麦秆水解液发酵生产燃料乙醇的研究

酿酒科技2007年第12期(总第162期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2007No.12(To.162)麦秆水解液发酵生产燃料乙醇的研究金花',陆军,李涛',侯霖',朴敬惠’,刘一清1, Mette h.t.,张强3(1.吉林省轻工业设计研究院,吉林长春130021;2. Risoe National Laboratory, Technical University ofDenmark;3长春理工大学生命科学技术学院,吉林长春130022)摘要:对腐生真菌 Mucor indicus在湿氧化预处理的小麦秸秆水解液培养基中的生长及发酵产生酒精的性能进行了研究。结果表明,在厌氧条件下,乙醇对总糖的转化率和菌体生物量分别达到了037gg和0.12gg;好氧条件下,乙醇对总糖的转化率和菌体生物量分别达到0.33g和024gg;该菌株对水解液中发酵抑制剂甲酸、乙酸等有较强的耐受能力。关键词:微生物;腐生真菌 Mucor indicus;小麦秸秆;发酵;乙醇中图分类号:Q93-3;TS2622;TS2614文献标识码:A文章编号:1001-9286(2007)12-0025-03Study on Ethanol Production by Wheat Straw HydrolysateJIN Hua, LU Jun, LI Tao, HOU Lin', PIAO Jing-hui, LIU Yi-qing, Mette H T: 2 and ZHANG Qiang'(1Jilin Province Light Industry Design and Research Institute, Changchun, Jilin 130021; 2. Risoe National Laboratory, Technical Universityof Denmark; 3. Life Science and Technology College of Changchun Science and Technology University, Changchun, Jilin 130022, China)Abstract: The characters including the growth and ethanol-producing performance of zygomycete fungus Mucor indicus inwheat straw hydrolysate were investigated. The results indicated that the ethanol yield and the biomass yield of total con-sumed sugars reached 0.37g/g and 0.12 g/g respectively under anaerobic conditions, whereas 0.33 g/g and 0. 24 g/g underaerobic conditions, and the strain showed better tolerance of the inhibitors such as acetic acid and methyl acid produced inpretreatment processKey words: microbes; zygomycete fungus Mucor indicus; wheat straw; fermentation; ethanol乙醇作为燃料越来越受到人们的关注。目前生产乙1材料与方法醇的原料主要是含淀粉质的粮食及糖类作物,不仅生产1.1菌株成本高,而且长久以粮食作物生产燃料乙醇,必将给人M. indicus菌株由 Culture Collection University of类的粮食安全带来威胁。因此以地球上丰富的可再生资 Goteborg( Gothenburg, Sweden)提供。源如木材、农作物的秸秆等木质纤维原料生产燃料乙醇12原料近年来成为世界各国关注及研究的前沿课题采用湿氧化预处理的小麦秸秆水解液。木质纤维原料含有70%以上的碳水化合物,经过13酶制剂预处理水解即可产生供微生物菌体利用的单糖,经微生Cellubrix1.5L(87FPU/mL)由Novo、 nordisk提物发酵可生产乙醉纤维质原料的水解液中不仅有供。纤维素降解产生的大碳糖(主要是葡萄糖),还有半纤维14原料分析素降解产生的五碳糖(主要是木糖)。普通的酿酒酵母原料及预处理后的固体纤维部分采用强酸水解法s. cerevisiae只能利用葡萄糖产生乙醇,不能利用木糖,测定其中的各碳水化合物的含量;液体部分采用弱酸水因此原料的利用率不高。而腐生真菌M. indicus具有很解法测其中糖的含量。好的代谢葡萄糖和木糖的能力习。本文主要以小麦秸秆的水解液为原料,对M.indi中国煤化工( FPU/mL)来表示cus菌株生产乙醇的性能进行了研究。