廣東化工2012年第2期www.gdchem.com第39卷總第225期玉米芯稀酸預(yù)處理和分步糖化與發(fā)酵工藝生產(chǎn)燃料乙醇的中試研究王欲曉,莊文昌(徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院徐州市生物質(zhì)燃料工程技術(shù)研究中心,江蘇徐州221000摘要]利用正交試驗(yàn)在中試水平考察了玉米芯的稀硫酸預(yù)處理和分步糖化與水解生產(chǎn)乙醇的工藝。結(jié)果:最佳預(yù)處理工藝為稀硫酸濃度物,pH=50,48h:利用運(yùn)動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵酶解液,35℃,48h,發(fā)酵液中乙醇濃度最高678“:纖維二糖酶活=20Ug底物:7g底1.1%,溫度120℃,固液比1:8,時間3h;酶解糖化最佳工藝為:起始底物濃度180g,濾紙酶[關(guān)鍵詞燃料乙醇:中試生產(chǎn):玉米芯;稀酸預(yù)處理:分步水解與發(fā)酵[中圖分類號TQ[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A文章編號]007-1865(2012)020258-03Study on Fuel Ethanol Production from Corncob Using the Process of Dilute AcidPretreatment and Separated Saccharification and FermentationWang Yuxiao, Zhang Wenchang(Xuzhou Bio Fuel Engineering Research Cente, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221000, China)Abstract: The goal of this study is to achieve the optimum process parameters for fuel ethanol production at pilot scale from corncob feedstock. After theoptimization of orthogonal experiment, the process configuration including dilute acid pretreatment and separated saccharification and fermentation(SHF) has beenobtained: the optimum parameters of pretreatment process are at 120 C for 3 h with 1. 1 sulphuric acid as well as solid-to-liquid ratio=1: 8, and the optimumcondition of enzymatic hydrolysis are at initial pH 5.0 and 48 C for 48 h with FPA: CBA-20: 7(IU/g substrate). The maximum ethanol consistency in theermentation broth of enzymatic hydrolyzates by Zymomonas mobilis at 35 C for 48 h is 67.8 g/L from 180 g/L substrate produced by pretreatmentKeywords: fuel ethanol production: pilot scale: comcob: dilute acid pretreatment: separated saccharification and fermentation(SHF)目前,地球上石油和煤炭等化石能源的可探明儲量有限加,而1.3主要儀器設(shè)備年6月客開的國際可再生能源會議提出了全球應(yīng)該加速實(shí)現(xiàn)從礦耐強(qiáng)酸糖瓷反應(yīng)金101,山東省博太極集閉:袋式過濾器物能源時代向可再生能源過渡的發(fā)展戰(zhàn)略。許多國家開始制定或調(diào)SHL-2P2S,浙江省海寧過濾設(shè)備有限公司;酶解-發(fā)酵罐整能源政策,把生物能源的研究和開發(fā)擺在了重要的位置。生物燃 RTY-MS-100L,江蘇省鎮(zhèn)江日泰生物工程設(shè)備有限公司:板框壓料乙醇作為安全、潔凈的燃料及汽油添加劑目前己經(jīng)備受關(guān)濾機(jī)SHF150,浙江海寧過濾設(shè)備有限公司;高壓蒸汽滅菌鍋大力發(fā)展乙醇與汽油的混合燃料勢在必行YXQ-LS-18SI,上海博迅實(shí)業(yè)有限公司:紫外/可見分光光度計(jì)傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵工業(yè)主要以玉米、小麥等糧食淀粉或甘蔗汁為UV751GD,上海分析儀器總廠。原料,但其原料成本高達(dá)總成本的40%。