弹射式蒸汽爆破木质纤维素的表征分析及其对乙醇发酵的影响

In recent years,with the advent of world food and energy crisis,growing attention has been devoted to the conversion of resource-rich lignocellulose into bioethanol fuel,considered the cleanest liquid fuel alternative to fossil fuels. It has become the focus of research and hotspots.In this study, the main focus is that instantaneous catapult steam explosion pretreatment is effect on lignocellulose characterization analysis and its bioethanol fermentation mechanis. Based on comprehensive characterization analysis on the material, the physical-chemical properties of lignocellulose by Steam explosion pretreatment were studied by multiscale analysis.With liquid chromatography-mass spectrometry technology,a mechanistic model of steam explosion pretreatment process was constructed on the base of the comprehensive analysis of material composition and content.Application of multivariate numerical analysis method, function relationship is established that seam explosion intensity is effect on its enzymatic hydrolysis with composite cellulase.After test analysis of inhibitor produced by steam explosion pretreatment on the activity of the yeast, a nonlinear model was constructed between seam explosion intensity and bio-fuel ethanol fermentation products.The study for the application of instantaneous catapult steam explosion technology will provide a theoretical basis and technical support in the field of biomass energy conversion.

近年来，随着世界性粮食和能源危机的到来，以资源丰富的木质纤维素为原料生产生物燃料乙醇替代化石燃料日益受到世界各国的重视，已成为研究的重点和热点。本研究主要围绕瞬时弹射式蒸汽爆破处理对木质纤维素的表征分析及其对乙醇发酵的影响进行研究。运用多尺度分析方法深入探究高温瞬时蒸汽爆破预处理对木质纤维素理化特性影响，在对爆破物料的综合表征分析基础上，通过液相色谱-质谱联用技术分析爆破物料组分及含量，揭示高温瞬时蒸汽爆破处理对木质纤维素作用机理；应用多元数值分析方法，建立蒸汽爆破强度与酶解底物的成分函数关系；通过蒸汽爆破预处理后产生的抑制物对酵母活性影响试验分析基础上，构建蒸汽爆破强度与生物燃料乙醇发酵产物非线性模型。该研究为瞬时弹射式蒸汽爆破技术在生物质能源转化领域应用提供理论基础和技术支撑。

本项目主要围绕基于蒸汽爆破技术的农业废弃物资源转化生物燃料乙醇的关键技术及相关表征分析，将为我国农业废弃物可再生能源转化提供了技术支撑，对实现我国清洁农业生产和生物能源发展及减少环境污染具有重要的意义。主要研究进展：.（一）玉米秸秆进行爆破试验研究，在爆破条件为2.3-2.5Mpa，180-360s，蒸汽爆破处理效果最好，有利于后期的生物降解和乙醇发酵转化。.（二）玉米秸秆蒸汽爆破前后理化特征分析表明：热重分析结果表明，玉米秸秆蒸汽爆破后的热解区域比原样具有更宽的温度范围，其最大热分解速率的温度Tmax=335.0℃，DTGmax=9.48% min-1 分别比对照高17.8℃和33.98%。扫描电镜分析结果表明，蒸汽爆破预处理破坏了生物质的细胞层次结构，打破了生物抗降解屏障，有利于后期的生物降解和转化利用。.（三）基于近红外反射光谱分析技术构建了玉米秸秆蒸汽爆破预处理后物料组分近红外分析模型，结果表明，谱区在4000～7500cm-1得到理想的预测模型，纤维素的变幅为5.7%，半纤维素的变幅为6.2%，木质素的变幅为5.3%。. （四）玉米秸秆蒸汽爆破前处理研究结果表明，蒸汽爆破预处理的最佳条件为水与秸秆质量比30%、处理5 d，酶解后还原糖得率最高。 .（五）玉米秸秆蒸汽爆破后，采用气质连用色谱分析结果表明，固形物含量为23.1～25.9%，初始还原总糖浓度为12.8～13.9 g/L，发酵醪液的乙醇浓度24.4%，乙醇产率18.7%，有利于生物乙醇的提高生物燃料乙醇得率。.（六）基于Pachysolentannophilu s酵母菌株的以秸秆水解后还原糖为底物的发酵动力学研究，分别建立了菌体生长模型、底物消耗模型、产物生成模型，经试验验证分析可用于描述利用Pachysolentannophilu s酵母菌株的还原糖发酵制乙醇生产工艺过程，为乙醇发酵过程放大或连续发酵的理论基础。