CNMHG基金项目:第十四届中丹政府间科技合作项目( Danida10062-2)。收稿日期:2007-1009作者简介:金花(1968-),女,硕土,高级工程师,主要从事生物质能源的研发工作,发表学术论文数篇。25酿酒科技2007年第12期(总第162期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2007N200162)1.6菌体生物量的测定好氧条件下,培养基中的木糖消耗了99%以上,而在厌发酵液在4000rmin下离心10min,水洗,再离氧条件下,分别只消耗了纯培养基和水解液中19%和心,105℃千燥24h。以单位耗糖产生的菌体生物量来36%的木糖。可见,菌体代谢木糖的过程是好氧过程。纯木糖培养基中,乙醇的转化率较低,是由于菌体消耗的17乙醇及残糖的测定木糖并非全部转化为乙醇,而是产生了木糖醇等中间代采用高效液相色谱(HPLC)法分析谢产物。结果与分析22不同营养盐对产乙醇能力的影响以秸秆生产乙醇的过程中,降低乙醇的生产成本至21不同培养基对茵体生物量及乙醇转化率的影响关重要,而添加过多的营养盐对菌体的生长及乙醇的产在好氧和厌氧条件下,利用秸秆水解液培养M.in-率有促进作用,但同时会增加乙醇的生产成本。生产乙dcw,同时以纯葡萄糖和木糖为培养基作对比,以考察醇过程中,碳源和氮源是两个重要的影响因素。因此添该菌株在水解液中菌体生物量的积累及乙醇的转化率,加不同的营养盐浓度及不同的氮源,以观其对乙醇产生结果见图1和图2。的影响。结果见图3和图4。0.45■葡萄糖如0.40.4811100%25% aUrea日木糖0.35904650%1mos口葡萄糖+木糖水解产物250.20.05合成培养基水解产物0乙醇量培养基图1厌氧条件下菌体生物量及乙醇转化率图3厌氧条件下不同营养盐对产乙醇能力的影0.45■葡萄糖0.51100%025% D Urea≥0.4目木糖■50%no0.35口葡萄糖+木糖0.3国水解产物0.25白N0.200.05合成培养基水解产物培养基乙醇量生物量图4好氧条件下不同营养盐对产乙醇能力的影响图2好氧条件下菌体生物量及乙醇转化率由图3和图4可知,厌氧条件下的乙醇转化率明显在含有葡萄糖和木糖的水解液培养基中,好氧和厌高于好氧条件下的乙醇转化率。以尿素为唯一营养盐和氧条件下,乙醇对总糖的转化率分别达到了037gg和氮源时,达到乙醇最高转化率时所需的时间较添加多种033g,菌体生物量达024g和012gg。在好氧条件营养盐的要长,而且葡萄糖消耗的速度也慢24h消耗下,菌体生物量高于厌氧条件(除了纯木糖培养基之外)掉初始葡萄糖的90%,但是乙醇的转化率却能达到下的菌体生物量但同时乙醇的转化率低是由于该菌04g以上。在水解液培养基中乙醇的转化率高于纯株在好氧条件下,能以产生的乙醇为碳源形成更多的培养基,是由于水解液中其他物质也被菌体利用产生乙菌体生物量叫。无论是纯培养基还是秸秆水解液,在好氧醇, Prosen等在木材水解液原料产乙醇的报道中也提到和厌氧条件下,菌体都能在24h之内消耗掉培养基中过类似的现象99%的葡萄糖,而木糖浓度却分别只降低了初始浓度的2.3中国煤化工影响14%和20%。一是由于菌体代谢木糖的过程较代谢葡CNMHG料需预处理后才易萄糖的过程复杂得多,二是当葡萄糖和木糖共存于培养于水解刀及性的平棚。平又中的原料是采用湿氧化基中时,该菌株更喜好葡萄糖为碳源。在培养120h后,预处理技术,与其他的预处理技术如汽爆法、湿热法等金花,陆军,李涛,侯霖,朴敬惠,刘一清, Mette HT.,张强·麦秆水解液发酵生产燃料乙醇的研究相比,工作温度和反应时间相似,但后者需要添加二氧between hemicellulose structure and enzymes required for化硫或硫酸作为催化剂吗,而湿氧化技术只需水和氧气hydrolysis In hemicellulose and Hemicellulases(Eds M. P或空气吗,而且可以防止产生过多糠醛和5-羟甲基糠醛Coughlan &G P. Hazlewood)[M]. Portland Press Research等发酵抑制剂叫。湿氧化预处理过程产生的主要是低分Monograph. 1993. 1-27.子的羧酸如甲酸、乙酸等抑制剂。抑制剂对发酵产乙醇1MiR, Edebol, Taherzadeh M J, Performance of RhizoRhizomucor, and Mucor in ethanol production from glucose,影响的结果见图5xylose and wood hydrolysates[]. Enzyme Micro. 2005, 36:294-300.[3] H.B. Klinke, B K Ahring, A SSchmidt, A B ThomsenBioresour].5[4] Y. Sun, J. Cheng, Bioresour[J]. Technol., 2002, 83,1-I1甲酸[5] M.H. Thomsen and J.N. Jacobsen, Dansk Kemi[]. 