红薯干原料同步糖化发酵生产燃料乙醇的研究

第26卷第5期西科学Vol. 26 No 52008年10月JIANGXI SCIENCE0ct.2008文章编号:1001-3679(2008)05-0719-05红薯干原料同步糖化发酵生产燃料乙醇的研究方毅',印培民2,黄筱萍2(1南昌大学生命科学院,江西南昌330031;2.江西省科学院微生物研究所江西南昌330029)摘要:本研究以红薯干为原料,用同步糖化发酵(SSF)生产燃料乙醇的新工艺,应用 ackett-Bum_n实验设计筛选彩响乙醇发酵的重要工艺参数,然后通过Bx- Behnken实验设计确定各重要工艺参数的最佳水平。实验结果表明,彩响酒精产量的重要参数是初始pH、接种量和发酵温度。优化后的最佳工艺条件为初始pH4.4、接种量8.3%,发酵温度36.7℃,淀粉利用率达到89.25%。在此条件下进行50L发酵罐实验,48h其淀粉利用率达到89.12%。关键词红薯干;同步糖化;然料乙醇;响应面法(RSA)中图分类号:TK6文献标识码:AProduction of Ethanol by Simultaneous Saccharifictionand Fermentation from Sweet PotatoFANG Yi, YIN Pei-min, HUANG Xiao-ping(1. College of Life Science, Nanchang University, Jiangxi Nanchangnstitute of Microbiology, Jiangxi Academy of Sciences, Jiangxi Nanchang 330029 PRC)Abstract: The production of ethanol from sweet potato by simultaneous saccharification and fermentation(SSF)is presented. In the experiments, the kept parameters influencing ethanol fermentationwere screened out by Plackett-Burman design, then the optimum values of the parameters were de-termined by Box-Behnken design. The results suggested that the important parameters includedtial pH, inoculation amount and fermentation temperature. The optimum conditions were as followsitial ph at 4.42, inoculation amount as 8. 35%, and fermentation temperature 36. 69 C. Undersuch conditions starch utilization ratio can reach 89. 12% in 50 L ferment or at 48 h.Key words: Sweet Potato, Simultaneous Saccharifiction and Fermentation, Fuel ethanol, Responssurface analysis( RSA0前言的压力稳定粮食生产,增加就业和农民的收人减少环境污染而备受关注,并成为各国竞相研究能源问题是当今世界面临的最为重要的问题与开发的重要课题之一。我国在“十五”期间将之一,随着全球性能源短缺及石油危机的发生,寻开发燃料乙醇等石油替代品,节约石油资源的举找新的能源资源已成为当前世界各国决策层不可措列入了国家发展计划纲要,并在河南黑龙江和回避的紧要任务。生物质燃料乙醇作为一种可再吉林分别开展小麦燃料乙醇、玉米燃料乙醇的试生能源,其发展的背景和动力因能缓解能源危机生vTL中国煤化工国燃料乙醇采用收稿日期:2008-07-28;修订日期:2008-08-23CNMHG作者简介:方毅(198-),男湖南岳阳人南昌大学在读硕士研究方向为发酵过程的优化控制720江西科学2008年第26卷若干单一的粮食原料生产存在一定的片面性。