甜高粱茎秆固态发酵生产燃料乙醇研究

第24卷第7期农业工程学报VoL 24 No.2008年7月Transactions of the CSaeJul.2008甜高粱茎秆固态发酵生产燃料乙醇研究康利平,刘莉,刘萍,胡锦荣,孙君社(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京100083)搞要:该文通过研究甜高粱茎秆M8E固态发酵生产燃料乙醇的主要影响因素,确定发酵条件为:耐高温酿酒酵母接种量为3%,发酵初始基质含水率为76%,添加0.25%CaCl2,0.25%MgSO4H2O,40℃发酵24h,乙醇得率为642g(100g)甜高粲茎秆,转化率为905%,残糖含量低于03%;添加10FUg纤维素酶和10CBU/gB葡萄糖苷酶进行同步糖化固态发酵,乙醇得率为753g(100g甜高粱茎秆,与不添加纤维素酶和B葡萄糖苷酶的相比,乙醇得率提高了14.6%关键词:甜高梁茎秆;国态发酵;燃料乙醇中图分类号:S2162文献标识码文章编号:10026819(2008)-7-0181-04康利平,刘莉,刘萍,等.甜高粱茎秆固态发酵生产燃料乙醇研究[J].农业工程学报,2008,24(7):181-184Kang Liping, Liu Li, Liu Ping, et al. Production of fuel ethanol from sweet sorghum stalks by solid-state fermentation]Transactions of the CSAE, 2008, 24(7): 181-184.(in Chinese with English abstract)0引言材料与方法甜高粱( Sorghum bicolor Moench L),又称糖高粱、1.1实验材料芦粟或甜秆,既是一种粮食作物、糖料作物,又是能源甜高粱茎秆:品种M8E,产地滨州,由山东滨州作物。每亩甜高粱产400-000kg富含糖分和纤维的茎光华生物能源有限公司提供,2006年5月种植,10月收秆,200~500kg的粮食籽粒,其中70%~80%的干重割,生长期为150d。新鲜甜高粱茎秆中含水率7280%组分可被利用生产燃料乙醇。随着国家对粮食燃料乙醇总糖含量1392%,粗纤维含量9.61%的限制,发展甜高粱燃料乙醇是发展清洁生物能源的重耐高温酿酒酵母:中国农业大学发酵工程实验室保要途径存菌种甜高粱茎秆液态发酵乙醇工艺已有广泛研究17,但纤维素酶:湖南尤特尔生化有限公司提供。其中滤存在着废液治理难、环境污染严重等问题,而固态发酵纸酶活200FPU/g,β葡萄糖苷酶酶活69cBUg具有能耗小,产物浓度高,产生废水少,运作费用低等Novoye188: Sigma公司购买,其中β葡萄糖苷酶优点9,而目前国内外对甜高粱固态发酵生产燃料乙醇的酶活301CBUL。研究仍较少, Mamma(0等人利用 Fusarium arysporun和斜面保藏培养基:2%葡萄糖,1%酵母膏,2%蛋白Saccharomyces cerevisiae混菌糖化发酵甜高粱茎杆,利用胨,0.2%KH2Po,01%MgSo47H2O,自然pH值,121Fusarium oxysporum产酶水解纤维素和半纤维素等不可灭菌5min溶性糖,其发酵周期非常长: bryan)时未火菌甜高粱茎种子活化培养基:2%葡萄糖,1%酵母膏,2%蛋白秆进行自然固态发酵,副产物较多;宋俊萍等对甜高胨,自然pH值,12l℃,灭菌15min粲茎秆直接粉碎固态发酵条件进行了研究,仅利用了甜1.2实验方法高粱茎秆中的可溶性糖发酵生产乙醇。本文通过对甜高1)固态发酵粱茎秆粉碎后固态发酵条件进行研究的同时,还探索了将甜高粱茎秆粉碎至粒度大小0.1~0.3cm。于纤维素酶对甜高粱茎秆同步固态发酵的作用,充分利用121℃,灭菌15min往500mL三角瓶中装入100g甜高甜高粱茎秆中的可溶性糖和部分纤维素发酵生产燃料乙梁粉碎茎秆,接入培养18h的种子培养基,根据发酵条醇,提高了甜高粱茎秆的乙醇得率,且在发酵时间、副件进行调节,塞上发酵栓,放入恒温箱静止发酵。实验产物及环境保护上具有优势,为将来甜高粱茎秆乙醇固设置两个重复态发酵工业化生产提供理论依据2)含水率测定将粉碎后甜高粱茎秆于60℃烘箱中烘干至恒重。根收稿日期:200709修订日期:200802-25据质中国煤化工作者简介;康利平(1983-),女,主要从事甜高粲茎秆生产燃料乙醇的研究。