本文關(guān)鍵詞： 干法生物煉制 纖維素乙醇 L-乳酸 葡萄糖酸 生物質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)　出處：《華東理工大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：利用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇的生物煉制技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化實施階段,但其過程技術(shù)和工程技術(shù)仍然存在巨大的改善空間。干法生物煉制是一種極限低量工藝水和能量投入的進(jìn)行生物燃料和大宗化學(xué)品生產(chǎn)的高效糖平臺生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。由于采用了一系列"干"的過程工藝,包括干式稀酸預(yù)處理、固態(tài)生物脫毒和高固含量同步糖化與共發(fā)酵技術(shù),生物煉制過程在達(dá)到與玉米原料生物轉(zhuǎn)化指標(biāo)接近的高效生物轉(zhuǎn)化的同時,過程能耗、工藝水耗和廢水排放量大幅度降低至玉米原料干法加工技術(shù)水準(zhǔn)。本論文依據(jù)干法生物煉制的工藝特點和工程經(jīng)驗,在大型化工流程模擬軟件Aspen Plus上建立了木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)纖維素乙醇、纖維素L-乳酸和纖維素葡萄糖酸的全流程過程模擬模型,對影響生物煉制產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的高酶成本、高加工成本和低轉(zhuǎn)化率等諸多關(guān)鍵因素進(jìn)行了詳細(xì)的模型推演,并在流程模擬模型的基礎(chǔ)上建立了嚴(yán)格的干法生物煉制技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價模型。通過Aspen Plus平臺上的流程模擬和過程模型推演,對過程工藝設(shè)計與優(yōu)化、創(chuàng)新概念的提出與驗證、技術(shù)可行性評價與分析等與產(chǎn)業(yè)化密切相關(guān)的因素進(jìn)行了系統(tǒng)和詳盡的研究,實現(xiàn)了干法生物煉制技術(shù)水準(zhǔn)的大幅提高,生物煉制產(chǎn)品成本的大幅降低,并為產(chǎn)業(yè)化放大和設(shè)計提供了必不可少的工具和重要的可行性論證方法。本文的第一部分,對Aspen Plus平臺上木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)纖維素乙醇、L-乳酸和葡萄糖酸的干法生物煉制技術(shù)進(jìn)行全流程模擬,作為過程操作推演、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價和工業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)。整個生物煉制過程包括原料前處理、預(yù)處理、生物脫毒、纖維素酶在位生產(chǎn)、糖化與發(fā)酵、產(chǎn)品分離與精制、廢水處理、木質(zhì)素殘渣燃燒發(fā)電、產(chǎn)品儲存以及公用工程等10個工段。在全流程模型的基礎(chǔ)上,建立了適用于中國國情的嚴(yán)格意義上的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價模型,對干法生物煉制技術(shù)生產(chǎn)纖維素乙醇、乳酸和葡萄糖酸的過程從總資金投入、可變操作成本和固定操作成本等方面進(jìn)行了嚴(yán)格核算,以最低產(chǎn)品售價(Minimum Selling Price)為目標(biāo)函數(shù),對過程經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了嚴(yán)格評定。本文的第二部分,通過能量輸入和廢水產(chǎn)生量的最小化,實現(xiàn)纖維素乙醇工業(yè)生產(chǎn)潛力的最大化。以玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈、意楊木屑和甘蔗渣為原料,使用工程改造菌株釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae XH7在低纖維素酶用量(10～15 mg酶蛋白/g纖維素)和高固含量(30～35%,w/w)的條件下進(jìn)行同步糖化與共發(fā)酵,實現(xiàn)了高乙醇發(fā)酵濃度和得率。其中,使用小麥秸稈在15 mg酶蛋白/g纖維素和35%固含量的同步糖化與共發(fā)酵過程中實現(xiàn)了破紀(jì)錄的101.1 g/L(12.8%,v/v)的乙醇發(fā)酵濃度,其乙醇最低售價(Minimum Ethanol Selling Price,MESP)為每加侖 1.93 美元($1.93/gal)。干法生物煉制技術(shù)生產(chǎn)1噸燃料乙醇,核心工段(原料前處理、預(yù)處理、生物脫毒、糖化與發(fā)酵、產(chǎn)品分離與精制)只消耗262.95 kWh電能和8.67 GJ蒸汽,產(chǎn)生7.71噸廢水,明顯低于稀酸預(yù)處理技術(shù)(324.56k Wh、11.21GJ和13.91噸)、氨纖維膨爆技術(shù)(529.19 kWh、23.04 GJ和18.95噸)和脫乙�；鶛C(jī)械磨漿技術(shù)(1028.57 kWh、18.60 GJ和107.39噸)。