发酵工艺课程设计剖析

发酵工艺课程设计题目:玉米秸秆和玉米淀粉混合原料的乙醇发酵学院：化学生物与材料科学学院2013年12月5日目录1.设计目的.........................................................12.设计原理.........................................................12.1国内乙醇生产工艺的发展概况..................................12.2玉米秸秆和玉米淀粉混合原料的乙醇发酵的提出..................23.实验方法.........................................................23.1实验材料....................................................23.2培养基......................................................23.3仪器........................................................23.4菌株发酵及保藏...............................................33.5混合原料发酵生产燃料乙醇.....................................34.实验预期结果.....................................................44.1玉米秸秆与玉米淀粉配比的确定.................................44.2料液比的确定................................................44.3硫酸浓度对玉米秸秆水解的确定................................44.4纤维素酶用量的确定..........................................55.燃料乙醇的工艺流程设计...........................................55.1流程概况....................................................55.2溶氧条件的控制..............................................65.3pH条件的控制................................................65.4温度的控制..................................................611.设计目的燃料乙醇是一种重要的生物质能源，由于其清洁、可再生等诸多优势受到了越来越多的关注，已经成为国内外能源领域的研究热点，并有望成为“后石油时代”中新能源的主力军。然而,燃料乙醇的产业化依然面临许多挑战。目前，工业生产燃料乙醇主要使用粮食淀粉（玉米、小麦等）、甘蔗以及其它富含糖类的原料，处于“与人争粮”的窘境之中,从长远角度来看难以实现可持续的发展。在备选的生产原料中，木质纤维素不但来源广泛，而且其生产燃料乙醇的过程本身可有效地缓解环境污染，从而倍受全球能源研究领域的关注。在我国，玉米秸秆纤维素原料的来源非常丰富，通过纤维素酶催化生产燃料乙醇的研究具有广阔的应用前景。本文设计针对目前木质纤维素生产燃料乙醇过程中存在的生产成本过高以及纤维素原料到燃料乙醇的转化率较低等问题，对玉米秸秆生产燃料乙醇的工艺流程进行选择优化，在利用玉米秸秆生产燃料乙醇的同时，充分考虑其它副产物资源的利用，并对此生产过程进行了技术经济分析；此后，在原料成分分析的基础上，进一步探讨了木质纤维素原料玉米秸秆及玉米芯与玉米淀粉混合作为原料的新型发酵工艺，并分别对其进行了初步的实验优化和技术经济分析，以期为木质纤维素燃料乙醇工艺提供科学指导与技术支撑。