出表1 Plackett- Burman实验设计因素水平及编码于原料多元化,燃料乙胖消费分布运输等因素考虑,我国未来的燃料乙醇项目重点应在南方地区因素变量编码水平未编码编码布设,并且其原料的选择应关注资源丰富的红薯H4)2S04/%X木薯等原料2l。CaC12/%甘薯( Sweet Potato)又名红薯(芋)、白薯液化温度/℃X3(芋)、番薯、红苕、地瓜、山芋等。甘薯在我国种糖化酶量/%X40.050.1植面广,全国除青藏高原外,各地均有种植,尤以黄淮平原、四川和东南措海各省山丘地带较为集初始pH中。我国甘薯种植面积为1000×10ha,总产约接种量/%X1.5×10°t,居世界之首。红薯所含淀粉浓度高,发酵温度/℃X且氮源丰富,很适合作为燃料乙醇的生产原料。发酵时间/h本文探讨了采用同步糖化发酵3( Simultaneous Saccharification and Fermentation,SSF)法,以从 Plackett- Burman实验筛选出的重要因红薯干为原料进行燃料乙醇生产的生产条件的优素,因素取值作进一步调整后,利用 Design-Ex化(借助统计软件),为工业应用提供依据。pert Version6.0.5(Stt-Ease,inc2001)进行Box1材料与方法- Behnken响应面法实验,最后验证模型的可信度和50L发酵罐的放大发酵实验。1.1菌种酿酒酵母( Saccharomyces cerevisiae)y-1,2实验结果与讨论江西省科学院生物技术有限责任公司保存。2.1PB实验12材料Plackett- Burman(PB)法是一种近饱和的2优质红薯干(江西省科学院生物技术有限责水平试验设计方法。它基于非完全平衡块原理,任公司红薯基地出产,淀粉含量6%左右),液化能用最少试验次数估计出因素的主效应,以从众酶(杰能科公司产品),糖化酶(杰能科公司产多的考察因素中快速有效地筛选出最为重要的几品),(NH4)2SO4(工业级)。个因素供进一步研究-。13主要实验仪器本文以淀粉利用率为响应值,选用实验次数气相色谱仪(岛津GL14B),旋转蒸发器(江为N=12的实验设计,对(NH)2SO,液化温度,苏常州),数显pH计( Sartorius PH-10)。CaCl2,糖化酶量,初始pH,接种量,发酵温度,发14实验内容与乙醇浓度检测方法酵时间进行考察,各因素水平依据单因素实验和1.4.1乙醇浓度检测取100g发酵液,倒人经验选取,结果见表2。500mL烧瓶中,再加人100g水,蒸发出100g液从表3的结果可知,初始pH和接种量对本酿体将蒸发出的液体加入内标物进行乙醇浓度的酒酵母产酒精影响最显著(P=0.0002<0.05),在检测。气相条件为:岛津C14B气相色谱仪G95%的概率水平上差异显著发酵温度次之(P=300色谱柱色谱柱起始温度70℃,最终温度0.0826<0.1),在90%的概率水平上差异显著,200℃,汽化室,热导检测器的温度均200℃。且初始pH对乙醇产生为负影响,随着pH的升1.4.2实验内容先通过单因素实验确定了红高,乙醇产量降低;接种量与发酵温度均为正影薯干粉发酵的最适加水比(1:4,综合考虑酒精响随着其两者的升高,乙醇产量也升高。而其他度和淀粉利用率),粉碎度(40目),添加氮源的种因素则在90%的概率水平上差异均不显著,对乙类(NH4)2SO4),再利用JMP软件( version40.醇产率贡献不大结合上表的t值检验结果,从经5, SAS Institute Inc..1989-201)中的 Plackett-济角廿C-液化温度,糖化Burman法从8个因素中筛选出重要因素,各因素酶量中国煤化工码水平编码水平见表1。值)。CNMHG第5期方毅等:红薯干原料同步糖化发酵生产燃料乙醇的研究721表2 Placket- Burman法实验设计和结果x3淀粉利用率/%8482.86.81∞1347200911表3 Plackett- Burman实验的效应评价代码因素t值Prob> ItI重要性(NH4)2SO4/%0.3液化温度℃120.270.80817586糖化酶量%0.3436初始pH接种量/%23.270.0002发酵温度/℃3.770.0826发酵时间/h0.22362.2Box- Behnken响应面法实验计,实验安排情况和结果见表5。依据 Plackett- Burman实验结果与实验因子表5响应面分析实验设计及结果水平动态预测图取值进行Box- Behnken响应面淀粉利用率法实验,各水平如4表。