（发酵工程专业论文）以菊芋为原料同步糖化发酵生产燃料乙醇研究.pdf

河北科技大学学位论文原创性声明 i i i ii i ii i iii i i ii ii ii ii y 1714 3 5 6 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 枷习饵 砌瞄其一日 指导教师签名： 赵r 硼 ) 拗 月彳日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 叱侏保密。 ( 请在以上方框内打“， ) 学位论文作者签名：0 勿到再 指导教师签名： 渺钳月矽日 坳 肿7 日 摘要 摘要 菊芋是多年生草本植物，具有耐干旱、耐贫瘠、环境适应性强等特点，可生长 于沙漠、荒山等各种土壤条件下，而且种植简易，产量极高( 3 5 吨亩) ，是一种极 具发展潜力的非粮作物。菊芋主要成分是菊粉，占其干重的8 0 左右。菊粉在菊粉 酶作用下水解成果糖，果糖可被酿酒酵母直接利用产生乙醇。以菊芋等非粮作物为 原料发酵生产乙醇已成为燃料乙醇产业新的研究方向。目前，以菊芋为原料发酵生 产乙醇主要有两种方法，即分步糖化发酵法和同步糖化发酵法。与分步糖化发酵法 相比，同步糖化发酵法可实现一个菌种，一步发酵产乙醇，既简化了发酵工艺，又 可节约菌种培养成本，具有巨大优势。一 为了筛选出酶活力高，发酵性能好的酿酒酵母菌株，本试验测定了6 株酿酒酵 母( 3 1 0 0 9 、3 1 1 3 3 、1 4 4 6 、1 4 1 6 、1 5 7 5 、安琪) 的菊粉酶活，并比较了其乙醇发酵 能力。结果表明，酿酒酵母安琪的菊粉酶活最高，为1 1 4 6u m l 。其乙醇发酵能力 也为最高，发酵完成后，乙醇浓度为5 0 3 8 l 。酿酒酵母安琪的菊粉酶活与产乙醇 能力正相关。 由于安琪酿酒酵母的菊粉酶活较低，不能满足工业生产要求。本试验进行了紫 外和微波复合诱变，选育出一株菊粉酶活力较高的菌株y 0 5 ，其菊粉酶活达到了9 0 9 7 u m l ，是出发菌株的8 倍。y 0 5 菌株进行菊粉乙醇发酵，乙醇浓度达到了7 1 。7 8 l ， 比未诱变菌株提高了4 2 4 8 ，效果显著。经遗传稳定性试验表明y 0 5 的遗传性状稳 定。 本试验还对y 0 5 的菊芋汁乙醇发酵条件进行了研究，结果表明，y 0 5 的最适发 酵条件为：菊粉浓度2 0 ( w v ) ，发酵温度3 4 ，p h 值4 0 ，接种量为1 5 。此 外，高浓度菊粉不存在底物抑制作用。种子液制备方法对乙醇发酵影响显著，种子 培养基中添加2 的菊粉有利于y 0 5 诱导产酶。试验过程中还发现，外加氮源中，玉 米浆、( n h 4 ) 2 s 0 4 对乙醇发酵有显著促进作用，尿素、n h 4 c l 的抑制作用明显。发酵 促进剂中，生物素、吐温2 0 、油酸对乙醇发酵有促进作用，而硬脂酸有抑制作用。 试验中还研究了外加盐离子对乙醇发酵的影响，结果表明，添加c a 2 + 、m 9 2 + 、s e 4 + 对乙醇发酵有促进作用，其中c a 2 + 、m 9 2 + 促进作用显著，i 。对乙醇的生成有显著的抑 制作用。当乙醇发酵培养基成分为：菊芋汁浓度2 3 6 0 9g l ，玉米浆5 0g l 、( n h 4 ) 2 s 0 4 5 0g l ，生物素1 0 x 1 0 。4g l 、吐温2 01 5g l 、油酸o 5g l ，c a c l 24 0 x 1o 2g l 、 m g s 0 4 0 5g l ，n a 2 s e 0 32 0 x10 。2g l ；发酵条件为：发酵温度3 4 c ，p h 4 0 ，种子培 养基中添加2 菊粉诱导产酶，接种量1 5 。发酵完成后，乙醇浓度达到了9 3 4 1 l ， 乙醇得率为0 4 1 5g g ，总糖利用率为9 5 3 1 ，比出发菌株安琪酿酒酵母分别提高了 8 5 4 1 、8 9 2 、3 7 5 7 。 河北科技大学硕士学位论文 关键词菊芋；菊粉；菊粉酶；燃料乙醇：酿酒酵母；同步糖化发酵 摘要 a b s t r a c t j e r u s a l e ma r t i c h o k ew a sap e r e n n i a lh e r b a c e o u sp l a n tw h i c hw a sr e s i s t a n tt od r o u g h t a n dg r o w si nt h ed e s e r t ，b a r r e nh i l l sa n do t h e rs o i lc o n d i t i o n s j e r u s a l e ma r t i