基本信息
- 项目名称：
- 纤维物质生产燃料乙醇和2,3-丁二醇的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品研究了一种能有效去除玉米芯中木质素，减少纤维素和半纤维素损失率的碱性预处理方法，继而优化酶解条件，高效酶解纤维素生产燃料乙醇，半纤维素酶解生产有较高附加值的2,3-丁二醇，从而解决了现行纤维物质发酵生产燃料乙醇过程中木糖无法有效利用，综合生产成本高的问题。
- 详细介绍：
- 本作品对玉米芯碱法预处理，半纤维素木聚糖酶酶解影响因素，纤维素同步糖化发酵乙醇，木糖酶解液2,3-丁二醇发酵进行了研究。发明了一种能够有效去除玉米芯中木质素，减少纤维素和半纤维素损失率的碱性预处理方法。预处理主要以增加木质素的去除率、减少半纤维素和纤维素的损失率为考察指标。对影响玉米芯组分的处理时间、温度、液固比以及混合溶液中氨水浓度、过氧化氢（H2O2）浓度、硅酸钠（Na2SiO3）浓度、硫酸镁（MgSO4）浓度等进行了优化，得出最佳的预处理条件为：时间16h，温度70℃，液固23:1，氨水浓度2.5%， H2O2 0.6%、Na2SiO3 5%、MgSO4 0.05%。在此条件下对玉米芯进行预处理，所得玉米芯残渣得率为58.90%，半纤维素保留率为52.76，纤维素保留率为86.14，木质素的去除率为94.31%。 酶解预处理残渣中的半纤维素，利用木糖液进行2,3-丁二醇发酵。考察激活剂和酶解条件对木聚糖酶酶解半纤维素的影响。综合激活剂和酶解条件的优化，得出木聚糖酶的最佳酶解条件为：液固比15:1、木聚糖酶添加量150IU/g玉米芯，激活剂浓度分别为Tween80 0.15%、PEG6000 0.15%、牛血清蛋白（BSA） 0.15%、鼠李糖脂（RH） 0.005%，酶解温度50℃、酶解时间48h。优化后的半纤维素酶解得率可达86.62%，与优化前相比提高了44.17%。 碱液预处理玉米芯纤维素同步糖化发酵乙醇，发酵60h，乙醇浓度可达28.80g/L，乙醇得率为0.5005g乙醇/g纤维素，达到理论得率的88.33%。木糖液无需脱毒直接进行补料发酵生产2,3-丁二醇，达到了理论转化率的87.7%。 此作品的碱法预处理能避免酸解得到的木糖溶液中存在糠醛等发酵抑制物，并解决了混合糖发酵转化乙醇能力弱、原料利用率低等问题。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品研究了一种能够有效去除玉米芯中木质素，减少纤维素和半纤维素损失率的碱性预处理方法，继而高效酶解纤维素生产燃料乙醇，半纤维素酶解生产有较高附加值的2,3-丁二醇，本作品采用碱法预处理玉米芯，对影响玉米芯组分的处理时间、温度、液固比以及混合溶液中氨水浓度、H2O2浓度、Na2SiO3浓度、MgSO4浓度等进行了优化，得出最佳的预处理条件。用该条件处理得到的玉米芯残渣再进行木聚糖酶解，优化酶解条件。利用酶解残渣及水解液发酵生产燃料乙醇和2,3-丁二醇。主要的技术指标： 1，文中所述的纤维物质为农业废弃物，玉米芯、玉米秸秆、稻草、麦秆或草。 2，第一步碱法预处理过程中的反应液含有体积质量浓度为1.5%~3.0%的氨水和0.4%~0.8%的过氧化氢。 3，在预处理的同时向反应液中添加增效剂：体积质量浓度3%~6%的硅酸钠和0.02%~0.1%的硫酸镁，硅酸钠和硫酸镁的加入有效的提高了木质素的去除。 4，木聚糖酶解过程中使用的是能够显著提高木聚糖酶解效率的激活剂：Tween80 0.15%、PEG6000 0.15%、牛血清蛋白（BSA） 0.15%、鼠李糖（RH ）0.005%。
科学性、先进性