实验号A实验值预测值表4Box- Behnken实验因素水平及编码88.38188.7088.53因素变量编码水平编码编码0187.6287.44初始pH.22接种量/%B610101088.3388.32发酵温度℃086.878707087.9587000087.8787.67设该模型通过最小二乘法拟合的2次多项方0088.6088.77程为:1188.91Y=c+∑ax+∑bx0088.85088.8088.式(1)中Y为预测响应值,即淀粉利用率的预测187.1587值;x和x为自变量编码值;c为常数项;a为线5中国煤化工88.86性系数;b为2次项系数;n为因子数,本试验中CNMH为3。使用 Design- Expert进行Box- Behnken设722江西科学2008年第26卷通过表5中淀粉利用率试验数据对方程(1)预测值能与试验值具有高度相关性。在这个试验进行多元回归拟合,获得红薯同步糖化发酵乙醇中,R2=0.9677,表明仅有不到4%的酒精产量试验中淀粉利用率对编码自变量初始pH、接种量不能由该模型解释和发酵温度的2次多项回归方程(2)同时由表6可见,3个试验因素对淀粉利用淀粉利用=9708+9.02A+2.26B-1.850C率的曲面效应皆显著;温度和pH的交互影响显1014A2-0.129B2+0.027C2+3.75E-0.03AB著而其它两两交互皆不显著;初始pH和发酵温8.333E-0.04AC-2.5E-0.03BC(2)度两因素对淀粉利用率线性影响效应显著,但接从该模型的方差分析(表6)可见,“ Model种量线性影响效应不显著,原因可能是在响应面Pob>F”等于0.0019远小于0.05,说明模型是试验中已将接种量范围缩小在一个较合适的区重要的。一般认为,相关系数R2大于0.9,表明间所以接种量的变化影响已不显著表6淀粉利用率回归方程系数及显著性检验模型项系数估计标准误差平方和均方F值PIntercept88.910.110.180.260.07590.0280.1273.39<0.0010.00330.240.120.250.0787AB7.500E-0030.122.250E-0042.250E-0043.814E-0030.95252.500E-0030.122.250E-0052.250E-0044.238E-0040.98140.0150.122.25E-0042.25E-0040.0150.90522.3模型验证2.4最佳发酵条件为验证淀粉利用率模型方程(1)的合适性和通过对淀粉利用率曲面方程(2)求解得知,有效性,在初始pH接种量和发酵温度试验水平在初始pH为4.4、接种量为8.3%、发酵温度为范围内,选择性地进行了6组不同组合验证实验36.7℃时,红薯干同步糖化发酵产乙醇的淀粉利(表7)。利用SPSs( version10.0, SPSS In.USA)用率最大预测为8925%;对最佳点进行摇瓶验软件对表中数据进行距离相关分析得知,淀粉利证试验,结果乙醇浓度达到8.1%,淀粉利用率为用率实测值与预测值的相关系数r为0.9516,证89.38%,表明预测值与验证试验很接近。明此模型是合适有效的。2.550L罐放大发酵试验表7模型验证利用优化后的条件(适当调整初始pH、接种姐号初的种量发画度直程围值量和发酵温度分别为44、8%和37℃)进行50L发酵罐的放大实验发现在48h处发酵基本完1428.5368708860成,乙醇浓度不再增加,计算其原料的淀粉利用24.53788.6888.71率,可以达到8912%,且乙醇浓度为7.9%,残糖88.5788.48浓度为2.47g/L,说明优化后的条件同样适合于50L发酵罐的生产。54.58.53中国煤化工4.8CNMHGm1实验设计选出的重要因素再用响应面法建立了红薯干同步糖第5期方毅等:红薯干原料同步糖化发酵生产燃料乙醇的研究723·化发酵产生乙醇时淀粉利用率的2次多项数学模发酵生产乙醇[J].过程工程学报,005,5(3):352型。通过对模型方程的求解及方差分析,获得了356.的最佳发酵工艺条件,即在初始pH、接种量和发酵4】欧宏字,贾土需,sAs敏件在微生物培养条件优化温度分别为4.48.3%和36.7℃时红薯干同步糖中的应用[]天津轻工业学院报,2001,36(1):14化发酵产乙醇的淀粉利用率最大预测为892%,并18[5]胡永红,沈树宝欧阳平凯响应面分析法用于微生验证了模型的可信性。