c h o k ec a l lb e c u l t i v a t e de a s i l ya n di t sy i e l dw a sh i 曲( 3 - 5t o n s a c r e ) s oi tw a sah i g h l yp o t e n t i a l n o n - g r a i nc r o p s j e r u s a l e ma r t i c h o k em a i n l yc o n t a i n e di n u l i nw h i c hw a sa c c o u n t i n gf o r a b o u t8 0 o fi t sd r yw e i g h t i n u l i nw a sc o m p o s e do fl i n e a rc h a i n so fd - f r u c t o s eu n i t s i n u l i nc a nb eh y d r o l y z e di n t of r u c t o s eb yi n u l i n a s e ，a n df r u c t o s ec a l lb ed i r e c t l yu s e dt o p r o d u c ee t h a n o lb yy e a s t t h ep r o d u c t i o no ff u e le t h a n o lw i n lj e r u s a l e ma r t i c h o k ei st h e n e wa p p r o a c ho ff u e le t h a n o li n d u s t r y a tp r e s e n t , t h e r ea let w om e t h o d sf o rf u e le t h a n o l f e r m e n t a t i o nw i t hj e r u s a l e ma r t i c h o k e ，w h i c ha r es e p a r a t eh y d r o l y s a t ea n df e r m e n t a t i o n a n ds i m u l t a n e o u ss a c c h a r i f i c a t i o na n df e r m e n t a t i o n c o m p a r i n g 谢t l ls e p a r a t eh y d r o l y s a t e a n df e r m e n t a t i o n ，o n es t r a i na n do n es t e pf e r m e n t a t i o nc a l lb er e a l i z e di ns i m u l t a n e o u s s a c c h a r i f i c a t i o na n df e r m e n t a t i o n t h ef e r m e n t a t i o np r o c e s sc a l lb ep r e d i g e s t e da n di tc a n a l s os a v et h ec o s t so fc u l t u r i n gs e e d s ot h e r ew e r el o t so fa d v a n t a g e s i no r d e rt os c r e e nh i g hi n u l i n a s ea c t i v i t ya n dh i g he t h a n o lf e r m e n t a t i o nc a p a b i l i t y s t r a i n ，i nt h i sw o r k ，i n u l i n a s ea c t i v i t yo f 6s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e ( 3 1 0 0 9 、3 11 3 3 、 1 4 4 6 、1 4 1 6 、1 5 7 5 、) w e r em e a s u r e d a n de t h a n o lf e r m e n t a t i o nc a p a b i l i t yo f 6s t r a i nw e r e c o m p a r e d 髓er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n u l i n a