2.设计原理2.1国内乙醇生产工艺的发展概况目前，木质纤维素类生产燃料乙醇的步骤主要包括原料预处理、纤维素水解、乙醇的发酵及分离等单元操作，木质纤维素预处理方法主要包括物理法、化学法、生物法和综合法等。其中使用稀酸进行化学水解是研究最多且使用最为广泛的方法之一，在经济和技术上都有较好的可行性。以淀粉和纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺存在一定的区别，在前者工艺中，淀粉原料经粉碎、蒸煮、液化、糖化，再发酵、蒸馏、精馏、脱水，制得无水乙醇，木质纤维素乙醇的生产主要包括原材料的预处理、酶法糖化、发酵和乙醇的分离纯化等工艺过程。如果能将这两种原料混合使用，如玉米秸秆经预处理酶解后再加入些玉米淀粉糖浆，这样就能节省淀粉质原料前处理过程中外加的水，提高纤维素原料的糖浓度，继而提高发酵液中乙醇浓度，降低蒸馏的能耗。种玉米播种，灌溉施肥，除草收获玉米杆收集运输预处理酶解发酵蒸馏，精馏副产品2图1木质纤维素燃料乙醇的生命周期2.2玉米秸秆和玉米淀粉混合原料的乙醇发酵的提出探索了以玉米秸秆和淀粉糖浆混合物为原料进行发酵产乙醇的可行性。对玉米秸秆中木质纤维素的含量进行了测定，并优化了玉米秸秆的预处理工艺。此后，通过实验比较了以玉米淀粉、玉米秸秆以及两者混合物为原料的发酵工艺。结果表明，混合原料发酵的乙醇产量高达66.4g/L，远高于其它两条工艺路线，因此以玉米淀粉糖浆和玉米秸秆混合物为原料发酵产乙醇的第1.5代燃料乙醇的关键过程是可行的。在此基础上，对上述三种工艺路线进行了单位生产成本估算，其中玉米秸秆和混合原料发酵的工艺成本比较接近，表明以混合原料取代玉米淀粉发酵，从而在一定限度内避免“与人争粮”的窘境是完全可行的。3.实验方法3.1实验材料（1）菌株及木质纤维素原料：玉米杆，酿酒酵母，玉米淀粉糖浆（2）水解酶：纤维素水解酶（3）主要试剂：硫酸，氨水，葡萄糖，酵母粉，石油醚，氢氧化钠，无水乙醇，3,5-二硝基水杨酸，蛋白胨，酒石酸钾钠，正丁醇，苯酚，酵母粉，色谱纯乙腈，盐酸。3.2培养基（1）种子培养基YPD种于培养基成分为葡萄糖30g/L、酵母粉4g/L、蛋白胨4g/L，115℃灭菌15min,用于种子液培养。（2）摇瓶发酵培养基玉米秸秆与稀酸溶液料液比1:10，硫酸浓度1%，浸泡24h，置于高温蒸汽灭菌锅中，130℃水解90min，调节pH至一定值后直接做为发酵培养基。玉米秸秆水解液中添加酵母浸粉和蛋白胨各3g/L作为摇瓶发酵培养基。3.3仪器手提式高速中药粉碎机，电热恒温干燥箱，LG16-W台式高速离心机，AND电子天平(180g/0.0001)，JA1003电子天平，SS-325全自动动高压灭菌锅，电动乙醇分配与销售3搅拌器，Milli-Q型超纯水仪，HH-S型水浴锅，旋转蒸发仪RD-52，XH-C游祸混匀器，HZQ-F160型全温振荡培养箱，TGL-16B型台式离心机，水浴摇床，721分光光度计，SHZ-D(III)型循环水式真空泵，DLSB-5/25型低温冷却液体循环机，SBA-50型葡萄糖分析仪。3.4菌株发酵及保藏（1）菌种的培养斜面培养：将斜面培养基在115℃灭菌锅中灭菌15min后，放于无菌室中自然冷却到室温后进行划线接种，然后放于30℃恒温培养箱中培养36h左右，取出放于-4℃冰箱内冷藏保存备用。（2）菌株的活化取出斜面保存的菌种，用接种环转接入100ml的种子培养基中,，放于摇床中在30℃，转速为150r/min的条件下培养16-20h，再取其中1ml转入新鲜培养基，同样条件下培养约18h左右，使OD600=32-35。用接种环挑取冷藏斜面保存的菌株接入装有100ml种子培养基的250ml摇瓶中，在30℃，转速为150r/min的摇床中培养18h左右，使OD600约为30。