而中國地少人多的國情14實(shí)驗(yàn)方法現(xiàn)狀,也決定了基于糧食為原料的乙醇大規(guī)模生產(chǎn)必將導(dǎo)致“與人畜(1)取玉米芯樣品經(jīng)烘干恒重,定量分析纖維素、木聚糖和木爭糧,與糧食爭地”的不利局面。在我國利用甘蔗等糖料作物生產(chǎn)質(zhì)素的含量燃料乙醇也將受到土地資源和原料成本的限制而無法大規(guī)模推廣(2)原料經(jīng)粉碎機(jī)9FZ-35粉碎后過9目(1981μm)篩,取適量木質(zhì)纖維原料是地球上最豐富、最廉價的可再生資源。全世界每樣品按正交設(shè)計(jì)要求(見表1),以纖維素含量、木聚糖去除率和酸年通過光合作用產(chǎn)生的木質(zhì)纖維生物質(zhì)高達(dá)1000億t,其中89%目不溶木質(zhì)素去除率為指標(biāo),在100L反應(yīng)釜進(jìn)行稀硫酸預(yù)處理試前尚未被人類利用,我國的木質(zhì)纖維原料也非常豐富,每年僅農(nóng)申(按最佳條件預(yù)處理后,樣品經(jīng)袋式過濾器過濾,再用2%渣,每年可利用的木質(zhì)纖維原料總量可達(dá)20億t以上。木質(zhì)纖維原的氫氧化鈉溶液65℃下處理2h,再經(jīng)板框壓濾,固體渣洗至中料中纖維素約占干重的35%45%,半纖維素約占20%40%,采性,風(fēng)干備用。取樣品烘干恒重,定量分析纖維素、木聚糖和酸用適宜技術(shù)將它們水解成可發(fā)酵性糖,進(jìn)一步發(fā)酵生產(chǎn)乙醇2,有不溶木質(zhì)素的含量可能改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式,對我國經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展具有十糖為指分重大的意義在100L酶解罐內(nèi)自動流加酸液調(diào)節(jié)pH為5,48℃恒溫進(jìn)行酶解文章以玉米芯為原料生產(chǎn)燃料乙醇進(jìn)行了中試研究,分別考察糖化試驗(yàn)了稀酸預(yù)處理和分步水解與發(fā)酵工藝工藝,確定了各自最佳條件。(5)運(yùn)動發(fā)酵單胞菌 Amabilis在種子液培養(yǎng)基中培養(yǎng)至OD6o1材料和方法為04時制成種子液,以5%的接種量接種到100L發(fā)酵罐內(nèi)的酶1.1實(shí)驗(yàn)原料解糖化液,以酶解糖化液中的還原糖為碳源,按發(fā)酵培養(yǎng)基配方原料:玉米芯,取自江蘇省銅山縣張集鎮(zhèn),自然風(fēng)干備用。添加營養(yǎng)成分,分別在35℃、40℃、45℃發(fā)酵60h,考察發(fā)酵1.2纖維酶、菌種和培養(yǎng)基液中乙醇濃度。纖維酶原液1:濾紙酶活( filter paper activity,FPA)為60FPIU/mL,由里氏木霉(Tree生產(chǎn);纖維酶原液2:纖維二糖酶活表1玉米芯稀硫酸預(yù)處理4因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab 1 Design of factors and levels of orthogonal experiment designwb%種子培養(yǎng)基①:葡萄糖10%,醉有0保llobiase activity,CBA)為30cBI/mL,由黑曲霉( Aspergillus運(yùn)動發(fā)酵單胞細(xì)菌( Zymomonas mobil:本實(shí)for dilute sulfuric acid hydrolysis c因素A因素B因素C因素D0.10%,磷酸二氫鉀0.10%,硫酸鎂0.05%,28℃培養(yǎng)稀硫酸濃度%溫度C時間/固液比Amabilis發(fā)酵培養(yǎng)基(W:酶解液還原糖,酵母膏0.90%,磷酸二氫鉀0.10%,pH50110中國煤化工收稿日期]2011204YH基金項(xiàng)目]江蘇省重大科技支撐和自主創(chuàng)新項(xiàng)目(BE2008121)CNMHG[作者簡介王欲曉(973-),男,江蘇徐州人,工學(xué)碩士,高級工程師,主要從事生物化工研究。*為通訊作者2012年第2期廣東化工第39卷總第226期www.gdchem.com259表2纖維素酶解糖化3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M].GBT26779-94;酸不溶木質(zhì)素含量測定按照中華人名共和Tab 2 Design of factors and levels of orthogonal experiment for國國家標(biāo)準(zhǔn)造紙?jiān)纤岵蝗苣举|(zhì)素含量的saccharification of cellulosM.GBT2677894:酸溶木質(zhì)素含量測定按照文獻(xiàn)的測定因素C1.52纖維素酶活定量分析方法時間h底物濃度(gL)FPA:CBA(UmL)酶活力定義:在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件下,1min內(nèi)將底物轉(zhuǎn)化生成1120umol產(chǎn)物所需要的酶量即為1個酶活單位,單位為UmL濾紙酶力(FPA)測定按照工業(yè)酶制劑通用試驗(yàn)方法M]QBT15020:71803~1993;纖維二糖酶活力(B葡萄糖苷酶活)測定參照文獻(xiàn)。