s ea c t i v i t yo fs c e r e v i s i a ea n g e la n di t se t h a n o l c o n c e n t r a t i o nw e r eh i g h e s t ，1 1 4 6u m l ，5 0 38g lr e s p e c t i v e l y t h ei n u l i n a s ea c t i v i t y a n dc a p a b i l i t yo fe t h a n o lf e r m e n t a t i o nw e r er e l a t e d a st h el o wi n u l i n a s ea c t i v i t yo f s c e r e v i s i a ea n g e l , i tc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s o f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，m u t a t i o na n ds c r e e n i n gw e r er e q u i r e d y e 嬲ts t r a i n sf o r e t h a n o lf e r m e n t a t i o n 谢t l li n u l i na sc a r b o ns o u r c ew a ss c r e e n e df r o mi t sp a r e n ty e a s ts t r a i n a n g e l b yu l t r a v i o l e tm u t a i t o na n dm i c r o w a v em u t a t i o nt o g e t h e r f i n a l l y ，am u t a n ty e a s t s 协d i l ly 0 5w i t hh i g h e ri n u l i n a s ea c t i v i t yw a so b t a i n e d t h ei n u l i n a s ea c t i v i t yo fy 0 5w a s u pt 09 0 9 7u m l ，w h i c hw a sa b o u ta s8t i m e sa st h a to f i t sp a r e n ty e a s ts t r a i n i t sh i g h e r c a p a c i t yf o rp r o d u c i n gi n u l i n a s ea n de t h n a o lr e m a i n e ds t a b l ea f t e rs u b c u l t u r ef o rm a n y t i m e s y 0 5w a ss e l e c t e df o re t h a n o lp r o d u c t i o nb ym e a n so fs i m u l t a n e o u ss a c c h a r i f i c a t i o n a n df e r m e n t a t i o ni nj e r u s a l e ma r t i c h o k ej u i c e t h eo p t i m a lf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o nw a s t h a t ：i n u l i nc o n c e n t r a t i o n2 0 ( w v ) ，f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e3 4 ，p h4 0 ，i n o c u l a t i o n 15 。