基于木质纤维素能源作物预处理及发酵转化乙醇的过程强化

木质纤维素乙醇因其各方面的优势得到广泛研究，但原料收、储、运造价高，预处理能耗高，高固含量、不脱毒转化乙醇效率低等问题，使得纤维素乙醇的转化效益较低，大规模生产较为困难。基于此，本论文从强化纤维素乙醇预处理及转化乙醇方面做了如下研究:
　　1、从原料角度出发，将柳枝稷、荻、芦竹、杂交狼尾草与玉米秸秆做对比研究，筛选出适合转化乙醇的优势能源作物。结果表明杂交狼尾草因高纤维素含量、低木质素含量，乙醇转化率高，以及原料年产量达60t·(hm2)-1，基于稀酸预处理的乙醇得率计算出杂交狼尾草乙醇年产量为5(t·(hm2)-1)，远高于玉米秸秆以及其他三种能源草，被选为进一步研究能源草转化纤维素乙醇的原料。采用两种预处理技术对能源草做预处理效果对比，结果表明蒸汽爆破技术是相对于稀酸预处理更适合能源草转化纤维素乙醇的预处理技术。
　　2、从预处理的角度出发，为了提高杂交狼尾草转化乙醇的效果，探索性的研究了稀酸-亚硫酸盐联合蒸汽爆破预处理(SEPSORL)技术。结果表明，在蒸汽爆破预处理过程中稀酸单独作用更利于去除半纤维素，亚硫酸盐利于木质素的去除，当二者同时参与预处理过程时玉米秸秆和杂交狼尾草半纤维素的去除量分别为71.55％和78.38％，木质素的去除分别为51.56％和33.97％，均介于二者单独作用的去除效果之间。亚硫酸盐还可以降低单独稀酸预处理杂交狼尾草时抑制物的浓度。SEPSORL预处理后的物料进行高固含量（20％ wt）不脱毒半同步糖化发酵(Q-SSCombF)乙醇得率为43.65％，高于稀酸单独预处理后的物料乙醇发酵得率(39.39％)。由于木质素含量和亚硫酸盐添加量的关系，二者同时作用时乙醇得率有待提高。
　　3、为了解决纤维素乙醇的预处理过程存在预处理强度不够或过剩的问题，建立了动力学模型，探讨了联合强度因子（CHF）作为预处理强度的因子对亚硫酸盐蒸煮法(SPORL)预处理效果的预测作用。在不同化学试剂用量、温度、时间条件下预处理杨木，结果表明CHF对预处理后半纤维素的剩余(XR)有良好的预测作用，二者关系为XR=0.822e-CHF+0.178e-0.156CHF。CHF可以用于平衡糖得率与发酵抑制物生成，从而实现不脱毒高浓度乙醇发酵的目的。当CHF=2，酶的用量为15FPU·g-1葡聚糖，固含量为20％ wt不脱毒发酵时，乙醇浓度可以达到41g·L-1（约27ml·kg-1未处理的木头），十分具有商业潜力。
　　4、为了量化预估SEPSORL预处理杂交狼尾草的效果，避免能耗损失，建立了动力学模型。根据SEPSORL预处理与SPORL预处理的共性以及其特性结合克拉佩龙方程得到表征其预处理强度的动力学模型---联合强度因子 CHFse的表达式为:CHFse=e(α-E(B-LnP)/Dh+βCA+λCB)(CA+CB)t。通过CHFse与木聚糖的剩余(XRse)的拟合得到杂交狼尾草预处理所需的最优活化能为89.69kJ·mole-1。 CHFse对 XRse有明显的预测作用:XRse=0.78e-CHFse+0.22e-0.282CHFse。当CHFse≈5，半纤维水解的快速反应结束，XRse≈θ≈0.22。XRse与糠醛、HMF的浓度线性负相关(R2＞0.9)。乙酸与XRse之间的关系为指数关系(Conc.(AA)=0.9XRse-0.6），乙酸与HMF和糠醛线性关系稍弱(R2≈0.8)。半纤维素的去除比木质素的去除更为关键，SED与XRse呈指数关系SED=28+221 exp(-XRse/0.04)。预处理后半纤维素的去除达90％以上，比未优化前半纤维素的去除提高了20％。当酶解效率为70％，抑制物浓度在酵母可耐受范围内，为理论上可能实现杂交狼尾草乙醇转化最大浓度的最佳预处理强度。
　　5、从产业链的角度出发，针对综合利用不同废弃工厂的预处理设备、发酵设备以提高乙醇扩大化生产的转化效益，采用热转化设备密实预处理后的物料来方便运输，同时评估其对乙醇转化的影响。结果表明在110℃以下热压，热压造粒预处理后的物料，可以使其密实化。保水值(WRV)、纤维素对纤维素酶的可及性(CAC)与对照差别不大，角质化程度低于0.26。杨木NE222在110℃下热压后的物料与纤维素酶的结合量从1.9降到1.6 mg蛋白质/g葡聚糖，但酶解72h时葡萄糖浓度差很小。在低于110℃下热压的物料，杨木18％的固体含量发酵时，热压对发酵转化乙醇的影响不大。
　　6、针对纤维素乙醇转化过程中预处理的能耗浪费、环境污染以及预处理后木质素产生的酚类抑制物对酿酒酵母发酵带来的不利影响，从能量共利用、乙醇-航油联产的角度出发，利用化学法催化转化苹果木中木质素部分转化为航空燃油后的剩余物料，进行生物法转化乙醇的研究。结果表明苹果木经化学法在催化剂Ni和Ru/C催化转化为航油后，木质素被最大限度的利用，Ni催化后的剩余物料酶解转化率为88％。低浓度（0.4g·L-1）的Ni对酶解未产生明显影响，而Ru/C的添加使得酶解效率降至47％。酶解后半同步糖化发酵时催化剂对酿酒酵母影响较大。当分步糖化发酵时，乙醇得率均由20％左右提高至70％以上，木质纤维素联产航油-乙醇是切实可行的。