过对乙醇得率分析推断甲酸、乙酸对酵母发酵乙醇途径没有影响,而5-羟甲基糠醛、糠醛能够影响发酵途径从而影响发酵。3、在同样的发酵条件下,运用响应面的中心组合设计试验对四种抑制物进行试验,研究它们之间的交互作用,结果表明:对于菌体量和乙醇发酵的影响,糠醛、甲酸、乙酸的抑制作用显著,他们的交互作用明显。4、对蒸汽爆破玉米秸秆进行了酶解分析,运用响应面设计优化了酶解条件。结果显示最优条件为:温度43.8℃、pH为4.96、转速为200rpm,还原糖产量达到了（0.471±0.02）g/g酶解效率达到了理论的94%。较未优化前提高了12%。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• 第一章 文献综述
• 1 燃料乙醇的研究和应用状况
• 2 燃料乙醇生产存在问题
• 3 预处理
• 4 蒸汽爆破研究现状及存在问题
• 4.1 蒸汽爆破研究现状
• 4.2 蒸汽爆破存在的问题
• 5 各种抑制物的作用机理研究
• 5.1 有机酸的致毒机理
• 5.2 醛类物质的毒性研究
• 5.3 醇类物质的毒性机理研究
• 5.4 酚类物质的毒性机理研究
• 6 抑制物的脱毒方法
• 7 立题意义及技术路线
• 第二章 无抑制物状态下酵母培养条件优化
• 1 材料和方法
• 1.1 材料
• 1.2 仪器和设备
• 1.3 菌种
• 1.4 培养基
• 1.5 方法
• 2 分析方法
• 2.1 菌体浓度的测定
• 2.2 葡萄糖的测定
• 2.3 pH 值的测定
• 3 结果与分析
• 3.1 菌种转接时间确定
• 3.2 养基初始pH 值对菌体生长的影响
• 3.3 温度对菌体生长的影响
• 3.4 摇床转速对菌体生长的影响
• 4 本章小结
• 第三章 玉米秸秆蒸汽爆破抑制物对酵母生长和发酵的影响
• 1 材料和方法
• 1.1 材料
• 1.2 仪器
• 1.3 爆破装备
• 1.4 菌种与培养基
• 2 试验方法
• 2.1 玉米秸秆爆破流程图
• 2.2 单因素抑制物发酵试验
• 2.3 四种抑制物的响应面法试验
• 2.4 分析方法
• 3 结果与分析
• 3.1 玉米秸秆爆破物料中主要成分测定
• 3.2 单一爆破玉米秸秆抑制物对酵母生长和发酵的影响
• 3.2.1 甲酸对酵母生长和发酵的影响
• 3.2.2 乙酸对酵母生长和发酵的影响
• 3.2.3 5-羟甲基糠醛对酵母生长和发酵的影响
• 3.2.4 糠醛对酵母生长和发酵的影响
• 4 爆破玉米秸秆多种抑制物混合对酵母生长和乙醇发酵的影响
• 4.1 响应面设计
• 4.2 响应面分析
• 4.2.1 菌体量分析
• 4.2.2 酒精浓度分析
• 5 本章小结
• 第四章 蒸汽爆破预处理玉米秸秆酶解条件的研究
• 1 材料与方法
• 1.1 材料
• 1.2 仪器
• 1.3 方法
• 1.3.1 蒸汽爆破预处理
• 1.3.2 酶加载量与酶解时间的优化
• 1.3.3 基质浓度的确定
• 1.3.4 反应温度、转速和pH 值的优化
• 1.3.5 纤维素酶活及葡萄糖的测定
• 1.3.6 酶解动力学模型
• 2 结果与分析
• 2.1 酶加载量与反应时间确定
• 2.2 基质浓度的确定
• 2.3 酶解条件的优化
• 3 本章小结
• 第五章 结论与讨论
• 1 主要结论
• （1） 酵母生长最优的试验研究
• （2） 抑制物对酵母生长和发酵的影响
• （3） 抑制物的响应面设计
• （4） 蒸汽爆破玉米秸秆酶解条件优化和动力学研究
• 2 讨论
• 参考文献
• Abstract