t h e r ew a s1 1 0i n h i b i t i o nw i t l lh i g hc o n c e n t r a t i o no fi n u l i n m e t h o df o rs e e d p r e p a r a t i o nh a ds i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ee t h a n o lf e r m e n t a t i o n a d d i n g2 i n u l i ni n t o s e e dm e d i u mw o u l dh e l pt op r o d u c ee n z y m e i tw a sf o u n d e dt h a tc o l p l a s m 、( n h 4 ) 2 s 0 4 挚一 河北科技大学硕士学位论文 _ = ，| = = = j = 目目_ j 目，= | = t - _ | 目= = 目= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 目= 目_ _ _ e 目= = 目自 e = ；目= = 目目= | = 昌；= 昌 ： j q s t i m u l a t e de t h a n o lf e r m e n t a t i o ns i g n i f i c a n t l y ，w h i l eu r e a 、n h 4 c 1i n h i b i t e df e r m e n t a t i o n a d d i n gf e r m e n t a t i o np r o m o t e ri n t ot h ec u l t u r em e d i u m ，b i o t i n 、t w e e n2 0 、o l e i ca c i dc a n e n h a n c ee t h a l o lp r o d u c i n g s t e a r i ea c i di n h i b i t e df e r m e n t a t i o n e x t e r n a ls a l i n ei o n sa l s o h a v eb e e ns t u d i e do i lt h ef e r m e n t a t i o n c a 2 + 、m 矿p r o m o t e df e r m e n t a t i o no b v i o u s l y ， w h i l eri n h i b i t e dp r o d u c i n ge t h a n o ls i g n i f i c a n t l y t h ee t h a n o lf e r m e n t a t i o nm e d i u mw a s t h a tc o n c e n t r a t i o no f i n u l i n2 3 6 0 9g l ，c o mp l a s m5 0g l 、( n h 4 ) 2 s 0 45 0g l 、b i o t i n 1 0 x 1 0 4g l 、t w e e n2 01 5g l 、o l c i ca c i d0 5 班、c a c l 24 0 x 1 0 - 2g l 、n a 2 s e 0 32 0 x 1 0 。2 g l t h ef e r m e n t a t i o nc o n d i t i o nw a st h a tt e m p e r a t u r e3 4 c ；p h4 0 ，t h ec o n c e n t r a t i o no f c a r b o ns o u r c ei ns e e dc u l t u r ew a s2 ，i n o c u l u m15 i nt h ee n do ff e r m e n t a t i o n ，t h ef i n a l e t h a n o lc o n c e n t r a t i o no f9 3 4 1 9 lw a sa c h i e v e da n de t h a n o ly i e l dw a s0 4 1 5 9 g ，t o t a l s u g a ru t i l i z a t i o nr a t ew a s9 5 31 ，w h i c hw e r oi n c r e a s e db y8 5 4 1 、8 9 2 、3 7 5 7 r e s p e c t i v e l yc o m p a r i n gw i t hs c e r e v i s i a ea n g e l k e y w o r d s ：j e r u s a l e ma r t i c h o k e ；i n u l i n ；i n u l i n a s e ；f u e le t h a n o l ；s a c c h a r o m y c e s c e r e v i s i a e ；s i m u l t a n e o u ss a c c h r i f i c a t i o na n df e r m e n t a t i o