玉米芯稀酸预处理和分步糖化与发酵工艺生产燃料乙醇的中试研究

广东化工2012年第2期www.gdchem.com第39卷总第225期玉米芯稀酸预处理和分步糖化与发酵工艺生产燃料乙醇的中试研究王欲晓,庄文昌(徐州工程学院化学化工学院徐州市生物质燃料工程技术研究中心,江苏徐州221000摘要]利用正交试验在中试水平考察了玉米芯的稀硫酸预处理和分步糖化与水解生产乙醇的工艺。结果:最佳预处理工艺为稀硫酸浓度物,pH=50,48h:利用运动发酵单胞菌发酵酶解液,35℃,48h,发酵液中乙醇浓度最高678“:纤维二糖酶活=20Ug底物:7g底1.1%,温度120℃,固液比1:8,时间3h;酶解糖化最佳工艺为:起始底物浓度180g,滤纸酶[关键词燃料乙醇:中试生产:玉米芯;稀酸预处理:分步水解与发酵[中图分类号TQ[文献标识码]A文章编号]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储量有限加,而1.3主要仪器设备年6月客开的国际可再生能源会议提出了全球应该加速实现从矿耐强酸糖瓷反应金101,山东省博太极集闭:袋式过滤器物能源时代向可再生能源过渡的发展战略。许多国家开始制定或调SHL-2P2S,浙江省海宁过滤设备有限公司;酶解-发酵罐整能源政策,把生物能源的研究和开发摆在了重要的位置。生物燃 RTY-MS-100L,江苏省镇江日泰生物工程设备有限公司:板框压料乙醇作为安全、洁净的燃料及汽油添加剂目前己经备受关滤机SHF150,浙江海宁过滤设备有限公司;高压蒸汽灭菌锅大力发展乙醇与汽油的混合燃料势在必行YXQ-LS-18SI,上海博迅实业有限公司:紫外/可见分光光度计传统的乙醇发酵工业主要以玉米、小麦等粮食淀粉或甘蔗汁为UV751GD,上海分析仪器总厂。原料,但其原料成本高达总成本的40%。而中国地少人多的国情14实验方法现状,也决定了基于粮食为原料的乙醇大规模生产必将导致“与人畜(1)取玉米芯样品经烘干恒重,定量分析纤维素、木聚糖和木争粮,与粮食争地”的不利局面。在我国利用甘蔗等糖料作物生产质素的含量燃料乙醇也将受到土地资源和原料成本的限制而无法大规模推广(2)原料经粉碎机9FZ-35粉碎后过9目(1981μm)筛,取适量木质纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。全世界每样品按正交设计要求(见表1),以纤维素含量、木聚糖去除率和酸年通过光合作用产生的木质纤维生物质高达1000亿t,其中89%目不溶木质素去除率为指标,在100L反应釜进行稀硫酸预处理试前尚未被人类利用,我国的木质纤维原料也非常丰富,每年仅农申(按最佳条件预处理后,样品经袋式过滤器过滤,再用2%渣,每年可利用的木质纤维原料总量可达20亿t以上。木质纤维原的氢氧化钠溶液65℃下处理2h,再经板框压滤,固体渣洗至中料中纤维素约占干重的35%45%,半纤维素约占20%40%,采性,风干备用。取样品烘干恒重,定量分析纤维素、木聚糖和酸用适宜技术将它们水解成可发酵性糖,进一步发酵生产乙醇2,有不溶木质素的含量可能改变传统的生产方式,对我国经济和社会的可持续发展具有十糖为指分重大的意义在100L酶解罐内自动流加酸液调节pH为5,48℃恒温进行酶解文章以玉米芯为原料生产燃料乙醇进行了中试研究,分别考察糖化试验了稀酸预处理和分步水解与发酵工艺工艺,确定了各自最佳条件。(5)运动发酵单胞菌 Amabilis在种子液培养基中培养至OD6o1材料和方法为04时制成种子液,以5%的接种量接种到100L发酵罐内的酶1.1实验原料解糖化液,以酶解糖化液中的还原糖为碳源,按发酵培养基配方原料:玉米芯,取自江苏省铜山县张集镇,自然风干备用。添加营养成分,分别在35℃、40℃、45℃发酵60h,考察发酵1.2纤维酶、菌种和培养基液中乙醇浓度。纤维酶原液1:滤纸酶活( filter paper activity,FPA)为60FPIU/mL,由里氏木霉(Tree生产;纤维酶原液2:纤维二糖酶活表1玉米芯稀硫酸预处理4因素3水平正交试验设计Tab 1 Design of factors and levels of orthogonal experiment designwb%种子培养基①:葡萄糖10%,醉有0保llobiase activity,CBA)为30cBI/mL,由黑曲霉( Aspergillus运动发酵单胞细菌( Zymomonas mobil:本实for dilute sulfuric acid hydrolysis c因素A因素B因素C因素D0.10%,磷酸二氢钾0.10%,硫酸镁0.05%,28℃培养稀硫酸浓度%温度C时间/固液比Amabilis发酵培养基(W:酶解液还原糖,酵母膏0.90%,磷酸二氢钾0.10%,pH50110中国煤化工收稿日期]2011204YH基金项目]江苏省重大科技支撑和自主创新项目(BE2008121)CNMHG[作者简介王欲晓(973-),男,江苏徐州人,工学硕士,高级工程师,主要从事生物化工研究。*为通讯作者2012年第2期广东化工第39卷总第226期www.gdchem.com259表2纤维素酶解糖化3因素3水平正交试验设计[M].GBT26779-94;酸不溶木质素含量测定按照中华人名共和Tab 2 Design of factors and levels of orthogonal experiment for国国家标准造纸原料酸不溶木质素含量的saccharification of cellulosM.GBT2677894:酸溶木质素含量测定按照文献的测定因素C1.52纤维素酶活定量分析方法时间h底物浓度(gL)FPA:CBA(UmL)酶活力定义:在标准反应条件下,1min内将底物转化生成1120umol产物所需要的酶量即为1个酶活单位,单位为UmL滤纸酶力(FPA)测定按照工业酶制剂通用试验方法M]QBT15020:71803~1993;纤维二糖酶活力(B葡萄糖苷酶活)测定参照文献。