北京清华东路17号中国农业大学食品科学与营养工程学院,100083CNMH已醇,150w超声波50℃程方面的研究北京清华东路17号中国衣业大学食品科学与营养工程学分次浸提40m,过滤定容院,100083还原糖测定:DNs法18农业工程学报2008年总糖测定:浸提滤液用12NHC1于60℃水解7min,呼吸、传热等过程受到抑制:而发酵中后期,乙醇生成用1 N NaOH中和至中性,DNS法测定。同时产生的水,能够满足酵母发酵过程所需水分,和部4)粗纤维测定1分水分蒸发,因此只要考虑发酵过程的起始含水率即可5)乙醇含量测定从保护环境和节约成木的角度出发,选择基质含水率在将发酵后醪糟,用大约100mL的蒸馏水多次洗涤倒76%左右进行固态发酵比较合适入250mL的蒸馏烧瓶中,蒸馏,用50mL的容量瓶收集馏分,当馏分接近50mL时,停止蒸馏,用蒸馏水定容乙醇转化率一残糖含量气相色谱条件; PerkinElmer Autosystem xI,色谱柱:DikmaCap Capillary Columns(30m×053μm),柱升温程序:从38℃升温,10℃/min升温到60℃,20℃/min升温到150℃,30℃min升温到205℃,进样量1μ,分流比1:1,进样口温度200℃,检测器温度230℃,氢火焰离子检测器。6)发酵残糖含量测定:DNS法1固态发酵基质含水率/7)CO2失重测定:重量法。图2初始基质含水率对甜高粱茎秆固态发酵的影响Fig 2 Influence of original water content on solid结果与分析fermentation of sweet sorghum stalks2.1接种量对甜高粱茎秆固态发酵的影响2.3无机盐对甜高粱茎秆固态发酵的影响酵母菌在种子培养基中活化培养18h达生长对数期CaCl2和MgSO4被认为对微生物的生长和发酵影后,按甜高粲茎秆质量的1%,3%,5%,8%,10%6,响较大6,钙离子是一些酶的稳定剂和激活剂(如蛋白12%接入菌悬液,36℃,添加0.5%CaCl,02%酶等),它还能与果胶等杂质的作用,减小杂质对发酵过MgSO7H1oO,含水率74%,进行发酵。从图1可以得出,程的抑制:镁离子参与酵母代谢过程中许多反应,并且接种量为3%时,乙醇产率最高,100g甜高粱茎秆能够提供酵母中含硫氨基酸的成分。本文研究了CaCl2及生成614g乙醇,此时发酵基质中残糖含量也相对比较MgSO7HO对甜高粱茎秆固态发酵的影响分别在添加低,小于04%。而接种量过低或者过高,都不利于乙醇量为0.00%,0.25%,0.50%,1.00%,1.50%在36℃,湿的生成。可能当接种量较少时,酵母利用过多的营养物基含水量为76%进行实验,如图3,图4所示,当CaC2质进行组织分裂和生长,没有进入乙醇发酵途径;当接种量过大时,发酵空间及养分都不能满足酵母需要,影响最终乙醇产率。残糖含量t超5.50乙醇转化率8500残糖含量K0.250.501.001505caCl2添加量/图3CaCl2对甜高粱茎秆固态发酵的彩响图1接种量对甜高梁茎秆国态发酵的影响Fig 3 Influence of CaCl2 on solid fermentation1 Influence of different inoculation on solidof sweet sorghum stalksfermentation of sweet sorghum stalks10002.2基质含水率对甜高粱茎秆固态发酵的影响一乙醇转化率]08一残糖含量甜高粱茎秆在放置贮藏过程中,极易失水15,而060基质含水率是固态发酵过程中一个重要的因素,影响着酵母的生长代谢、传质导热,因此发酵过程中需要对基质进行水分调节。试验中调节甜高粱茎秆湿基水分含量至70%,72%,74%,76%78%80%,接种3%,添加中国煤化工05%CaC2,0.2%MgSO47H2O,36℃进行发酵。CNMH001.50从图2可以看出,随着基质含水率的增加,乙醇产gwxy量/率呈上升趋势,最后达到稳定状态。当发酵基质中含水率低于74%时,乙醇产率受到较大影响,主要原因是发图4MgSO47H2O对甜高粱茎秆固态发酵的影响Fig 4 Influence of MgSO,7H,O on solid fermentation酵前期,酵母繁殖生长需大量水分,当含水率低时,其of sweet sorghum stalks第7期康利平等:甜高粱茎秆固态发酵生产燃料乙醇研究和MgSO47H2O的添加浓度都为025%,乙醇转化率最发酵以20~24h合适。