n i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 目录v 第l 章绪论1 1 1 燃料乙醇发展的历史及意义：1 1 2 燃料乙醇生产现状1 1 3 现有乙醇发酵技术：2 1 3 1 淀粉质原料发酵生产燃料乙醇2 1 3 2 木质纤维素发酵生产燃料乙醇5 1 4 菊芋发酵生产燃料乙醇6 1 4 1 菊芋6 1 4 2 菊粉7 1 4 3 菊粉酶7 1 4 3 1 菊粉酶的分类7 1 4 3 2 菊粉酶的应用7 ( 1 ) 果葡糖浆的生产7 ( 2 ) 低聚果糖的生产8 1 4 4 产菊粉酶微生物8 1 4 5 产菊粉酶酵母的选育8 1 4 5 1高酶活产菊粉酶微生物菌株的筛选9 1 4 5 2 高酶活产菊粉酶微生物菌株的诱变选育9 1 4 6 以菊芋为原料生产燃料乙醇研究现状一1 0 1 4 6 1 分步糖化发酵( s h f ) 。1 0 1 4 6 2 同步糖化发酵( s s f ) 1 1 1 5 本课题的目的与意义1 2 1 6 主要研究内容1 2 第2 章产菊粉酶酿酒酵母筛选1 3 2 1 材料与方法一1 3 2 1 1 材料1 3 2 1 2 试验方法1 5 2 1 3 分析方法1 5 2 2 结果与讨论1 8 v 飞 河北科技大学硕士学位论文 2 2 1 产菊粉酶酿酒酵母菊粉酶活测定18 2 2 2 产菊粉酶酿酒酵母乙醇发酵能力比较。1 8 2 3 本章小结1 9 第3 章高菊粉酶活酿酒酵母的诱变选育2 1 3 1 材料与方法2 1 3 1 1 材料。2 1 3 1 2 试验方法。2 3 3 1 3 分析方法：2 4 3 2 结果与讨论2 4 3 2 1 诱变剂量的确定2 4 3 2 2 高菊粉酶活菌株的筛选2 5 3 2 3乙醇发酵能力比较2 6 3 2 4 遗传稳定性试验2 8 3 3 本章小结2 8 第4 章菊芋乙醇发酵条件研究3 0 4 1 材料与方法：3 0 4 1 1 材料_ 。3 0 4 1 2 试验方法3 1 4 1 3 分析方法3 3 4 2 结果与讨论3 3 4 2 1 菊芋汁浓度及离子强度对乙醇发酵影响3 3 4 2 2 种子液制备方法对乙醇发酵影响3 5 4 2 3 接种量对乙醇发酵影响3 7 4 2 4 温度对乙醇发酵影响3 8 4 2 5 初始p h 对乙醇发酵影响3 9 4 2 6 氮源对菊芋汁乙醇发酵影响4 1 4 2 7 发酵促进剂对菊芋汁乙醇发酵的影响4 3 4 2 8 外加盐离子对菊芋汁乙醇发酵的影响4 5 4 3 本章小结4 6 结论4 8 参考文献5 0 攻读硕士期间所发表的论文5 4 致谢- 5 5 v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1燃料乙醇发展的历史及意义 近年来，随着世界经济的迅猛发展，石油、天然气等不可再生资源的消耗与日 俱增。由于人类对石油资源的过度开采，导致原油储量急剧下降。以石油为能源的 现代工业社会正面临着越来越严峻的能源问题，全球性的能源危机日益显现。一方 面，石油作为一种不可再生资源，有限的储量已无法满足人类社会日益扩张的需求， 石油及其化学产品的供应必将走向枯竭。另一方面，石油产品作为燃料的使用是导 致环境污染和温室效应的主要原因之一。人类长期使用化石燃料所排放出的废气、 废渣使地球生态环境遭到严重污染和破坏。全球变暖，土地荒漠化，生态气候异常 等一系列世界性环境问题引发了人们对开发新型可再生能源的深刻思考【1 1 。世界许多 国家从可持续发展和能源战略考虑，将开发石油替代资源作为应对能源危机，应对 环境日益恶化的重要举措。燃料乙醇作为一种新型的绿色替代能源，受到了世界各 国的热烈关注【2 ，3 】。燃料乙醇被认为是非常有发展前途的替代能源，有以下几个方面 优点：首先，作为一种绿色可再生能源，燃料乙醇的大规模应用可以部分替代石油 能源，减少矿物燃料的使用。其次，燃料乙醇有丰富的原料来源，如粮食作物、经 济类作物和各种植物纤维。再次，使用燃料乙醇可以改善大气环境。乙醇燃烧过程 中产生的c 0 2 和h 2 0 ，与原料生长所消耗的c 0 2 可以实现自身平衡，基本不增加温室 气体的排放。第四，大规模使用燃料乙醇，在减少对石油进口的依赖，保障国家能 源安全方面，具有重要的战略意义。因此，燃料乙醇在改善大气环境，应对能源枯 竭，促进人类可持续发展方面具有重大意义【删。 所谓车用乙醇汽油( g a s h 0 1 ) 就是把燃料乙醇和汽油以一定比例混配成的一种汽 车燃料。将燃料乙醇调入汽油后，可以作为汽油的替代物以减少汽油消耗量，并且， 燃料乙醇可以显著提高汽油的抗爆性，减少汽车尾气污染物的排放。