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随着化学工业和交通运输业的发展,以及在降低温室气体CO2排放中发挥的重要作用,全球对燃料乙醇的需求量逐年递增。目前,中国和美国主要以玉米为主要原料生产燃料乙醇,而巴西以甘蔗为主。在中国,由于玉米是一种主粮,若将其作为生产燃料乙醇的原料,会引起粮食价格过快上涨,进而受到人们的谴责。自2006年以来,中国政府已经出台了限制使用玉米生产燃料乙醇的规定。自此,人们关注的焦点转为利用诸如玉米芯、废木材和废弃食品等价格低廉的生物质废弃物来生产燃料乙醇。
本文对餐厨废弃物生产燃料乙醇进行了系统深入的研究,希望为利用餐厨废弃物产乙醇的工业化应用提供科学指导。下面将本研究的主要结果简述如下:
首先,对餐厨废弃物酶解条件进行优化及其酶解液用于乙醇发酵的研究。采用Plackett-Burman和响应面设计对餐厨废弃物酶解条件进行优化。结果表明,最佳还原糖产生条件为:糖化酶添加量129.2 u/g湿餐厨废弃物,酶解时间2.56 h,温度55.6℃,pH5.12,在此条件下预测的还原糖浓度为153.89 g/L,验证试验结果进一步证实该模型的准确性(152.46 g/L)。此外,对餐厨废弃物酶解液发酵生产燃料乙醇进行了研究。首先,分别对未灭菌和灭菌餐厨废弃物酶解液进行比较来测试其对乙醇发酵的影响,结果表明经灭菌后发酵所得乙醇含量更低,可能是由于高温破坏了酶解液中的营养成分。其次,试验研究了餐厨废弃物中NaCl含量对乙醇发酵的影响,结果表明NaCl含量不能超过3.0%,否则需要通过稀释来达到高乙醇发酵效率。
其次,对餐厨废弃物发酵生产燃料乙醇进行了中试研究。首先,对餐厨废弃物发酵生产燃料乙醇的实验室小试条件进行了优化,得出最佳发酵条件为:餐厨废弃酶解浓缩液起始还原糖浓度为200 g/L、起始接种量为2%(v/v,)及最佳补加氮源为酵母膏蛋白胨(酵母膏3 g/L,蛋白胨5 g/L)。在此条件下,乙醇产生浓度、乙醇产率和乙醇得率均达到最大值。小试实验结果的基础上,将餐厨废弃物发酵生产燃料乙醇进行逐级放大,并得到了较理想的结果。此外,试验还研究了各级发酵过程中细胞生物量、乙醇产生量和糖消耗量的动力学情况,并利用Logistic方程和Modified Gompertz方程来进行描述,结果表明,Logistic方程和ModifiedGompertz方程预测值能较准确地反映出试验测量值。这些结果均表明餐厨废弃物是生产燃料乙醇的理想原料。根据餐厨废弃物发酵产燃料乙醇的物料衡算,1000 kg餐厨废弃物最终获得44.8 L的乙醇(95%),这说明了餐厨废弃发酵生产燃料乙醇是实现其能源化处置的可行方法,该结果也为利用餐厨废弃物工业化生产燃料乙醇提供切实有效的实践依据。
再次,利用海藻酸钠固定化细胞发酵餐厨废弃物生产燃料乙醇的研究。首先,利用海藻酸钠固定化酵母细胞,得出固定化微球中海藻酸钠的最佳含量为2%(w/v)。其次,试验利用固定化酵母细胞对餐厨废弃物酶解浓缩液进行了分批乙醇发酵研究。当最佳起始还原糖浓度为200g/L,最佳起始接种量为2%(w/v),发酵时间达到48 h时,得到乙醇浓度最大。重复分批发酵实验表明,固定化微球重复分批发酵在7个批次内时,还原糖浓度利用率均在98.5%以上,乙醇浓度保持在94.24 g/L左右。但是当分批次数超过7次时,乙醇发酵效率将逐渐降低。此外,试验利用固定化细胞反应器对餐厨废弃物酶解浓缩液进行了连续乙醇发酵研究。结果表明,在不同起始还原糖浓度下,发酵液中残糖浓度随着停留时间的延长而降低;而乙醇浓度随着停留时间的延长而增加。当起始还原糖浓度为200g/L时,停留时间为5.87h时,乙醇浓度达到了最大值,为89.28 g/L。此外,还利用扫描电镜对刚制备好的固定化酵母细胞与经30天连续乙醇发酵后的固定化微球表面与内部状态进行了观察。
然后,利用玉米秸秆纤维固定化细胞发酵餐厨废弃物生产燃料乙醇的研究。利用玉米秸秆固定化酵母细胞,并用纤维素酶对玉米秸秆进行修饰。试验得出,当修饰时间为4h时,制备的固定化细胞中细胞生物量最大,为1.08(g干细胞/g干玉米秸秆)。乙醇发酵实验也表明纤维素酶最佳修饰时间为4h。再利用酶修饰后的玉米秸秆纤维固定化酵母细胞对餐厨废弃物酶解浓缩液进行了重复分批乙醇发酵研究。结果表明,在连续经过14个批次的发酵过程中,乙醇产生浓度变化不大,在85.74±1.35 g/L处波动。然而,经过14批次后,乙醇浓度开始较明显降低。此外,试验利用固定化细胞反应器对餐厨废弃物酶解浓缩液进行了连续乙醇发酵研究。实验表明,停留时间为3.10 h时,乙醇浓度和乙醇得率均达到了最大值,分别为84.85 g/L和0.43 g/g。当停留时间为1.55 h时,乙醇产率最大,为43.54 g/L/h。最后,实验还利用扫描电镜对经40天连续乙醇发酵后的固定化细胞表面与内部状态进行了观察。
最后,利用离子束诱变筛选耐盐性乙醇高产菌株。通过N+注入诱变和高产菌株的定向筛选,获得一株酶活较高的突变株H058,在起始还原糖浓度200 g/L、含盐量4.5%(w/v)时,产乙醇量较出发菌株提高了20.1%。耐盐性试验表明在较高含盐量下,突变菌株B058较出发菌株具有更高的乙醇发酵效率。