2006,排→+4+扫(3):32-35[6] Bickerstaff, G.F. Immobilization of enzynmes and cells[M]时间(h)[7] Thomsen, M.H., Thygesen, A, Jorgensen, H, Larsen, J, Chris-tensen, B H,& Thomsen, A B ) Preliminary results on opti-图5抑制剂对 W. indicis产乙醇的影响mization of polit scale pretreatment of wheat straw used in在水解液的培养发酵过程中,甲酸的浓度几乎没有coproduction of bioethanol and electricity[J] Applied Biochem-变化,而乙酸浓度却随发酵周期的延长而逐渐降低,当istry and Biotechnology. 2006, 129-132, 448-460培养到168h时,培养基中的乙酸浓度比初始浓度降低8] Nielsen, J, illadsen, J. and lider,. Bioreaction Engineering了42%,而对乙醇的产生影响并不显著。可见该菌株可Principles, 2 edn([M]. New York: Kluwer Academic/Plenum以利用秸秆水解液中的乙酸产生其他代谢产物,从而降Publisher, 2003[9 Tuite, M.F, Oliver, S.G. Biotechnology Handbook 4. Saccha低了发酵过程水解液中的部分抑制的作用。因此以Mindicus.为发酵菌株利用秸秆水解液为培养基发酵生产9 myces[M]. New York: Plenum Press,19sen, A,Thomsen, M.H., Thomsen, A B. Trials on the乙醇不需要脱毒工序,可降低生产成本。pilot scale pre-treatment plant(IBUS).-Pre3结论saccharification and bioethanol fermentationM. 200631M. indicus较酿酒酵母的显著优势在于不仅能利1 Prosen, EM, Radlein,D, Piskorz, J,Scot,Ds, and LeggR L, Microbial utilization of levoglucosan in wood pyrolyse用秸秆水解液中的葡萄糖,而且也能利用其中的木糖产as a carbon and energy source[J]. Biotechnol. Bioeng. 1993,生乙醇。42:538-54132秸秆水解液中存在一些由木质素和糖在预处理过2] Saddler,JN, Steam pretreatment of lignocellulosic residues程中降解产生的发酵抑制剂,如甲酸、乙酸等化合物,但M. CAB Intemational, Wallingford( Chapter3)1993M. indicus能利用水解液中的糖生长并将糖转化为乙3] Mcginnis.GD, Wilson, WW,Muen,CE, Biomass p醇,显示出该菌株很好的耐发酵抑制剂的能力。treatment with water and high-pressure oxygen. The wet-ox33M. indicus在只有尿素为营养盐的水解液培养基dation process[J]. Ind Eng. Chem. Prod Res Dev 1983, 22352-357中乙醇的转化率可达04gg以上。从而可降低乙醇的4Bime,AB, Olesen, A B, Enqvist, T,PpgA, Schmidt.生产成本。A.S., Pretreatment of wheat straw using combined wet oxida参考文献tion and alkaline hydrolysis resulting in convertible cellulose[I] Puls, J& Schuseil, J.Chemistry of hemicellulose: Relationshipand hemicellulose[J]. Biotechnol Bioeng. 1996, 49: 568-577贵州发布实施酱香型起在中国煤化工本刊讯:由贵州省质量技监局组织编制的酱香型白酒地方标准于年底发CNMHG与实施将对責州地域优势的普香型白酒产品和质量提供统一的技术规范,为促进责州省白酒产业的发展要定基础。据賁州省质量技监局标准化处负責人介紹,近年来,貴州各级质量技监部门着力于标准牝恭础工作,以促进地方特色食品产业发展。近年来,贵州省制修订的地方标准259个,仅今年已制订和列入计划制订的地方标准就有37个。(小小)