用乙醇做燃料 的最大优势在于价格便宜，其价格只相当于汽油的四分之一，并可大大减少环境污 染。据h i m m e l 报道，使用车用乙醇汽油能使汽车尾气中c 0 2 及n o ；减少2 0 ，碳氢化 合物排放量减少1 0 以上，挥发性有机化合物减少3 0 。因此，燃料乙醇的使用对减 少大气污染以及抑制“温室效应”有重大意义1 7 。此外，近年来发现，m t b e 作为抗爆 剂添加在汽油中，会导致水体的污染。以乙醇代替m t b e 可进一步降低使用汽油对环 境造成的污染，并可促进世界燃料市场对乙醇的重视和需求【8 。1 0 l 。 1 2 燃料乙醇生产现状 车用乙醇汽油，国外早已投放市场，并已大规模应用。在中国，燃料乙醇在9 0 年代末才开始受到人们重视，并且一直未能达到大规模的应用。 全球乙醇生产高度集中于美国和巴西。2 0 0 9 年，两国乙醇产量合计占全球的 1 河北科技大学硕士学位论文 8 7 。其中，美国的乙醇产量为3 1 6 0 万吨，占全球的5 0 ；巴西的乙醇产量为1 7 7 6 万吨，占全球的2 5 8 。美国和巴西地处中低纬度，植物资源丰富，且两国地广人稀， 农作物资源有大量富余，为乙醇生产提供了丰富的原料。巴西生产的乙醇除满足国 内需求外，还大量出口国外，是全球最大的乙醇出口国；美国的乙醇产量虽位居全 球第一，但仍不能满足国内需求，须从国外进口，是全球最大的乙醇净进口国，其 最重要的进口来源国是巴西。美国乙醇生产所需原料几乎全部是玉米；巴西的乙醇 生产原料几乎全部来自甘蔗；中国、欧盟、加拿大等国家和地区生产乙醇所用的原 料主要为粮食和甜菜。全球所生产的乙醇几乎全部由农作物中所含的淀粉和糖类转 化而来，造成了对农业资源的大量使用，并推高了粮价。 中国是世界第三大乙醇生产国，2 0 0 9 年的产量达1 7 0 万吨，比2 0 0 8 年增长8 。 中国的乙醇生产主要以陈化玉米为原料，约占全部乙醇产量的8 0 。然而，随着乙醇 产业规模的扩大，陈化粮库存快速减少，因此，国家以非粮作物为原料发酵生产燃 料乙醇已是我国燃料乙醇行业发展得必然方向【悼1 7 】。目前已经在以甜高粱、木薯、 秸秆、菊芋等为原料的乙醇生产技术方面取得一定突破。 1 3 现有乙醇发酵技术 发酵法生产乙醇的原料一般可分为三大类：糖类，淀粉类和木质纤维素类。一 些糖类物质可直接经微生物发酵生成乙醇。而淀粉类和木质纤维素类物质必须首先 水解生成单糖，而后才能被微生物利用转化。传统的乙醇发酵生产是以农作物( 如 淀粉质原料、甘蔗等) 为原料，并且发酵工艺成熟。 表1 1乙醇发酵生产的主要原料 t a b 1 一lt h em a i nm a t e r i a l so f e t h a n o lf e r m e n t a t i o np r o d u c t i o n 1 3 1 淀粉质原料发酵生产燃料乙醇 以玉米为例，发酵法生产燃料乙醇主要包括以下工艺步骤，即玉米预处理、液 化、糖化、发酵、蒸馏、脱水、变性和副产品生产等工序【9 】。 玉米为原料发酵生产燃料乙醇得生产工艺有两种，一种是湿法生产工艺。这种 工艺在美国占全部燃料乙醇行业的7 0 。并且燃料乙醇生产大都与淀粉糖及其它发酵 产品耦合，采用湿法浸泡工艺，完全分离原料玉米中的蛋白、脂肪和纤维后，得到 的粗淀粉乳作为乙醇的原料，湿法生产工艺能生产几种附加产品，可以根据市场对 2 第l 章绪论 不同产品得消费需求来调节产品产量，湿法生产工艺生产燃料乙醇的副产品除t c 0 2 和玉米油外，还有蛋白饲料和蛋白粉。由于生产使用的淀粉乳中只含有淀粉而不含 玉米的其它不可发酵成分( 脂肪，蛋白质，纤维等) ，所以发酵时没有副产物产生， 发酵和蒸馏系统的生产设备溶剂和能力都较小，生产设备利用率高，生产使用的水、 电、汽消耗也较少【1 1 ，i s - 2 0 1 。湿法发酵工艺原料综合利用程度很高，污染物总量少， 但湿法路线设备投资大。 另一种是干法( 全粒法) 生产工艺，国内的乙醇发酵企业几乎全部采用干法原 料前处理路线。即即生产过程中使用干燥的玉米，经粉碎后，将胚芽筛分出去，胚 芽进一步粉碎，得到的粉料配制成粉浆，经液化、糖化、发酵、精馏等工艺步骤， 得到9 5 ( v v ) 的乙醇。而后进行进一步分子筛脱水及变性处理，得到燃料乙醇。 原料中淀粉以外的蛋白和纤维等组分全部浸入糟渣中，既浪费了资源，又增加了污 染物治理的负担。所以干法生产工艺的副产品除c 0 2 和玉米油以外还有d d g s ( d i s t i l l e dd r yg r a i ns o l u b l e ) 饲料。由于生产使用的玉米粉中不但含有淀粉，还含有 玉米的其他不可发酵成分，如脂肪、蛋白质、纤维素等，所以发酵系统和蒸馏系统 的都需要很大的设备容积和生产能力，即生产设备的有效率用率较低，并且在发酵 过程中水、电、气得消耗也较多【2 l 2 2 。 