高,然而无机盐添加浓度过高时,发酵基质滲透压过高,不利于酵母的生长和发酵,使得乙醇转化率下降添加纤维素醇2.4发酵温度对甜高粱茎秆固态发酵的影响本文研究温度刈甜高粱茎秆固态发酵的同时,还研究了纤维素酶对固态发酵的作用效果。比较了添加酶(10FPUg纤维素酶和10cBU/g葡萄糖苷酶,以甜高粱茎秆干重计算)与不添加酶在各温度下固态发酵生产乙醇的情况,从表1可以看出,40℃发酵时乙醇得率均达到发酵时间/h最高,温度过低或过高都不利于乙醇生成,此时,添加图5甜高粱茎秆固态发酵过程中CO2的失重纤维素酶发酵的乙醇得率可达到753g/(100g)甜高粱茎g 5 COz emission in sweet sorghum stalks by solid秆,比不添加酶提高了148%各温度下加酶发酵的乙醇fermentation得率均高于未加酶发酵,这是因为在乙醇发酵的同时纤维素酶对甜高粱茎秆中大量存在的纤维素进行糖化分3结论解,从而生成了乙醇。而甜高粱茎秆中粗纤维含量约1)甜高粱茎秆固态发酵生产燃料乙醇最优发酵条件10%,与可溶性糖含量相差不大,可加酶同步糖化固态发为:耐高温酸酒酵母接种量为3%,发酵基质初始含水率酵过程中乙醇得率提高量不超过15%,说明发酵过程中为76%左右,发酵温度40℃,添加025%CaC2,025%纤维素的利用率非常低,原因还在于甜高茎秆纤维素MgSO47HO,发酵时间为24h,乙醇得率为642g(100g)没有经过预处理,结构紧凑,空间间隙小,纤维索酶甜高粱茎秆,转化率为90.5%,残糖含量为0.3%以下与之接触面积少,加上甜高粱茎秆本身含糖量高,底物2)在最优发酵条件下添加10FPUg纤维素酶和反馈抑制使纤维素酶水解效率低。10CBU/gB葡萄糖苷酶,进行甜高粱茎秆同步糖化固态添加纤维素酶进行固态发酵的残糖含量比不添加酶发酵,乙醇得率为753g/(100g甜高粱茎秆,与不加纤维要高,前者残糖含量0.6%左右,后者在0.3%以下。这素酶和β-葡萄糖苷酶的相比,乙醇得率提高了146%,残可能是酵母菌优先利用葡萄糖而使半纤维素分解产生的糖含量为05%左右木糖过剩造成,也可能是可溶性糖发酵完全后,纤维素3)将含水率728%,总糖含量1392%,粗纤维含量酶继续分解甜高粱茎秆的木质纤维素,产生还原糖,而9.61%的甜高粱茎秆粉碎,在优化条件下进行固态发酵,使得残糖含量较高不添加酶生产It燃料乙醇需要155t甜高粱茎秆;添加表1发酵温度对甜高粱茎秆固态发酵的影响10FPU/g纤维素酶和10 CBU/gB葡萄糖苷酶进行同步糖Table 1 Temperatures influence on solid fermentation of sweet化固态发酵生产1t燃料乙醇需要132t甜高粱茎秆sorghum stalks添加纤维素酶未添加纤维素酶1]黎大爵.调整产业结构,发展甜高粱乙醇燃料产业[门农乙醇得率戎糖含量乙醇得率残糖含量业工程学报,2003(19):168-17g·(100g茎秆)%g·(100g茎秆[2 Billa E, Koullas D P, Monties B, et al. Structure andcomposition of sweet sorghum stalk components[J]. IndustrialCrops and Products, 1997,(6): 297-302[3]刘荣厚,李金葭,沈飞,等.甜高粱茎秆汁液固定化酵母乙醇发酵的研究[门农业工程学报,2005,(21):137140[4]吕欣,段作营,毛忠贵.氮源与无机盐对高浓度乙醇发2.6甜高粱茎秆固态发酵发酵时间的确定酵的影响门西北农林科技大学学报(自然科学版),2003,根据酵母发酵途径,其反应方程式为CH12O6(31):159-163→2C2H3OH+2CO2↑由该式可知,CO2释放量:乙醇=22S沈飞.甜高粱茎秆汁液发酵制取乙醇的试验研究D].沈23,可以根据CO2的失重确定乙醇的发酵程度。甜高阳:沈阳农业大学,2006[6王锋,成喜雨,吴天祥,等.甜高粱茎秆汁液乙醇发酵粱茎秆发酵过程中,每隔2h称取发酵瓶重,得CO2失重及其经济可行性研究[门.酿酒科技,2006,(8):41-43.的曲线(图5),甜高粱固态发酵的发酵时间主要集中在[7B中国煤化工lication of第6~16小时,其中第10小时达到发酵的高峰,其中添ation of sweet stem加纤维素酶的失重比没有添加纤维素酶的要大。20h后CNMHGIndustrial Crops andProduCO2失重不明显,但添加纤维素酶的发酵瓶中CO2失重张管生.甜高粱茎秆制燃料乙醇工程路线探讨门.