1.53還原糖、乙醇和菌體濃度定量分析方法還原糖總糖含量測定參照文獻(xiàn)DNS法;乙醇含量測定參照15分析方法文獻(xiàn)重鉻酸鉀氧化分光光度計(jì)法;菌體濃度定量分析方法:以1.5.1樣品主要成分定量分析方法不接種的培養(yǎng)基為對照,用分光光度計(jì)測發(fā)酵培養(yǎng)基ODb值。樣品含水率測定按照中華人名共和國國家標(biāo)準(zhǔn)造紙?jiān)纤?結(jié)果和討論的測定M1.GBT2672-93;纖維素含量按照文獻(xiàn);戊聚糖含量測定按照中華人名共和國國家標(biāo)準(zhǔn)造紙?jiān)隙辔焯呛康臏y定2.1稀酸預(yù)處理正交試驗(yàn)結(jié)果表3稀硫酸預(yù)處理玉米芯正交試驗(yàn)結(jié)果和分析因素稀硫酸濃度%溫度/時間h固液比纖維素含量彫戊聚糖去除率%木質(zhì)素去除率指標(biāo)2指標(biāo)實(shí)驗(yàn)146.5實(shí)驗(yàn)2266.187.9實(shí)驗(yàn)367992,9實(shí)驗(yàn)2286.1實(shí)驗(yàn)6實(shí)驗(yàn)758.6實(shí)驗(yàn)860.679實(shí)驗(yàn)9指標(biāo)60.127060.346.58l1.1812.222最優(yōu)條件C3 B2 A3 D3KI68.2346.3759.8066.538447753776.77指標(biāo)K378.4386,2081.7773.6321.910.23影響因素B>C>D>A最優(yōu)條B3 C3 D2 A3274015.20.1326.06K227.90339632.3029.23指標(biāo)K35627.700.5018.769.733.16B>C>D>A最優(yōu)條件B2 C2 A2 D2由表3結(jié)果看出,稀硫酸預(yù)處理玉米芯,纖維素含量在實(shí)驗(yàn)3最高為6790%,其影響因素由高到低依次是:時間>溫度>酸濃由高到低依次是:溫度>時間>固液比>酸濃度。木質(zhì)素去除率在實(shí)驗(yàn)2最高為6790%,其影響因素由高到低依次是:溫度>時間2 acid pretreatment>固液比>酸濃度D alkali treatment綜合比較,稀硫酸預(yù)處理主要是去除樣品中戊聚糖和提高纖維素含量,所以預(yù)處理最佳條件為溫度120℃,稀硫酸濃度1.1%,固液比1:8,時間3h。此條件下平行試驗(yàn)3次,平均值為:戊聚糖去除率787%,纖維素含量由32.3%上升到62,3%22玉米芯3種主要成分在酸、堿處理前后的定量分析由圖1可以看出,玉米芯經(jīng)酸堿處理,纖維素含量最終上升到667%,戊聚糖去除了72.6%,木質(zhì)素去除了629%。為下面的酶解糖化創(chuàng)造了良好條件。2.3酶解糖化正交試驗(yàn)結(jié)果由表4結(jié)果看出,酶解糖化實(shí)驗(yàn)9還原糖濃度最高為120.6gluosegL,其影響因素由高到低依次是:底物濃度>FPA:CBA>時間綜合考慮,酶解糖化在以下工藝條件運(yùn)行:罐中初始底物濃度為中國煤化工l80g/L,添加濾紙酶活為20FPU:1g底物,12h流加纖維二糖酶活為7CBIU:1g底物,酶水解過程中補(bǔ)充底物至180gL,pH圖1酸堿HCNMH量保持5,恒溫48℃,48h。試驗(yàn)3次,還原糖濃度平均168gL。Fig 1 Corncob comysis of untreated, acid pretreated廣東化工2012年第2期260www.gdchem.com第39卷總第226期表4酶解糖化正交試驗(yàn)結(jié)果和分析Tab. 4 Results and aof enzymatic saccharification orthogonal exent ofcorncob底物濃度(gL)FPA: CBA/(IU mL)還原糖濃度(gL275.8實(shí)驗(yàn)7973289.68942611747108.25R27.79影響因素B>C>A2.4運(yùn)動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵酶解糖化液生產(chǎn)乙醇實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于酶解糖化過程在48℃恒溫中進(jìn)行,故重點(diǎn)考察運(yùn)動發(fā)酵 organosolv pulping; Preliminary evaluation of Process streams for manufacture單胞菌 Zmobilis,在35℃、40℃、45℃發(fā)酵糖化液生產(chǎn)乙醇的 of fuel-grade ethanol and co-Produets[!. Biotechnol Bioeng,2005,90:情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。