在乙醇发酵工艺上，国内采用的乙醇发酵装置几乎全部使用游离酵母细胞，采 用带渣发酵的间歇或连续发酵操作模式。带渣发酵的特点是发酵完成后，酵母细胞 无法从废渣中分离出来以实现在发酵系统中部分循环使用【7 】。因此，此法生产效率低， 发酵液下游处理成本高。而国外采用湿法前处理路线，使用粗淀粉乳作为乙醇发酵 原料，而粗淀粉乳经过液化、糖化后几乎没有残渣剩余。发酵完成后的酵母细胞可 以经过离心分离出来，重新接入发酵设备种，从而实现部分酵母细胞在发酵系统中 得循环使用。发酵罐中的酵母细胞密度显著提高，平均发酵时间相应缩短，原料利 用速率和生产效率显著提升。如国内传统乙醇发酵工艺发酵终点乙醇浓度达到1 2 ( v v ) ，平均发酵时间一般长达6 0 7 0 h ，而国外采用酵母细胞部分循环使用的发酵 工艺，发酵终点达到相同的乙醇浓度，其平均发酵时间一般仅为3 0 4 0 h 。 在发酵废液治理方面，国内乙醇生产企业采用全蒸发浓缩技术( d d g s ，d i s t i l l e d d r yg r a i ns o l u b l e ) 处理发酵精馏后产生的大量废液【2 3 1 。设备投资大，运行能耗高的 问题非常突出。 。一 3 河北科技大学硕士学位论文 。- 自= i i i l | 目_ _ _ _ j e = 自= = = = ；= = = = = = = = = = # = = 目目_ - _ - ：1 l 目目l ：目_ 玉米 l 清理一杂质 l 浸泡一浸泡水 l 胚芽分离一胚芽 l 。 一破碎一胚芽粉( 饲料) l 纤维筛分一纤维( 饲料) l 蛋白质分离一蛋白粉( 饲料) 淀粉 1 液化一酸或酶 l 糖化一糖化酶 l 酵母一发酵- - - c 0 2变性剂 i 1 蒸馏一脱水一乙醇一变性一燃料乙醇 il 污水污水一一一一一 图1 - 1 玉米湿法乙醇生产工艺图 f i g 1 1 p r o c e s so f e t h a n o lp r o d u c t i o nb yc o r n 4 第1 章绪论 玉米 l 清理一杂质 l 破碎一浸泡水 i 调浆 i 发酵污水变性剂 lfi 蒸馏一脱水一乙醇一变性一燃料乙醇 i 心分离一一一一湿醪糟 il 蒸发一浓缩液一干燥一d d g s 饲料 图l - 2 玉米干法乙醇生产工艺图 f i g 1 - 2 p r o e e 鹤o f e t h a n o lp r o d u c t i o nb yc o i l l 以淀粉质粮食作物发酵生产乙醇，需经过原料蒸煮，液化，糖化等工序，生产 过程中需要耗费大量的水、电、气等资涮3 1 。且处理过程中大量使用液化酶、糖化酶 也是一笔不小的成本投入。此外，发酵结束后会排放出大量的废水、废渣等，会对 环境造成严重污染。并且经过高温处理，会导致原料高温变性，不但会造成原料损 失，而且会造成代谢副产物的产生从而抑制发酵过程。如果一如既往地以粮食作物 为原料生产燃料乙醇，势必导致“与人争粮，与粮争地”的局面出现，造成人类生 存隐患。为此，国家发改委在2 0 0 6 年出台政策，停止核准玉米加工项目，并禁止以 建设燃料乙醇项目为名，盲目发展玉米加工乙醇行业。并且，国家在生物燃料乙 醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划中明确指出“因地制宜，非粮为主”的燃料 乙醇发展原则，并大力鼓励以非粮作物为原料生产燃料乙醇。 1 3 2 木质纤维素发酵生产燃料乙醇 以木质纤维素为原料生产燃料乙醇是燃料乙醇行业另一个发展方向。木质纤维 素类物质主要由木质素( 1 5 ) 、纤维素( 4 0 ) 、半纤维素( 2 5 “- - 3 5 ) 这3 种高 分子物质构成，此外还含有少量的矿物质、植物油等成分。纤维素分子是由5 0 0 2 5 0 0 个p d 葡萄糖单体，通过p 1 ，4 糖苷键连接而成的直链多糖。半纤维素是由戊糖( 木 5 河北科技大学硕士学位论文 糖、阿拉伯糖) 、己糖( 甘露糖、葡萄糖、半乳糖) 和糖酸所组成的不均一性多聚 糖。木质素是由3 种苯丙烷单元( 愈创木基丙烷、紫丁香基丙烷、对羟基苯基丙烷) 通过醚键和c c 键相连接的无定形网状高分子聚合物。在植物体内，木质素与半纤维 素经共价键结合，将纤维素分子包埋其中，使多糖成分不易被降解【6 】。从木质纤维素 类生物质的组成和结构可知，木质纤维素类物质转化为燃料乙醇，必须进行原料预 处理，即将木质纤维素降解为纤维素、半纤维素和木质素，然后将纤维素或半纤维 素降解为葡萄糖或戊糖，最后将单糖发酵为乙醇【l o 】。 