(3)种子培养条件从斜面上用接种环挑取一定量的菌体转接入YPD液体培养基中，装液量为100mL/250ml三角瓶，30℃，150rpm条件下培养16-20h。(4)发酵培养条件将种子培养液按10%的接种量接入装有100mL发酵培养基的250ml三角瓶中，于30℃，150r/min条件下摇床培养48h。（5）菌种保藏将菌株接入YPD液体培养基中活化16-20h，取1ml的培养液进行一定比例的稀释，然后在YPD固体培养基平板上进行涂布分离。培养后用接种环挑取单个菌落接入100ml，YPD液体培养基中，30℃条件下培养到对数生长后期。取等量的30%的火菌甘油和培养好的菌悬液进行混合，然后分装到离心管中,最后将离心管冷冻于-80℃下的低温冰箱内保存。用此方法保藏菌种时间一般为半年左右。3.5混合原料发酵生产燃料乙醇（1）玉米秸秆与玉米淀粉配比的探究玉米基原料的预处理和酶水解：称取粉碎过筛后的玉米秸秆原料10g，分别按1:10(w/v)的料液比加入1.6%稀硫酸，在130℃条件下预处理90min；将各个试样取出冷却至室温，调节pH为5.0，以100U/g纤维素的加酶量加入纤维素酶，在50℃条件下水解48h；酶解结束后过滤，得到玉米秸秆水解液,分别定容到100mL，添加一定量的酵母粉和蛋白胨，灭菌后备用。分别用1g，2g，3g，4g玉米淀粉按一定的比例稀释，加入到250mL的三角瓶中，各设三个平行试验。然后放在灭菌锅中于115℃条件下，灭菌15min。种子培养条件(酿酒酵母)：温度30℃，转速150r/min，培养时间16h。摇瓶发酵：两种菌株的种子液按10%的接种量接入玉米秸秆的水解液培养基中，每种菌株做三个平行实验，在3℃、转速150r/min条件下发酵培养，并定时取样，CO2失重情况和乙醇生成情况，70h后完成发酵。（2）料液比的探究4通过取玉米秸秆8g，10g，12g，14g，16g来控制0.8:10(w/v)和1:10(w/v)和1.2:10(w/v)和1.4:10(w/v)和1.6:10(w/v)的料液比，同时添加2g玉米淀粉。处理方法与发酵与（1）完全相同。（3）硫酸浓度对玉米秸秆水解的探究分别称取10g的玉米秸秆放入到盛有100mL浓度为1.2%，1.4%，1.6%，1.8%，2.0%的硫酸中，在130℃水解90min，加料方法与发酵方法与（1）完全相同。（4）纤维素酶量的探究将样液添加80U/g，90U/g，100U/g，110U/g，120U/g的纤维素水解酶进行水解，加料方法与发酵方法与（1）完全相同。4.实验预期结果4.1玉米秸秆与玉米淀粉配比的确定玉米淀粉是提供啤酒酵母初期生长的主要原料，由于淀粉市场价格比较昂贵所以必须确定最佳的淀粉投加量来节约投资成本。表一混合原料发酵情况实验号淀粉量CO2失重量酒精体积分数11gQ1W122gQ2W233gQ3W344gQ4W4预期值Q1Q2=Q3=Q4，W1W2=W3=W4，所以选取2g为最佳的淀粉投放量。4.2料液比的确定料液的浓度比直接影响到产酒酵母的代谢活动，如果加料少提供酵母代谢的物质少出酒率低，过高发酵罐内的液体渗透压过高，不利于酵母的生长，罐内的原料利用不充分，造成较大的让费。表二不同料液比发酵情况料液比CO2失重量酒精体积分数残糖量0.8:10Q1W1M11:10Q2W2M21.2:10Q3W3M31.4:10Q4W4M41.6:10Q5W5M5预期结果Q1Q2Q3Q4Q5，W1W2W3W4W5，M1M2M3M4M5，所以选取料液比为1:10最合适。4.3硫酸浓度对玉米秸秆水解的确定硫酸浓度对玉米秸秆的处理直接影响发酵液中含糖量，影响酵母对原料的利用率。表三不同硫酸浓度处理原料发酵情况实验号硫酸浓度CO2失重量酒精体积分数11.2%Q1W1521.4%Q2W231.6%Q3W341.8%Q4W452.0%Q5W5预期结果为Q1Q2Q3Q4Q5，W1W2W3W4W5，所以选取硫酸水解的浓度为1.6%最合适。4.4纤维素酶用量的确定纤维素酶为比较贵重的