木质纤维原料新型预处理调控抑制物及一体化产燃料乙醇

抑制物对酵母乙醇发酵的影响及固液分离和水洗步骤过多是制约木质纤维素燃料乙醇商业化的两个主要因素。本项目首先针对抑制物对酵母乙醇发酵的影响问题，根据主要抑制物（乙酸）产生特点，先用温和氢氧化钠法调控去除乙酸，而尽量不降解半纤维素和纤维素，再用氢氧化钙法打开木质纤维素结构，提高纤维素酶水解效率。其次针对固液分离和水洗步骤过多问题，将预处理后的浆液用二氧化碳中和后不进行固液分离和水洗步骤而直接进行"半同步糖化发酵"一体化生产燃料乙醇。同时研究乙酰酯键与糖苷键水解之间的关系、预处理物料物理化学结构的变化、钙离子去除木质素的机理以及整个工艺的经济可行性。该研究成果可建立主要抑制物乙酸与糖液分开的预处理工艺及固液分离和水洗步骤少的"半同步糖化发酵"一体化生产乙醇的技术方法和工艺，可为两步碱法预处理技术和半同步糖化发酵技术的工业放大提供参考依据。

本项目首先主要针对主要抑制物（乙酸）对酵母乙醇发酵的影响问题，根据乙酸产生的特点，采用温和氢氧化钠法去除半纤维素上的乙酰基，而尽量不降解纤维素和半纤维素，从源头上将乙酸与“糖”分开。再采用氢氧化钙进行第二步预处理，提高纤维素酶对纤维素的可及度。研究结果表明，第一步氢氧化钠预处理去除乙酸的最佳条件为：NaOH 5.45 g/L、液固比13、温度62 ℃、时间45 min，此时乙酸去除率和木聚糖残留率分别为95.19 %和87.80 %。第二步氢氧化钙进一步预处理最佳条件为氢氧化钙用量0.100 g/g玉米秸秆、温度90 ℃、时间36 h，纤维素酶水解36 h后得率为85.08 %。所得固体渣纤维素和半纤维素的回收率分别为93.57 %和63.77 %，木质素去除率为65.15 %。采用红外光谱（FT-IR）、X射线衍射仪（XRD）和扫描电镜（SEM）对玉米秸秆纤维结构特性进行了分析，SEM分析表明，两步碱法预处理后的玉米秸秆表面粗糙，纤维表面出现大量的裂纹和裂片，纤维束间发生分离。XRD分析表明，两步碱法预处理后玉米秸秆的结晶度由55.13 %上升到60.62 %。FT-IR分析表明，1245 cm-1处的吸收来自C=O基团的伸展振动，经过预处理后该峰形明显减弱，可能是由于乙酰基的去除所导致的。另外本项目针对固液分离和水洗步骤过多问题，将预处理后的浆液进行半同步糖化发酵一体化生产燃料乙醇。研究结果表明，未水洗两步碱预处理物料在3L发酵罐中，先在底物浓度10 %、50 ℃、pH4.8、转速400 r/min的情况下预酶解48 h后，将pH调至6.0，温度降低到30 ℃，同时加入相应OD值的酵母（OD6），在转速300 r/min、通气量为0.05 L/min的条件下进行半同步糖化发酵，78 h时乙醇浓度达到最高值为14.72 g/L，乙醇得率为77.50%。与水洗物料（90 h乙醇得率为81.86 %）相比，其乙醇得率稍有下降，但未水洗物料由于工艺简单，不经过固液分离，应用前景比较大。