乙醇及發酵廢液預處理秸稈條件的研究

馬英輝,王聯結,李遠兵

(陜西科技大學生命學院,陜西西安 710021)

乙醇及發酵廢液預處理秸稈條件的研究

馬英輝,王聯結＊,李遠兵

(陜西科技大學生命學院,陜西西安 710021)

利用酒精廠的乙醇發酵廢液對小麥秸稈進行預處理,處理液仍在本廠回收后再利用,這樣有助于降低預處理成本,促進纖維素乙醇的發展。經實驗,處理小麥秸稈的最佳條件為乙醇、雜醇油體積比為 1∶1,處理溫度 110℃,處理時間為200min,處理后的秸稈酶解率達到83.3%,比直接酶解高出近50%,但由于纖維糖化液中抑制發酵成分的存在,使得發酵的酒精度只有 6%左右。

發酵廢液,小麥秸稈,預處理,條件研究

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥秸稈 1～2cm;雜醇油、釀酒高活性干酵母南陽天冠酒精廠;纖維素酶 2000u/g。

玻砂漏斗 G2、G3;電熱鼓風干燥箱 101-1型;電子天平 Bs223s;722分光光度計。

1.2 實驗方法

用乙醇及其發酵廢產物(雜醇油)按照一定比例混合,對小麥秸稈進行浸泡蒸煮,浸泡蒸煮后參照文獻[6],測定木素的溶解率和碳水化合物的保留率,確定最佳的處理條件 (乙醇與雜醇油濃度比、溫度、時間),然后選取最佳的條件對秸稈進行預處理,處理后用纖維素酶進行水解,用DNS法還原糖標準曲線測定還原糖的得率,如圖 1,并進行簡單乙醇發酵實驗,用比重法測定酒精產率。

圖1 葡萄糖標準曲線

2 結果與分析

2.1 乙醇與雜醇油比例梯度實驗

按乙醇與雜醇油比例 0∶10、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1、10∶0配制浸泡液 250mL,分別加入 5g秸稈,在 100℃下蒸煮 5h后,濾出秸稈并干燥,測木素溶解率和碳水化合物的保留率。

從圖 2來看,處理液乙醇與雜醇油的比例對于木素的溶解有相對較大的影響,而對碳水化合物的作用不是很明顯,這是由于乙醇和雜醇油在處理過程中,對木素具有選擇性溶解;另外作為乙醇發酵廢液主要成分雜醇油的加入,能夠使得處理液溶解木素的能力更強,因為異戊醇在雜醇油中占 50%以上,它比乙醇的親質性能更強。

圖2 處理液對降解秸稈的影響

2.2 處理溫度實驗

將乙醇和雜醇油按照 4∶6的比例混合,配制成250mL的處理液,放入 5g小麥秸稈,分別在 40、60、80、100、120、140、160℃下作蒸煮處理 5h,處理后過濾測定各個溫度下秸稈木素的降解率和碳水化合物的保留率。溫度是一個非常敏感的因素,它的變化無論是對木素的溶解率還是碳水化合物的保留率都有非常明顯的影響,見圖 3。處理溫度在 100℃以上時,隨溫度的增加,木素的溶解量增率下降,而處理溫度在 80～100℃時,碳水化合物的保留率處于相對平穩的狀態,因此在 100℃左右應該是較為合適的溫度。

圖3 處理溫度對降解秸稈的影響

2.3 處理時間實驗

將乙醇和雜醇油按照 4∶6的比例混合,配制成250mL的處理液,放入 5g小麥秸稈,在 100℃下作蒸煮處理 500min,每隔 50min測定秸稈木素的溶解率和碳水化合物的保留率。圖 4中顯示,木素主要集中在前 200min,處理時間達到 200min后木素的溶解增長率緩慢,而碳水化合物在 150min左右保留率在70%左右,主要是部分半纖維素溶解,在 250min后碳水化合物溶解急劇增強,因此處理時間保持在200min左右為好。