目前，木质纤维素的预处理方法主要是采用物理法和化学法。物理法包括机械 粉碎、热处理、微波处理【刀，超声波处理嘲等方法。化学预处理方法主要包括酸水解、 碱水解、氨水解和各种氧化剂( h 2 0 2 、臭氧) 氧化处理等方法。预处理过程中需要消耗 大量的水、热、电等能源及酸、碱等化学品，工艺复杂，处理成本高，而且会对环 境造成严重破坏。因此，利用生物法进行纤维素预处理是未来的主要发展方向。生 物预处理法主要是利用褐腐菌、白腐菌和软腐菌等纤维素酶产生菌来降解木质素和 半纤维素，从而达到预处理效果。但生物预处理法的主要限制性因素是微生物所产 纤维素酶活低，产酶成本高，并且纤维素酶难以得到重复利用。此外，预处理所用 微生物的培养以及反应器成本的投入，也会增加处理成本。因此，以木质纤维素为 原料发酵生产燃料乙醇还处于试验室研究阶段，还未实现大规模工业化应用。 1 4 菊芋发酵生产燃料乙醇 茹芋是一种极具开发潜力的非粮资源，相比其它方法，以菊芋为原料发酵生产 燃料乙醇，具有巨大原料和生产优势，因此受到世界各国的广泛关注。 1 4 1菊芋。 菊芋又称洋姜、地姜，为菊科向日葵属一年生宿根性草本植物。菊芋原产于北 美洲，经欧洲传入我国，在我国大量种植【2 4 】。菊芋中含有多种营养成分，如碳水化 合物( 菊粉) 、纤维素、脂肪、钙、磷、铁、维生素等。菊芋耐旱、耐寒，对环境 适应性强，自我繁殖力强，且生长过程中不需精细管理i 菊芋的根系发达，可改善 。土壤的结构，增加孔隙率和水稳性团粒结构。所以菊芋很适于治理土地荒漠化和防 风固沙。并且，菊芋是中等耐碱植物，种植它可降低土壤中的盐碱量，可用于治理 盐碱地和改良盐碱地土壤性质。种植菊芋不占用耕地，可充分利用荒地、坡地，且 产量极高，平均每亩产量可达1 2 - 5 o t ，因此，菊芋对土地资源的利用率极高。此 外，种植菊芋还能保护生态环境，对建设生态农业、解决农民在种植结构调整中缺 乏种植品种、发展农业产业化具有重要的作用【5 1 。目前，菊芋已作为一种具有很高的 利用价值的资源而被广泛应用【2 5 ，凋。 6 一 第1 章绪论 1 4 2 菊粉 菊粉( i n u l i n ) 是一种果糖聚合物，是一类贮存性的多糖类物质。它是由3 0 个左右 的果糖分子通过p _ 2 ，1 呋喃果糖苷键线性连接，其末端有一个葡萄糖残基，呈直链 结构。菊粉的分子式为g f n 。其中g 为终端葡萄糖单位，f 代表果糖分子，n 代表果糖 单位数。菊粉的平均分子量为5 5 0 0 左右。菊粉的化学结构如图1 3 。 图1 3 菊粉的化学结构 f i g i - 3 t h ei n s t r u c t i o n so fi n u l i nm o l e c u l a r 菊粉是- 一种功能性食品，其生理功能主要表现在调节人体肠胃功能，改善脂质 代谢，减少血脂，降低血液中胆固醇和甘油三酯含量，提高人体免疫力，防止龋齿 及骨质疏松症等。因而被广泛应用于各类食品及保健品的生产【2 他9 1 。由于菊芋是一 种含糖很高的农作物，因此，以菊芋为原料发酵生产燃料乙醇已成为目前开发菊芋 资源的一个研究热点。国内吕跃钢，顾天成等刚利用固定化菊粉酶和酵母细胞，以 菊芋为原料发酵生产乙醇，白玉【3 l 】等做了以菊芋为原料同步糖化发酵菊粉生产乙醇 菌株的筛选并对其发酵性能进行了研究。 1 4 3 菊粉酶 1 4 3 1 菊粉酶的分类 菊粉酶( i n u l i n a s e ) 是一种催化水解菊粉中b 一2 ，1 呋喃果糖苷键的水解酶。根据 其对底物的作用方式，可将其分为2 类：一类是外切型菊粉酶( e x o i n u l i n a s e ) ，多数微生 物来源的菊粉酶属于此类。它能从菊粉末端逐一切下一个果糖单位，产物仅为果糖 及少量葡萄糖。另一类是内切型菊粉酶( e n d o i n u l i n a s e ) ，常产自于真菌，如无花果曲 霉( a s p e r g i l u s i e u u m ) 、粗褶金孢子菌( c h r y s o s p o r i u mp a n n o r u m ) 等。它从菊粉分子内 部随机切断某个b 2 ，1 糖苷键，水解产物为低聚果糖及少量果糖【3 2 1 。 1 4 3 2 菊粉酶的应用 ( 1 ) 果葡糖浆的生产 菊粉在外切型菊粉酶的作用下生产高果糖浆和果糖。果糖作为低能量功能性甜 味剂，具有口感好，甜度高( 相对甜度是蔗糖的1 2 1 8 倍) ，热值低，胰岛素依赖 7 河北科技大学硕士学位论文 性小，不易引起糖尿病、动脉粥样硬化、龋齿、安全无副作用等优点【7 1 ，所以被广泛 用于食品和医药工业。菊粉酶法所制高果糖浆，工艺简单，转化率高，果糖含