473-481[4]Martin C, Galbe M, Whlbom C F, et al. Ethanol ProdUCtion fromEnzymatic hydrolysates of sugarcane bagass using recombinantxylose-utilizing 5, cerevisiae[J]. Enzyme Microbe Technol, 2002(31):35℃274-2840℃[S]Govindaswamy S, Vane L M. Kinetics of growth and ethanol production ondifferent carbon substrates using geneticayeast[J]. Bioresour Technol, 2006(98): 677-685[6]劉娜,石淑蘭.木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為燃料乙醇的研究進(jìn)展[門.現(xiàn)代化工2005,25(3):1922[7]夏黎明,可再生纖維素資源酶法降解的研究進(jìn)展門,林產(chǎn)化工通訊,1999,33(1):23-288陳洪章,纖維素生物技術(shù)[M,化學(xué)工業(yè)出版社,2005:1-2.[9JWyman C E. Biomass ethanol: Technical Progress, opportunities ancommercial challenges[J]. Biomass Annu Rev Energy Environ, 1999(24)189-226[10JYang B, Wyman C E Effect of xylan and lignin removal by batch and flowTime hourthrough Pretreatment on the enzymatic digestibility of corn stovercellulose[J]. Biotechnol Bioeng, 2004(86): 88-95圖2運(yùn)動發(fā)酵單胞菌在不同溫度下發(fā)酵酶解糖化液生產(chǎn)乙醇的[II]Hamelinck C N, Hooijdonk G, Faaij A P C. Ethanol from ligncellulolosic濃度曲線圖techno-economic performance in short-middle-andFig2 Ethanol concentration curve in different temperature mediumng-term[J]. Biomass Bioenerg, 2005(28): 384-410to ferment enzymatic hydrolysates using Z. mobilis[12] Kim S, Dale B E. Global Potential Bioethanol Production from wastedcrops and crop residues[]. Biomass Bioenerg, 2004(26): 361-375[13]賈樹彪,李盛賢,吳國峰.新編酒精工藝學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版生產(chǎn)乙醇最佳條件是35℃,48h,發(fā)酵液中乙醇濃度最高達(dá)678杜,20413[4馬贊華.酒精高效清潔生產(chǎn)新工藝M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20033結(jié)論[5朱躍釗,盧定強(qiáng),萬紅貴,等.木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展].生物加工過程,2004,2(4):116理3h,堿液洗滌后,再經(jīng)李氏木霉和黑曲霉產(chǎn)的纖維酶協(xié)同糖化20米美云,制漿造紙分析與檢測M.北京:化工業(yè)出版社,48h,酶解糖化液接種5%運(yùn)動發(fā)酵單胞菌 Z mobilis發(fā)酵48b[7江華,于兆海,里氏木霉纖維素酶系的分離及其酶學(xué)性質(zhì)門南京林發(fā)酵液中乙醇濃度達(dá)678gL。本研究為工業(yè)化生產(chǎn)纖維燃料提業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007(6):48-52供了參考。[18]Miller G L. Use of Dinitrosalicylic Acid reagent for Determination ofReduce Sugar[J]. Anal Chem, 1959(3): 426-428參考文獻(xiàn)[9林仁權(quán),胡文蘭,陳國亮,重鉻酸鉀氧化分光光度法測定酒中乙醇含量門.浙江預(yù)防醫(yī)學(xué),2006,18(3):78-79[I] Sun Y,=Hydrolysis of lignin cellulosicfor ethanolBioresour Technol, 2002(83)(本文文獻(xiàn)格式:王欲曉,莊文昌.玉米芯稀酸預(yù)處理和分步糖化P M. The end of cheap oil1998(3):發(fā)酵工藝生產(chǎn)燃料乙醇的中試研究[J].廣東化工,2012,39(2)258-260)中國煤化工CNMHG