中外能仍缓慢进行,说明酵母仍在利用甜高粱茎秆中的木质纤源,2006,(11):104-107维素进行同步固态发酵,综合发酵时间和乙醇转化率,(⑨肖明松,杨家象.甜高粱茎秆固体发酵制取乙醇产业化示农业工程学报2008年范工程[农业工程学报,2006,(22):207-210[4】吴国峰,李国全.工业发酵分析[M,北京:化学工业出[10] Mamma D, Koullas D, Fountoukidis G et al. Bioethanol from版社,2006:29-30sweet sorghum. simultaneous saccharification and[]曹文伯.甜高粱茎秆贮存性状变化的观察[.中国种fermentation of carbohydrates by a mixed microbial culture业,2005,(4):43U. Process Biochemistry, 1996,(31): 377-381[16]张愿铭,刘荣厚,孙清,等,营养盐对甜高粲茎秆汁液乙[11] Bryan W L. Solid-state fermentation of sugars in swsorghum[]. Enzyme and Microbial Technology, 1990,(12)醇发酵的影响[门,农机研究,2005,(6):175-177437-442[17] Ballesteros M, Oliva J M, Negro M J, et al. Ethanol fromlignocellulosic materials by a simultaneous saccharification[2]末俊萍,陈洪章,马润宇,甜高粱秆圊态发酵制取乙醇的and fermentation process(SFS)with Kluyveromyces marxianus研究门,酿酒,2007,(34):81-84.CECT 10875] Process Biochemistry, 2004,(39): 1843[13]张龙翔,张庭芳,李令嫒,生化实验方法与技术(第2l848版川DM北京:高等教育出版社,1997Production of fuel ethanol from sweet sorghum stalks by solid-statefermentationing Liping, Liu Li, Liu Ping, Hu Jinrong, Sun Junshe( College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Bejing 100083, China)Abstract: Sweet sorghum stalks convert to fuel ethanol by solid-state fermentation with simple technology process anlow pollution. The paper mainly studied critical factors of solid-fermentation from sweet sorghum stalks to ethanol, theresults showed that under the optimum conditions, 3% inoculation, original water content about 76%, 0.25%CaCI,0. 25% MgSO4 7H2O, the ethanol yield was 6.42 g/(100 g) sweet sorghum stalks conversion rate was 90.5% at 40Cfor 24 h, and residue sugar was less than 0.3%. Adding 10 FPU/g cellulase, 10 CBU/g B-glycosidase for simultaneoussaccharification and fermentation, the ethanol yield was 7.53 g/(100 g)sweet sorghum stalks, which was enhanced by14.6% due to the bioconverserion polysaccharides to ethanolKey words: sweet sorghum stalks; solid-fermentation; fuel ethanol中国煤化工CNMHG