基本信息
- 项目名称：
- 棉杆稀酸水解及发酵生产乙醇工艺研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 随着能源的日益短缺，利用纤维素类物质发酵生产燃料乙醇的研究逐渐受到世界各国的重视。棉花秸秆是新疆棉区大量存在的生物质原料，其主要组成成分为木质素、纤维素和半纤维素，众多棉秆除少量用于造纸、制板、建筑和饲料生产等之外，大部分直接还田，利用率和生物转化率较低。利用棉花秸秆发酵生产燃料乙醇，既可以使棉秆资源得以充分利用，又可以解决由能源引起的环境危机、粮食危机及能源危机,具有重大的社会意义。
- 详细介绍：
- 随着能源的日益短缺，利用纤维素类物质发酵生产燃料乙醇的研究逐渐受到世界各国的重视。棉花秸秆是新疆棉区大量存在的生物质原料，其主要组成成分为木质素、纤维素和半纤维素，其含量分别为15.3％、44.0％、10.7％[1]，使棉花秸秆中的木质纤维素成分充分转化，发酵生产燃料乙醇，既可以使棉秆资源得以充分利用，又可以解决由能源引起的环境危机、粮食危机及能源危机[2]，具有重大的社会意义。 欲使棉花秸秆转化为乙醇，首先是将其中的木质纤维素转化还原糖类。目前，稀酸处理已成为水解糖化秸秆中半纤维素及部分纤维素的重要方法。Mohammad和Keikhosro在对木质纤维素预处理方法作出综述的基础上，指出稀酸预处理中，半纤维素的去除率可高达100%[3]。张继泉等用稀硫酸处理玉米秸秆，结果表明在硫酸浓度为1.0%，水解温度120℃，水解时间2 h，秸秆粉粒度20-40 目，固形物含量10%的水解条件下，秸秆的水解率为19.2%，还原糖组成主要为木糖和葡萄糖[4]。王艳敏等指出木质纤维素稀酸水解中，半纤维素首先被降解成单糖，接着水解才使纤维素进一步降解成葡萄糖，而木质素几乎不被降解[5]。可见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过酿酒酵母转化为乙醇，能够转化木糖的微生物也很多，如管囊酵母、毕赤酵母、假丝酵母等都能将木糖转化为乙醇[6]，为此，探讨木质纤维素稀酸水解工艺、检测水解还原糖含量并用于乙醇生产，对棉秆纤维素类物质高效水解糖化及后续乙醇发酵生产十分必要。 本研究拟通过单因素和正交试验探讨硫酸浓度、水解时间、固液比和水解温度对棉杆水解糖化的木糖得率和葡萄糖得率的影响，实现稀酸水解工艺的优化，并通过管囊酵母、酿酒酵母单菌及混菌发酵生产乙醇，探索棉杆稀酸水解糖液乙醇发酵途径，为棉秆的水解糖化及后续乙醇发酵奠定技术基础。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本作品针对棉秆的木质纤维素组成情况及其潜在还原糖的存在可能开展研究，旨在通过优化稀酸水解工艺，探讨具有较高木糖得率和葡萄糖得率的棉杆稀酸水解工艺；通过对比单菌和混菌发酵条件下的乙醇产量，获得较优的乙醇发酵方式
科学性、先进性及独特之处
- 棉秆是新疆棉区广泛存在的廉价生物质原料，木质纤维素含量高，本作品依据棉秆独特的木质纤维素组成特性和潜在还原糖的存在可能，探讨了棉秆稀酸水解、酸解液脱毒脱色及乙醇发酵生产的工艺技术，科学地提出了棉秆高效水解和发酵生产技术路线，能为后续棉秆规模化水解和发酵生产提供技术参考
应用价值和现实意义
- 本作品通过研究获得了棉秆稀酸水解和酸解液发酵生产乙醇的工艺，并掌握了有效的棉秆酸解液脱毒脱色技术，便于后续对棉秆稀酸水解和乙醇发酵进行规模化研究，可为棉秆的产业化利用提供技术参考和开辟新途径，对新疆棉秆的高值化利用具有重大的社会和经济意义
学术论文摘要
