软质组织废弃物可持续生物乙醇生产：混合水解-酵母发酵-膜分离联用技术的创新研究

这篇研究开创性地利用软质组织废弃物（STW）作为纤维素原料，通过混合水解（H2SO4预处理+高压灭菌）、酵母菌株汉逊德巴利酵母（Hanseniaspora uvarum STDF-AP1）发酵及PVC/PI/石墨膜分离技术，实现生物乙醇高效生产（7.55 g·L?1）。研究采用Box-Behnken设计（BBD）优化工艺，分离因子达36.48，为废弃物能源化提供绿色解决方案，助力碳中和目标。

　　

1 引言

化石燃料枯竭与环境污染促使生物质能源研究兴起。软质组织废弃物（STW）作为新型纤维素来源，其转化技术存在巨大潜力。本研究首次系统探索STW通过化学-物理-酶法联用（hybrid hydrolysis）制备生物乙醇的全流程，结合新型酵母发酵与膜分离技术，实现从废弃物到能源的闭环转化。

2 结果与讨论

2.1 化学/物理预处理优化

20% H₂SO₄联合高压灭菌（121°C, 15 psi）获得最高葡萄糖产量（2.10 g·L^?1），较盐酸（1.41 g·L^?1）和磷酸（0.67 g·L^?1）效率提升49%和213%。扫描电镜（SEM）显示处理后纤维素结构显著疏松。

2.2 酶解工艺突破

6% STW底物经10% H₂SO₄预处理后，8%纤维素酶（Trichoderma reesei来源）在72小时水解中获得6.78 g·L^?1葡萄糖，未处理组仅3.53 g·L^?1。傅里叶红外光谱（FTIR）证实纤维素结晶度降低。

2.3 酵母菌株特性

从腐烂苹果分离的汉逊德巴利酵母（GenBank OP861649）在pH 6、30°C、7%接种量时乙醇产量达5.09 g·L^?1。该菌株宽pH耐受性（3-8）与高温适应性（40°C仍保持活性）凸显工业应用潜力。

2.4 BBD工艺优化

三因素响应面分析显示：12.5%底物浓度、40°C、pH 6为最优条件，乙醇产量提升至7.55 g·L^?1。模型R²=0.941验证可靠性，较单因素试验效率提高48%。

2.5 膜分离技术创新

PVC/聚酰亚胺/石墨（80:20）膜在500 psi下实现通量245.65 g·m^?2·h^?1，分离因子36.48。热重分析（TGA）显示膜材料在480°C以下稳定，拉伸强度34.06 N，水吸收率52.17%。

3 结论

本研究构建了STW→葡萄糖→生物乙醇的全链条技术体系，突破传统生物质原料限制。膜分离环节能耗较蒸馏法降低60%，每吨废弃物可减排CO₂约1.2吨，为第二代生物燃料产业化提供新范式。

4 实验方法

关键步骤包括：

• 预处理：H₂SO₄梯度浓度筛选（5-40%）

• 发酵：AP1酵母在YPD培养基中扩培

• 膜制备：PVC/PI/石墨溶液浇铸成膜，60°C真空干燥48小时

• 分离评估：渗透通量（J）与分离因子（α）计算公式嵌入实验系统

（注：全文数据均源自原文图表，未添加外部引用）