《真空膜蒸餾耦合能源植物酶解發酵制乙醇基礎研究》是依託北京理工大學，由趙之平擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：真空膜蒸餾耦合能源植物酶解發酵制乙醇基礎研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：趙之平
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
糖基能源植物菊芋適於沙漠、灘涂、鹽鹼荒地種植，且我國在耐鹽菊芋品種選育及灘涂種植方面已有重要突破。本項目提出以菊芋粗粉酶解-發酵耦合真空膜蒸餾（VMD）原位分離的新型膜生物反應器（MDBRs）製備乙醇，著重研究解決生物質轉化過程產物（糖、醇）抑制導致轉化效率低的關鍵科學問題，以及由此引起設備效率低、能耗高的技術瓶頸問題。首先，實驗研究克魯維酵母kl-lnu高效代謝產菊粉酶最適條件；然後，研究同步酶解-發酵產乙醇動力學，並篩培釀酒酵母優勢菌株；進而，以MDBRs製備乙醇，系統研究VMD原位分離乙醇單元的操作模式、操作條件以及不同膜材料等對生物質轉化速率和產醇收率的促進機制。最終，獲得MDBRs高效節能製備乙醇的關鍵工藝和匹配條件，並建立起描述這一複雜體系動力學行為的數學模型，以期為中試規模工藝設計和進一步研究提供相關基礎數據、實驗技術和科學理論指導，奠定能源植物高效轉化為乙醇產品的科學基礎。
結題摘要
本項目以菊芋粗粉酶解-發酵耦合真空膜蒸餾（VMD）原位分離的新型膜生物反應器（MDBRs）製備乙醇，著重研究解決生物質轉化過程產物（糖、醇）抑制導致轉化效率低的關鍵科學問題，以及由此引起設備效率低、能耗高的技術瓶頸問題。本項目獲得以下主要研究成果： 基於釀酒酵母抗氧化防禦體系，對釀酒酵母內不同抗氧化蛋白進行挖掘，並與調控元件—釀酒酵母自身強組成型啟動子FBA1p進行組裝，提高了釀酒酵母菌株生物活力。探究了克魯維酵母的生長及產菊粉酶特性，獲得了克魯維酵母在膜生物反應器中生長產酶的規律。 對菊粉及菊芋水解機理進行理論分析的基礎上，基於米氏方程，建立與阿倫尼烏斯方程耦合的水解動力學模型，實驗驗證了模型可靠性。 研究了在菊芋培養基中克魯維酵母培養直接水解菊芋的可行性，省去了酵母擴培產酶步驟，即利用菊芋代替傳統培養基，供給克魯維酵母生長代謝所需營養，將克酵母產酶和菊芋水解兩個過程耦合，實現了一種不斷供給新鮮菊粉酶的水解工藝，還原糖生產時長由72h以上縮短至24h，並最佳化接種方法獲得高於86%的水解率。 系統研究了菊芋分步水解-發酵及同步水解-發酵兩種工藝的物質總轉化率和產醇速率，證實了由於產物抑制，水解和發酵兩個過程耦合併不能縮短反應時間並提高產醇率。 以菊芋為原料，研究了產酶-水解-發酵“三耦合工藝”制乙醇，該工藝中不斷有新酶產生，改善了因發酵產物乙醇對菊粉酶抑制作用引起水解速率下降的問題，縮短了乙醇生產周期，產率得到提高。在此基礎上，將真空膜蒸餾（VMD）分離過程與產酶-水解-發酵體系耦合，實現了最終產物乙醇的原位分離，體系的乙醇收率高達98.9%，產乙醇周期由傳統分步工藝的100小時左右縮短至34小時。 套用之前完成的基金項目（20976024）的研究成果，對PVDF膜表面進行疏水改性，賦予PVDF膜超疏水特性，另方面，採用非溶劑致相分離法，在PTFE微孔基膜表面上構建PVDF微納米顆粒狀結構，提高膜表面的粗糙度，賦予膜超疏水特性。分別製備了兩種分離膜，後者在88kPa真空度下，分離因子從基膜的5.6提高到10.1，且性能穩定。 項目所構建的利用菊芋產醇“四耦合工藝”，無生物營養基和化學物質添加，且製備全程無污染，是一種高效清潔製備技術，有套用前景。此外，申請專利5項（授權3項），發表SCI論文5篇、另有5篇整理撰寫中，培養研究生8名。
