甜高粱茎秆汁液发酵制取乙醇的试验研究

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1、沈阳农业大学硕士学位论文甜高粱茎秆汁液发酵制取乙醇的试验研究姓名：沈飞申请学位级别：硕士专业：农业生物环境与能源工程指导教师：刘荣厚20060611沈阳农业大学硕士学位论文摘要由于化石燃料资源的日渐耗竭，世界上很多国家都在进行从生物质资源中获取燃料乙醇的研究和开发。甜高粱因其具有较高的生物学产量和较丰富的转化成酒精的物质，而倍受重视，尤其是甜高梁茎秆汁液发酵制取燃料乙醇及其相关技术的研究和应用。本文结合辽宁省科技攻关项目“生物质制取乙醇燃料新技术及应用开发”(编号：2003224003)和欧盟第五框架资助项目“生物酒精在中国农业及大城市郊区中小企业交通运输中的应用”(编号：I

2、cA4—2002—10023>进行的。主要的研究方法和内容有：通过在某一地区对一种较为优良的甜高粱品种在不同的播种期进行的种植栽培试验，并跟踪调查其主要的生长指标和含糖量指标，考察不同种植期对甜高粱主要生物性状及成糖的影响，并确定在该地区该品种的甜高粱作为饲用和作为发酵制取酒精之用较好的种植时间；通过应用固定化酵母技术发酵甜高粱制取酒精的试验研究，确定在固定化酵母发酵中，甜高粱茎秆汁液酒精发酵较为适宜的温度，搅拌速率、pH以及粒子填充率等较优的工艺条件；将制备好的固定化酵母粒子，在不改变固定化酵母活性的前提下，用化学试剂对其进行进一步的交联，以达到增强固定化酵母的化学强度和使

3、用寿命的目的，并在此基础上对相应化学试剂的使用浓度和处理时间做初步的确定。通过试验研究，结果表明：1、在上海地区，六月初种植的“沈农甜杂2号”甜高粱几个主要生长阶段的生长时间和全生长期比五月初种植的甜高粱有所缩短，五月初种植的“沈农甜杂2号”甜高粱茎秆和叶的总的生物学产量比六月初种植的高出27．82％。同时通过推迟甜高梁的种植时间30天左右，甜高梁茎秆中糖分的保持时间可以延长lO～14天，并有利于提高甜高粱茎秆汁液中总糖的积累水平。2、应用固定化技术发酵甜高粱茎秆汁液制取燃料乙醇的较为合适的发酵工艺参数为：温度34℃、转速150～200r·min-1、pH值4．5以及粒子填充

4、率为25％。同时此工艺参数的验证性试验分别在摇瓶和5L的生物反应器中进行，结果显示在摇瓶中进行甜高粱茎秆汁液的酒精发酵的酒精得率为91．39％，糖利用率为88．65％：在5L反应器中发酵甜高粱茎秆汁液的酒精得率为96．61％，糖利用率为99．86％。筛选得出的工艺条件的参数较适合固定化酵母发酵甜高梁茎秆汁液制取燃料乙醇的应用。3、通过不同浓度的三亚乙基四胺(兀A)和戊二醛(GLu)在不同的处理时间条摘要件下强化固定化酵母粒子较好的方案为：TTA的浓度为O．5％，m的处理时间为120min，GLU的处理浓度为0．5％以及GLU的处理时间为8rnin，此方案具有较优的化学强度指标

5、，其值为G％=95．32％，通过在反应器中发酵甜高梁茎秆汁液的多批的验证性试验结果显示此方案强化后的固定化酵母粒子的发酵稳定性要优于空白的发酵稳定性，强化后的固定化酵母粒子的发酵甜高粱茎秆汁液制取酒精的平均酒精得率为84．78％，而未经处理的固定化酵母粒子的发酵甜高梁的酒精得率为84．32％。同时对每批发酵后的的固定化粒子的物理强度进行测定结果显示，在未发酵前，此法强化后的固定化酵母粒子的物理强度高于未强化的固定化酵母粒子46．32％，通过8批次的甜高粱茎秆汁液酒精发酵后的固定化酵母粒子的物理强度降低率，强化后的固定化酵母粒子为23．72％，未强化的固定化酵母粒子则为38．2

6、6％。总之，强化处理后的固定化酵母粒予在保证了其发酵稳定性和发酵性能的同时，在化学强度(抗盐性)和物理强度方面都有了一定的改善。本研究为甜高粱的种植推广应用、固定化技术发酵甜高梁茎秆汁液制取燃料乙醇生产和固定化技术的升级提供了有益的科学参考和依据。关键词：甜高粱；固定化酵母；酒精发酵；工艺条件；粒子强化2沈阳农业大学硕士学位论文1．1概述第一章前言乙醇(e如an01)商品名酒精，分子式C2H60，结构式CH3CH20H，相对分子量46．07，是一种具有香味而刺鼻的无色透明液体。燃料乙醇，则是用作为内燃机燃料燃烧的乙醇，目前对于燃科乙醇的使用方式主要有三大类：(1)汽油发动机汽

7、车，乙醇添加量为5～22％：(2)灵活燃料汽车(FlexibleFuelvellicle，FFV)，乙醇与汽油的混合比可以在O～85％之间任意改变；(3)乙醇发动机汽车使用纯乙醇燃料，包括乙醇汽车和乙醇燃料电池车。我国目前使用的燃料乙醇大部分属于第二类，在汽油中掺兑10％左右的乙醇，用于汽车燃料。1．1．1乙醇的性质乙醇的化学性质主要取决于羟基的影响产生的性质。重要的化学反应有金属反应、脱氢、脱水、氧化和酯化反应。乙醇的物理性质见表卜1(姜成林，2001)。表卜1乙醇的物理性质Tab，1Thephysi