另一方面,目前玉米乙醇的發(fā)酵濃度為12～15%(v/v),生產(chǎn)1噸玉米乙醇的電能和蒸汽消耗以及廢水產(chǎn)生量分別為34.46 kWh、7.83 GJ、8.33噸,市場上銷售的燃料乙醇售價約$2/gal�？梢钥闯龈煞ㄉ餆捴萍夹g(shù)的纖維素乙醇生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)和目前的玉米乙醇處于同一水平。同時考慮到電價補貼、秸稈原料補貼和灰分副產(chǎn)品,MESP可低于 $1.5/gal。本文的第三部分,使用玉米秸稈原料生產(chǎn)L-乳酸發(fā)酵進(jìn)行了實驗研究,并在優(yōu)化的過程工藝條件下進(jìn)行了 Aspen Plus平臺上的工業(yè)規(guī)模過程設(shè)計和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價。通過解決發(fā)酵菌種乳酸片球菌Pediococcus acidilactici TY112絮凝和常規(guī)生物脫毒時間較長等問題,經(jīng)過干式稀酸預(yù)處理和快速生物脫毒的玉米秸稈進(jìn)行30%(w/w)高固含量的同步糖化與發(fā)酵,實現(xiàn)了 104.5 g/L L-乳酸的高發(fā)酵濃度,其中纖維素到L-乳酸的得率為71.5%。根據(jù)干法生物煉制技術(shù)特點和優(yōu)化的L-乳酸生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行嚴(yán)格的工業(yè)規(guī)模Aspen Plus流程模擬。和其它使用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)L-乳酸的工藝相比,本工藝的廢水產(chǎn)生量非常低。在沒有利用木糖的發(fā)酵條件下,L-乳酸的最低售價(Minimum L-lactic acid Selling Price,MLSP)低至$0.559/kg,非常接近淀粉來源L-乳酸的市場售價。本文的第四部分,使用玉米秸稈原料進(jìn)行了葡萄糖酸鈉和木糖酸鈉的共發(fā)酵和水泥緩凝劑應(yīng)用的研究,在優(yōu)化的過程工藝條件下進(jìn)行了 Aspen Plus平臺上的工業(yè)規(guī)模過程設(shè)計和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價。經(jīng)過干式稀酸預(yù)處理和生物脫毒后的玉米秸稈原料進(jìn)行每克(g)纖維素10mg酶蛋白的低酶用量的水解,水解漿液不進(jìn)行固液分離直接接種氧化葡萄糖桿菌Gluconobacter oxydans DSM 2003進(jìn)行葡萄糖酸和木糖酸的共發(fā)酵,實現(xiàn)了 118.13 g/L葡萄糖酸鈉和64.27 g/L木糖酸鈉的高發(fā)酵濃度。葡萄糖酸鈉/木糖酸鈉混合產(chǎn)品的水泥緩凝效果與市售的淀粉基葡萄糖酸鈉水泥緩凝劑相同。質(zhì)量濃度為50%的混合產(chǎn)品的最低售價(Minimum sodium Gluconate/xylonate product Selling Price,MGSP)為$0.182/kg,低于目前市場上銷售的淀粉基葡萄糖酸鈉水泥緩凝劑,具有非常強(qiáng)的市場競爭力。本文的第五部分,對使用分散式的干式稀酸預(yù)處理實現(xiàn)大規(guī)模生物煉制的原料供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了模型推演。將干式稀酸預(yù)處理操作分散到木質(zhì)纖維素原料產(chǎn)地,進(jìn)行小規(guī)模的預(yù)處理操作。然后將預(yù)處理后提高體積密度的原料從分散的處理站點運輸?shù)街行纳餆捴乒S進(jìn)行固態(tài)生物脫毒和高固含量的同步糖化發(fā)酵等操作。對這種分散預(yù)處理的原料供應(yīng)鏈系統(tǒng)進(jìn)行模型推演,確定了在中國和美國不同地區(qū)的最優(yōu)生物煉制工廠規(guī)模和相應(yīng)的乙醇最低售價。和傳統(tǒng)的集中生物質(zhì)收集方式相比,基于干式稀酸預(yù)處理的分散生物質(zhì)收集方式能夠明顯降低農(nóng)作物秸稈的運輸成本,增大生物煉制規(guī)模,降低生物煉制產(chǎn)品成本。對中國來說,大規(guī)模的生物煉制工廠適合建立在東北、華北和中南地區(qū),而美國則集中在中西部。在這些地區(qū)可建立與集約化生產(chǎn)的石油煉制工廠規(guī)模相近的每天加工原料量超過10,000噸的生物煉制工廠。通過上述研究,建立了干法生物煉制技術(shù)工藝的Aspen Plus全流程模型,并根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水平對工業(yè)規(guī)模的生物煉制過程進(jìn)行推演和評價。結(jié)果表明,干法生物煉制技術(shù)的高產(chǎn)品濃度和得率、低能耗和低廢水排放的特點使其產(chǎn)業(yè)化極具社會和環(huán)境可行性,而其較低的產(chǎn)品成本使其具有非常強(qiáng)的市場競爭力。分散式的干式稀酸預(yù)處理技術(shù)使建立超大規(guī)模生物煉制工廠成為可能。本論文的研究結(jié)果為生物煉制產(chǎn)業(yè)化設(shè)計、優(yōu)化和評鑒提供了極為重要的理論依據(jù)和工具。
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【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK6
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本文編號：1519557