1.53还原糖、乙醇和菌体浓度定量分析方法还原糖总糖含量测定参照文献DNS法;乙醇含量测定参照15分析方法文献重铬酸钾氧化分光光度计法;菌体浓度定量分析方法:以1.5.1样品主要成分定量分析方法不接种的培养基为对照,用分光光度计测发酵培养基ODb值。样品含水率测定按照中华人名共和国国家标准造纸原料水分2结果和讨论的测定M1.GBT2672-93;纤维素含量按照文献;戊聚糖含量测定按照中华人名共和国国家标准造纸原料多戊糖含量的测定2.1稀酸预处理正交试验结果表3稀硫酸预处理玉米芯正交试验结果和分析因素稀硫酸浓度%温度/时间h固液比纤维素含量彫戊聚糖去除率%木质素去除率指标2指标实验146.5实验2266.187.9实验367992,9实验2286.1实验6实验758.6实验860.679实验9指标60.127060.346.58l1.1812.222最优条件C3 B2 A3 D3KI68.2346.3759.8066.538447753776.77指标K378.4386,2081.7773.6321.910.23影响因素B>C>D>A最优条B3 C3 D2 A3274015.20.1326.06K227.90339632.3029.23指标K35627.700.5018.769.733.16B>C>D>A最优条件B2 C2 A2 D2由表3结果看出,稀硫酸预处理玉米芯,纤维素含量在实验3最高为6790%,其影响因素由高到低依次是:时间>温度>酸浓由高到低依次是:温度>时间>固液比>酸浓度。木质素去除率在实验2最高为6790%,其影响因素由高到低依次是:温度>时间2 acid pretreatment>固液比>酸浓度D alkali treatment综合比较,稀硫酸预处理主要是去除样品中戊聚糖和提高纤维素含量,所以预处理最佳条件为温度120℃,稀硫酸浓度1.1%,固液比1:8,时间3h。此条件下平行试验3次,平均值为:戊聚糖去除率787%,纤维素含量由32.3%上升到62,3%22玉米芯3种主要成分在酸、碱处理前后的定量分析由图1可以看出,玉米芯经酸碱处理,纤维素含量最终上升到667%,戊聚糖去除了72.6%,木质素去除了629%。为下面的酶解糖化创造了良好条件。2.3酶解糖化正交试验结果由表4结果看出,酶解糖化实验9还原糖浓度最高为120.6gluosegL,其影响因素由高到低依次是:底物浓度>FPA:CBA>时间综合考虑,酶解糖化在以下工艺条件运行:罐中初始底物浓度为中国煤化工l80g/L,添加滤纸酶活为20FPU:1g底物,12h流加纤维二糖酶活为7CBIU:1g底物,酶水解过程中补充底物至180gL,pH图1酸碱HCNMH量保持5,恒温48℃,48h。试验3次,还原糖浓度平均168gL。Fig 1 Corncob comysis of untreated, acid pretreated广东化工2012年第2期260www.gdchem.com第39卷总第226期表4酶解糖化正交试验结果和分析Tab. 4 Results and aof enzymatic saccharification orthogonal exent ofcorncob底物浓度(gL)FPA: CBA/(IU mL)还原糖浓度(gL275.8实验7973289.68942611747108.25R27.79影响因素B>C>A2.4运动发酵单胞菌发酵酶解糖化液生产乙醇实验结果由于酶解糖化过程在48℃恒温中进行,故重点考察运动发酵 organosolv pulping; Preliminary evaluation of Process streams for manufacture单胞菌 Zmobilis,在35℃、40℃、45℃发酵糖化液生产乙醇的 of fuel-grade ethanol and co-Produets[!. Biotechnol Bioeng,2005,90:情况,实验结果见图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]刘娜,石淑兰.木质纤维素转化为燃料乙醇的研究进展[门.现代化工2005,25(3):1922[7]夏黎明,可再生纤维素资源酶法降解的研究进展门,林产化工通讯,1999,33(1):23-288陈洪章,纤维素生物技术[M,化学工业出版社,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图2运动发酵单胞菌在不同温度下发酵酶解糖化液生产乙醇的[II]Hamelinck C N, Hooijdonk G, Faaij A P C. Ethanol from ligncellulolosic浓度曲线图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]贾树彪,李盛贤,吴国峰.新编酒精工艺学[M].北京:化学工业出版生产乙醇最佳条件是35℃,48h,发酵液中乙醇浓度最高达678杜,20413[4马赞华.酒精高效清洁生产新工艺M].北京:化学工业出版社,20033结论[5朱跃钊,卢定强,万红贵,等.木质纤维素预处理技术研究进展].生物加工过程,2004,2(4):116理3h,碱液洗涤后,再经李氏木霉和黑曲霉产的纤维酶协同糖化20米美云,制浆造纸分析与检测M.北京:化工业出版社,48h,酶解糖化液接种5%运动发酵单胞菌 Z mobilis发酵48b[7江华,于兆海,里氏木霉纤维素酶系的分离及其酶学性质门南京林发酵液中乙醇浓度达678gL。本研究为工业化生产纤维燃料提业大学学报,2007(6):48-52供了参考。[18]Miller G L. Use of Dinitrosalicylic Acid reagent for Determination ofReduce Sugar[J]. 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