- 通过单因素试验和正交试验探讨了硫酸浓度、水解时间、固液比和水解温度对棉杆稀酸水解过程中木糖得率和葡萄糖得率的影响，并优化了工艺参数，再利用最优条件下获得的酸解液，经脱毒、脱色和浓缩，用于酵母菌乙醇发酵。结果表明，棉杆稀酸水解最优的工艺条件为：硫酸浓度4.0%、水解时间30 min、固液比1 : 5、水解温度121℃；酸解液经酵母菌发酵生产乙醇，48 h是较适宜的发酵时间，混菌发酵效果较好，发酵48 h，两菌株混合发酵的乙醇质量浓度可达到8.49±0.54 g•L-1。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 该作品研究了棉秆稀酸水解和发酵生产乙醇的工艺条件，获得了具有高效糖转化率和乙醇得率的工艺参数，为棉秆的高效水解和乙醇生产提供了技术依据，具有较高的科学参考价值，建议推荐为大学生“挑战杯”作品。
参考文献
- [1] 魏敏, 雒秋江, 潘榕, 等. 对棉花秸秆饲用价值的基本评价[J]. 新疆农业大学学报, 2003, 26(1): 1-4 [2] 张继泉, 孙玉英, 关凤梅, 等. 玉米秸秆稀硫酸预处理条件的初步研究[J]. 纤维素科学与技术, 2002, 10(2): 32-36 [3] 王艳敏, 丁长河, 李里特, 等. 树干毕赤酵母发酵半纤维素稀酸水解液生产乙醇的研究进展[J]. 酿酒科技, 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
同类课题研究水平概述
- 欲使棉花秸秆转化为乙醇，首先是将其中的木质纤维素转化还原糖类。目前，稀酸处理已成为水解糖化秸秆中半纤维素及部分纤维素的重要方法。Mohammad和Keikhosro在对木质纤维素预处理方法作出综述的基础上，指出稀酸预处理中，半纤维素的去除率可高达100%。张继泉等用稀硫酸处理玉米秸秆，结果表明在硫酸浓度为1.0%，水解温度120℃，水解时间2 h，秸秆粉粒度20-40 目，固形物含量10%的水解条件下，秸秆的水解率为19.2%，还原糖组成主要为木糖和葡萄糖。王艳敏等指出木质纤维素稀酸水解中，半纤维素首先被降解成单糖，接着水解才使纤维素进一步降解成葡萄糖，而木质素几乎不被降解。可见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过酿酒酵母转化为乙醇，能够转化木糖的微生物也很多，如管囊酵母、毕赤酵母、假丝酵母等都能将木糖转化为乙醇，为此，探讨木质纤维素稀酸水解工艺、检测水解还原糖含量并用于乙醇生产，对棉秆纤维素类物质高效水解糖化及后续乙醇发酵生产十分必要。 在棉秆生产乙醇方面研究尚少，目前还没有形成完整的乙醇生产技术路线和工艺，但已有人对棉秆的预处理、糖化及乙醇的生产等方面进行了一定研究。Jian等（2008）研究了白腐菌预处理对棉秆纤维素酶解和生产乙醇的影响；Haykir（2009）通过碱预处理、漆酶和纤维素酶的复合处理，使棉秆溶出的葡萄糖产量达到5.45%；邓辉等（2008）通过优化棉秆糖化碱预处理条件，使棉秆水解率达到20.05%；张琴等（2009）、李艳宾等（2009）利用微生物降解经稀酸常温处理的棉秆，实现棉秆糖化率最高达30%左右。但以上研究普遍存在微生物发酵周期偏长、糖化率不高及乙醇产量低等问题，故只有在棉秆生产乙醇的各个环节上展开深入研究，才能从根本上提高乙醇含量。本课题组前期已针对汽爆和酸解预处理棉秆开展了棉秆纤维素乙醇生产方法的部分研究，但仅限于实验室水平，较多关键技术尚未根本解决。为此，欲实现棉秆乙醇发酵的产业化生产，尚需对其中的关键技术进行更进一步的研究与摸索。
