紅麻骨纖維質(zhì)轉(zhuǎn)化燃料乙醇的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、利用地球上儲量最大的可再生的植物纖維質(zhì)轉(zhuǎn)化制備燃料乙醇可減少溫室效應(yīng)、緩解能源緊張、提高環(huán)境質(zhì)量、促進經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。紅麻是一種傳統(tǒng)的速生高產(chǎn)的纖維作物，每公頃生物質(zhì)產(chǎn)量可達30 t，是樹木的3～4倍，對CO2的同化能力是樹木的4～5倍，已被美日等發(fā)達國家認定是最適于替代木材的優(yōu)質(zhì)造紙植物。紅麻耐旱、耐鹽堿，沿海鹽堿地、內(nèi)陸山地旱地等均可種植，其生產(chǎn)不與糧爭地，并可改良土壤質(zhì)量，從而充分利用全國各地的邊際性土地，提高土地利用率。

2、其秸稈纖維質(zhì)含有豐富的纖維素和半纖維素，用于轉(zhuǎn)化燃料乙醇，具有重大的社會及經(jīng)濟意義。制約紅麻纖維質(zhì)乙醇發(fā)展的瓶頸主要是預(yù)處理技術(shù)、纖維素酶成本及木糖發(fā)酵技術(shù)。鑒此，本研究擬從高效預(yù)處理、紅麻纖維素降解菌及木糖發(fā)酵菌的篩選和選育入手，以紅麻秸稈纖維質(zhì)為原料，研發(fā)紅麻纖維質(zhì)燃料乙醇的生產(chǎn)工藝。主要研究結(jié)果如下：
　　 1.測定了紅麻秸稈纖維質(zhì)的有機成分含量，其中含纖維素42.31％、半纖維素22.58％、木質(zhì)素23.79％。采用熱水

3、和3％硫酸、1.5％燒堿溶液對紅麻秸稈進行預(yù)處理(121℃，60 min)，通過纖維素酶催化水解，紅麻秸稈的平均纖維素轉(zhuǎn)化率分別達到12.23％、25.62％和85.34％，說明堿性預(yù)處理比較適合于紅麻秸稈。以堿處理紅麻秸稈為底物的同步糖化發(fā)酵實驗表明，當(dāng)發(fā)酵168 h后，乙醇濃度達到26.06 g·L-1，乙醇產(chǎn)率達到理論產(chǎn)率的76.71％。
　　 2.為研究微生物法預(yù)處理對紅麻纖維質(zhì)轉(zhuǎn)化燃料乙醇效率的影響，采用白腐真菌Ple

4、urotus sajor-caju在紅麻秸稈培養(yǎng)基上固態(tài)培養(yǎng)的方法對紅麻纖維質(zhì)進行預(yù)處理，研究微生物法預(yù)處理的紅麻纖維質(zhì)中木質(zhì)素的降解及后續(xù)的紅麻纖維質(zhì)酶促糖化和發(fā)酵。經(jīng)P.sajor-caju培養(yǎng)25～35 d后，可有效去除紅麻纖維質(zhì)中的木質(zhì)素，去除率最高可達50.20％，并提高紅麻纖維素的酶促水解(糖化率達69.33～78.64％)，但采用P.sajor-caju培養(yǎng)物的粗酶提取液不能有效預(yù)處理紅麻秸稈。以微生物法預(yù)處理的紅麻秸稈樣

5、品為底物的同步糖化發(fā)酵實驗表明，發(fā)酵72 h，發(fā)酵液中乙醇濃度達到18.35～18.90 g·L-1，最高乙醇產(chǎn)率達到理論產(chǎn)率的68.31％。
　　 3.篩選到一株紅麻纖維質(zhì)高效降解菌Trichoderma sp.HC-35，經(jīng)誘變后，選育得到突變株Trichoderma sp.MHC-18，該菌株在適宜條件下固態(tài)發(fā)酵，得到的纖維素酶的FPA達29 U·mL-1，CMCase活性最高可達260 U·mL-1，較之出發(fā)菌株提高近1

6、倍。連續(xù)5代發(fā)酵產(chǎn)酶，其纖維素酶活性相對比較穩(wěn)定，說明該菌株具有較好的遺傳穩(wěn)定性。
　　 4.通過對培養(yǎng)基成分和發(fā)酵條件的單因子分析，初步配成MHC-18的固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶培養(yǎng)基：將紅麻秸稈與麩皮的混合物(7:3，w/w)以(NH4)2SO4和MgSO4的混合溶液((NH4)2SO4為25 g·L-1，MgSO4為0.5 g·L-1，用HCl溶液將pH調(diào)至5.0～6.0)調(diào)整濕度至60％～75％。接種適量孢子，在25～30℃培養(yǎng)5～

7、7 d，CMCase和FPA可達最高值，其置信度95％的置信區(qū)間分別為239.67～279.31 U·mL-1和24.33～39.29 U·mL-1。MHC-18纖維素酶的適宜反應(yīng)溫度為45℃～60℃，最適溫度為50℃，適宜pH為4.5～6.0，最適pH為5.0。但以溶液形式貯存時，穩(wěn)定性較差，4℃低溫條件下可保存72 h。而且，該菌株的纖維素酶系不完整，β-glucosidase活性較低。
　　 5.由于A.niger纖維素酶

8、的β-glucosidase活性較高，酶解反應(yīng)條件與MHC-18纖維素酶基本一致，可將MHC-18與A.niger兩種菌株應(yīng)用于固態(tài)混菌發(fā)酵。先接種MHC-18，后接入A.niger，二者接種間隔時間為24 h，在28℃下培養(yǎng)，總發(fā)酵時間為120 h，此時纖維素酶各組分均能達到較高的活性。
　　 6.利用紅麻纖維質(zhì)為主要碳源，通過正交實驗，得到了MHC-18與A.niger固態(tài)混菌發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶的優(yōu)化培養(yǎng)基：紅麻秸稈與麩皮的質(zhì)量

9、比為7:3，混合溶液中(NH4)2SO4濃度為25 g·L-1、MgSO4濃度為3.5 g·L-1、KH2PO4濃度為7 g·L-1，調(diào)整培養(yǎng)基濕度為60％～75％，起始pH5.0～6.0。在該優(yōu)化培養(yǎng)基發(fā)酵5 d，F(xiàn)PA、CMCase和β-glucosidase活性分別達到35.72～46.44 U·mL-1、320.22～384.67 U·mL-1、197.44～229.86 U·mL-1(置信度為95％)。
　　 7.篩選

10、到1株可利用木糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇的酵母菌RX-8，該菌的木糖發(fā)酵為微好氧發(fā)酵。發(fā)酵培養(yǎng)基中木糖為50 g·L-1，蛋白胨為5 g·L-1，酵母粉為3 g·L-1，接種量為10％，28℃以120 r/min搖瓶發(fā)酵3 d，發(fā)酵液中乙醇濃度可以達到10.46～11.70μL·mL-1(置信度95％)，乙醇產(chǎn)率達到理論產(chǎn)率的33.37％。
　　 8.木糖發(fā)酵菌RX-8以葡萄糖為碳源發(fā)酵產(chǎn)乙醇時，發(fā)酵培養(yǎng)基中葡萄糖為120 g·L-1，蛋白胨