- 在现行木质纤维素乙醇技术中，一部分半纤维素在预处理（如酸预处理）阶段被水解，与木质素水解得到的酚类化合物和半纤维素自身产生的乙酸、糠醛、羟甲基糠醛等抑制物混在一起，多作为废水排放，若要进行木糖发酵须经过复杂的脱毒工艺、成本高、且发酵效率低。本作品通过碱法预处理，并在反应液中添加增效剂，在高效去除木质素的同时，省去了酸中和及脱毒程序。 剩余的半纤维素在纤维素酶解阶段与纤维素一起水解，得到五碳糖和六碳糖的混合糖液，本文采用先预处理再分步酶解，先用木聚糖酶将半纤维素酶解成木糖，减弱了半纤维素与木质素之间的联结结构对纤维素酶酶解活性的间接影响，然后用半纤维素水解液（木糖）进行2,3-丁二醇发酵，纤维素酶将纤维素残渣酶解成葡萄糖，进而进行乙醇发酵，这样既可以充分利用五碳糖（木糖）和六碳糖（葡萄糖），又提高了纤维素的酶解得率，同时又解决了酸解得到的木糖溶液存在糠醛等发酵抑制物，混合糖发酵转化乙醇能力弱等问题。这将为木质纤维素原料预处理及酶解方法提供一定的借鉴和应用价值。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 无
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 随着人类社会的飞速发展，使得石油、煤、天然气等不可再生资源大量消耗并已逐渐枯竭，能源危机、环境污染、全球气候变化等一系列问题日益突出，严重影响了人类社会的生存发展。燃料乙醇是世界上生产规模最大、发展最快的生物能源。2,3-丁二醇是重要的化工原料和液体燃料，可广泛应用于化工、食品、燃料、航空航天等多个领域，目前市场售价是1600元/吨以上。 植物每年通过光合作用能产生高达1.55×1011t木质纤维素类物质，其中纤维素、半纤维素的总量为8.5×1010t，但是作为富含纤维素、半纤维素的农业废弃物，除了少量用于生产木糖醇、糠醛等外，绝大部分在田间放火燃烧，既浪费资源又污染环境。因此研究开发木质纤维素的转化技术，将农作物残渣等木质纤维素类物质高效地转化为糖，进一步发酵生产燃料乙醇和2,3-丁二醇，对开发新能源、降低生产成本、提高资源利用率、保护环境具有非常重要的现实意义。
同类课题研究水平概述
- 现阶段世界上大多数国家生产燃料乙醇的原料都是以玉米等粮食作物为主，但是随着现代工业和运输业对燃料乙醇用量的增加，用于生产乙醇的原材料的价格在不断上涨，原料成本高达总成本的40%，并且用这些原料生产燃料乙醇存在“与人争食”和“与农争地”等问题。因此，从长远考虑必须寻找丰富且廉价的原料来源，而木质纤维素原料是地球上最丰富和最廉价的可再生资源，占地球生物总量的60%~80%，被看做是最具价值的生产燃料乙醇潜在资源，越来越被各国所看好。但由于木质素、半纤维素对纤维素的保护作用及自身的高度结晶特性，使酶分子很难与纤维素接触，酶解效率低，因此，在以木质纤维素为原料进行乙醇制备方面仍存在原料预处理难、纤维素酶解水解成本高和木糖无法被利用等问题。 木糖是木质纤维原料水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖，由半纤维素水解生成，含量可达植物纤维水解糖类的35%以上。现有纤维素乙醇生产技术由于木糖发酵难题大多放弃了木糖发酵，只利用了纤维原料中的纤维素部分，致使原料利用率偏低，基本在30%~35%水平，这不但增加了生产成本，而且造成资源浪费。目前木质纤维素的利用主要集中于其中纤维素降解的葡萄糖，利用其生产酒精或生物质化学品等，而对于半纤维素降解的木糖利用很少。 2,3-丁二醇(2,3-Butanediol, 2,3-BD)是一种重要的化工原料和液体燃料，广泛应用于化工、医药、食品及航空航天等领域。微生物可以利用粮食或木质纤维素为底物生产2,3-丁二醇，其中利用葡萄糖为底物生产2,3-丁二醇研究较多。但由于粮食危机的存在，利用丰富而且廉价的可再生资源木质纤维类物质为原料发酵生产2,3-丁二醇成为必然趋势。 本作品的利用木质纤维物质生产燃料乙醇和2,3-丁二醇，主要特征在于预处理和木聚糖酶解工艺，有效去除原料中的木质素，将半纤维素高效转化为低毒性的木糖水解液，同时获得纤维素含量高的纤维素残渣，进而分别高效发酵生产2,3-丁二醇，有效提高了原料利用率。
