預(yù)處理與生物脫毒過(guò)程強(qiáng)化對(duì)木質(zhì)纖維素干法生物煉制技術(shù)的促進(jìn)

預(yù)處理與生物脫毒過(guò)程強(qiáng)化對(duì)木質(zhì)纖維素干法生物煉制技術(shù)的促進(jìn)木質(zhì)纖維素生物煉制過(guò)程需要通過(guò)高強(qiáng)度的預(yù)處理操作破壞其抗性結(jié)構(gòu),并對(duì)預(yù)處理過(guò)程中形成的抑制物進(jìn)行脫毒,才能保證后續(xù)纖維素酶水解和發(fā)酵步驟的正常進(jìn)行。前期工作中建立的低水耗、零廢水排放的干式稀酸預(yù)處理技術(shù),以及發(fā)酵抑制物的固態(tài)生物脫毒技術(shù),已經(jīng)成功應(yīng)用于高固體含量木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、油脂和乳酸的過(guò)程。然而,干式稀酸預(yù)處理和生物脫毒兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)都僅在小規(guī)模裝置上實(shí)現(xiàn),在產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的大型裝置中的有效傳質(zhì)和傳熱沒(méi)有涉及,過(guò)程速率也明顯偏低,從而影響了干法生物煉制過(guò)程的工程化應(yīng)用。本文針對(duì)干式稀酸預(yù)處理和生物脫毒所涉及的傳質(zhì)、傳熱和低速率問(wèn)題進(jìn)行了解析,提出了適用于兩個(gè)技術(shù)在放大尺度下的過(guò)程強(qiáng)化方案,并進(jìn)行了化學(xué)工程、發(fā)酵工程和微生物代謝機(jī)理方面的研究,顯著提高了干法生物煉制過(guò)程傳遞效率和轉(zhuǎn)化速率,為未來(lái)干法生物煉制技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。本文第一部分對(duì)適用于高固體含量體系混合的預(yù)處理反應(yīng)器展開(kāi)研究,嘗試解決干式稀酸預(yù)處理反應(yīng)器大型化之后所面臨的傳質(zhì)和傳熱問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比各攪拌槳在高固含量體系中處理固液混合的能力,選定螺帶攪拌槳作為千式稀酸預(yù)處理反應(yīng)器中的攪拌裝置,并設(shè)計(jì)了20L容積的螺帶攪拌式預(yù)處理反應(yīng)器。與傳統(tǒng)的無(wú)攪拌混合的預(yù)處理過(guò)程相比,螺帶攪拌預(yù)處理后物料酶解糖化效率提高了2.4%、乙醇發(fā)酵得率提高了17.4%,同時(shí)還減少了預(yù)處理過(guò)程中抑制物的產(chǎn)生。螺帶攪拌混合大幅增強(qiáng)了蒸汽和固體物料在預(yù)處理反應(yīng)過(guò)程中的傳質(zhì),強(qiáng)化了蒸汽與物料之間的傳熱,為工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程提供了一個(gè)合適的預(yù)處理反應(yīng)器設(shè)計(jì)原型。本文第二部分研究嘗試將稀酸預(yù)處理技術(shù)中常規(guī)的預(yù)浸步驟去除,從而提高預(yù)處理的操作效率,減少固定投資。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,少量稀酸溶液與大量固體秸稈物料并流投放到螺帶槳攪拌預(yù)處理反應(yīng)器中,低速短時(shí)攪拌即可實(shí)現(xiàn)固體秸稈和稀酸溶液的完全混合。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后,不預(yù)浸物料的纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到84.77%,預(yù)浸12h物料的纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到87.11%,結(jié)果基本一致。而在沒(méi)有攪拌的預(yù)處理過(guò)程中,無(wú)預(yù)浸操作的預(yù)處理秸稈則比12h預(yù)浸的預(yù)處理秸稈在纖維素酶解轉(zhuǎn)化率上降低了18.4%,說(shuō)明螺帶攪拌對(duì)少量稀酸液體與大量秸稈固體的混合發(fā)揮了重要作用。這一改進(jìn)對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程的物料儲(chǔ)存、輸送和腐蝕問(wèn)題都實(shí)現(xiàn)了大幅度簡(jiǎn)化,增強(qiáng)了干式稀酸預(yù)處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。本文第三部分在改進(jìn)預(yù)處理反應(yīng)器的基礎(chǔ)之上,針對(duì)玉米秸稈原料中灰分對(duì)預(yù)處理效率的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)玉米秸稈灰分含量從約10%降低至5%以下,預(yù)處理后物料的纖維素酶解轉(zhuǎn)化率增加了63.9%,乙醇得率增加了42.1%。玉米秸稈灰分中的堿性化合物對(duì)稀酸具有強(qiáng)烈的中和作用,降低了稀酸在預(yù)處理過(guò)程中的催化效果。研究發(fā)現(xiàn),灰分物質(zhì)多存在于微小尺寸的物料中,因此工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程可以通過(guò)機(jī)械篩分和旋風(fēng)分離的方式脫除。本工作對(duì)生物煉制原料前處理技術(shù)指標(biāo)的制定給出了嚴(yán)格的科學(xué)依據(jù),其中灰分含量必須作為一項(xiàng)重要指標(biāo)對(duì)原料進(jìn)行評(píng)估。本文第四部分研究針對(duì)現(xiàn)有的樹(shù)脂枝孢霉AmorphorthecaresinaeZN1固態(tài)生物脫毒技術(shù)中因混合、傳質(zhì)和發(fā)酵條件控制不足而導(dǎo)致的脫毒速率緩慢的問(wèn)題,開(kāi)展了以快速生物脫毒為目標(biāo)的研究。首先對(duì)固態(tài)脫毒過(guò)程的抑制物代謝與乙醇發(fā)酵現(xiàn)象進(jìn)行了分析,確定糠醛、5-羥甲基糠醛和乙酸完全降解的時(shí)間點(diǎn)即為脫毒終點(diǎn)。然后,在螺帶攪拌槳生物反應(yīng)器中對(duì)脫毒過(guò)程的抑制物降解展開(kāi)研究,發(fā)現(xiàn)增加過(guò)程通氣速率至1.00VVM可以大幅提升糠醛、5-羥甲基糠醛和乙酸的降解速率,將脫毒終點(diǎn)縮短至36h,即縮短至常規(guī)脫毒時(shí)間的1/3。同時(shí),改善脫毒霉菌菌體在脫毒物料體系中的分布并保留了大部分木糖組分(水解后木糖濃度約為45g/L)。研究發(fā)現(xiàn),快速脫毒過(guò)程中增加氧氣供給并沒(méi)有促進(jìn)菌體生長(zhǎng)加速,而是促進(jìn)了糠醛的代謝產(chǎn)物糠醇向糠酸的轉(zhuǎn)化,提供了足量的抑制物降解代謝所需的還原力,從而進(jìn)一步促進(jìn)了5-羥甲基糠醛和乙酸的降解代謝?？焖倜摱镜膶?shí)現(xiàn)使其在工業(yè)化生物煉制中更具實(shí)