物培养基浓度的优化[].工业微生物2002,32许多研究工作表明,合理地使用优化方法,尤(1):9-12其是 Plackett- Burman和响应面分析法,在微生[6]郝学财,余晓斌,刘志钰,等响应面方法在优化微物培养基的优化工作中能取得良好的效果。通过生物培养基中的应用[J].食品研究与开发,2006,对RSM的研究表明,研究工作者可以在更广泛的27(1):38-41.范围内考虑因素的组合,以及对响应值的预测,而[7] Quinn Gerry P, Keough Michaei J. Experimental Design均比一次次的单因素分析方法更有效。and Data Analysis for Biologists[M]. New York: Cam-bridge University Press, 2002参考文献:[8] Bandaru VV R, Somalanka S R, Menduc D R, et al[1]杜连起,张红新试论我国甘薯加工产业化[J]河Optimization of fermentation conditions for the produc-北职业技术师范学院学报,2002,16(2):61tionof ethanol from sago starch by co-immobilized[2]傅学政朱薇管天球我国红薯生产燃料乙醇的amyloglucosidaseand cells of Zymomonas mobilis usingresponse surface methodology [J]. EMicrob综合效益分析[].湖南科技学院学报,2006,27Technol.2006,38:209-214.(11):183-18[3]刘振,王金鹏张立峰,等.木薯干原料同步糖化(上接第696页)[12]潘黔生,方之平四种鲤科鱼类肠道中胃泌素免疫1995,41(2):167-172活性细胞的免疫组织化学定位及比较[冂]华中农[19]张席锦生长抑素[A].王志均胃肠激素[M].北业大学学报,1988,7(3):238-242.京:科学出版社,1985[13]方之平潘黔生,聂秀云,等两种有胃真骨鱼胃肠[20] Pan QS, Fang ZP, ZhaoYi. Immunocytochemical i胰系统中内分泌细胞的鉴别与定位[].华中农业dentification and localization of APUd cells in the gut大学学报,1997,16(6):594-5of seven stomachless teleost fishes[J]. World Journal[14]方之平,潘黔生,赵雅心,等.鲇、乌鳢和大口黑鲈of Gastroenterology, 2000,6(1): 96消化道粘膜中内分泌细胞的定位及比较[C].中[21] Rombout J H, Reinecke M. Immunohistochemical lo-国动物学会,中国动物科学研究(中国动物学会成cation of neuro-) peptide hormones in endocrin立65周年论文集)[M].北京:林业出版社,1999cells and nerves of the gut of a stomachless teleost[15]王寿昆,李君秋林建斌,等褐牙鲆消化道内分泌fish, Barbus conchonius( Cyprinidae)[J]. Cell Tissue细胞免疫组织化学的定位[冂].福建农林大学学报Research,1984.237:57-65(自然科学版),2007,36(2):171-175[22]方永强翁幼竹胡晓霞,等鲻鱼胃肠道内分泌细[16]林树根,黄小华吴德峰花鲈消化道内分泌细胞胞免疫组织化学的定位[J].水产学报,2002,26的鉴别和定位[J].水生生物学报,2005,29(1):7(6):481-485[23]舒妙安徐海圣,朱有法,等.黄鳝胃肠的生长抑素[17]张金花泰山螭霖鱼肠道组织学和免疫组织化学分泌细胞及超微结构[J].水产学报,2002,26(3)的研究[D].泰安:山东农业大学,20206-212[18]潘黔生方之平樊启学等鲢、鳙银鯽和团头鲂[24]王志均梅懋华朱文玉胃肠激素(第一版)[M]肠道G细胞定位与免疫组化研究[]动物学报,北京:北京科学出版社,1985.中国煤化工CNMHG