圖4 處理時間對降解秸稈的影響

2.4 正交實驗及結果

根據以上單因素實驗,確定正交實驗的因素及水平,見表1。

表 1 秸稈預處理條件正交實驗因素水平表

將正交實驗處理后的秸稈用熱的乙醇沖洗后,再用熱的蒸餾水沖洗,洗至沖洗液呈中性,然后在pH=4.5的檸檬酸緩沖溶液中用纖維素酶進行水解,溫度為 55℃,加酶量為 28u/g(干物質),水解 10h后測定吸光值,利用葡萄糖標準曲線計算還原糖得率,如表2。

表2 秸稈預處理正交實驗結果及分析

從表 2的極差分析可以看出,影響處理秸稈的因素依次為溫度 ＞時間 ＞乙醇∶雜醇油比例;處理的最佳條件為：乙醇∶雜醇油為 5∶5,溫度為 110℃,處理時間為 200min。

2.5 酶解發酵實驗

取 10g秸稈,在最優的處理條件 (5∶5、110℃、200min)下對其進行預處理,然后用纖維素酶在 55℃下水解 10h,同時取未處理的在相同條件下用酶水解,還原糖得率分別為35%和16%,纖維素的糖轉化率為 83.3%和 38%,說明預處理脫出了部分木素,減少了木素對纖維素酶分子的空間阻礙和無效吸附,使得酶解率有所增加。

取 1000mL三角瓶 6個,分別編號,加入 500g酒精發酵液體培養基 (蛋白胨 3.5%、酵母粉 4%、尿素0.15%,1～3號加入酶解后的糖化液,使培養基糖濃度為 20%,4～6號加入固體葡萄糖,使其保持同樣的濃度)滅菌后,按 10%的接種量接入活化后的高活性干酵母,放在 35℃下靜止發酵,待三角瓶重量平均每小時的減少量小于 0.2g/h時,發酵結束,測定酒精度和殘糖量如表 3,用纖維素糖化液發酵的效果明顯不如用純葡萄糖發酵,表現為發酵不徹底,殘糖量過高,主要原因是在糖化液中殘留抑制發酵的成分存在,主要來自于秸稈的預處理階段。

表3 發酵醪液酒精度和殘糖量

3 結論

對秸稈的預處理方法多種多樣,但由于它的特殊結構,至今為止,還沒有一種方法能夠達到工業化的水平,此法是受到造紙工業中乙醇制漿的啟發,利用酒精廠的發酵雜質以及變酸的酒精作為處理液來對小麥秸稈進行部分木素移除,以提高纖維素酶的水解效率。處理的最佳條件為：乙醇∶雜醇油為 5∶5,溫度為 110℃,處理時間為 200min,處理后酶解率為83.3%,另外,在此強烈處理條件下,半纖維損失率達到 60%以上,怎樣緩和處理條件,既能有效移除木素,又能減少碳水化合物的損失以及消除降解糖液中抑制發酵因子是今后研究的重點。

[1]陳洪章 .秸稈資源生態高值化理論與應用[M].北京：化學工業出版社,2006.

[2]王大山 .發展生物質氣話利用可再生能源[J].農村能源, 1998(6)：18.

[3]唐衛軍,肖波,楊家寬,等 .生物質轉化利用技術研究進展[J].再生資源研究,2003(4)：30-32.

[4]GharpuraryM M,Lee Y-H,Fan L T.Structural modification oflignocelluloseicsby pretrea tments to enhance enzymatic hydrolysis[J].BiotechnolBioeng,1983,25：157-172.

[5]Sinitsyn A P,GusakovA V,Vlasenko E Y.Effect of structural and physico-chemical features of cellulosic substrates on the efficiency of enzymatic hydrolysis[J].Appl Biochem Biotechnol, 1991,30：43-59.

[6]劉書釵 .制漿造紙分析與檢測[M].北京：化學工業出版社,2003：21-30.

Study on pretreatm ent condition of wheat straw w ith ethanol and ferm entation wastewater

MA Y ing-hui,WANG L ian-jie＊,L IYuan-bing
(College ofLife Science and Engineering,ShaanxiUniversity of Science and Technology,Xi’an 710021,China)

Us ing e thanol and fe rm enta tion was tewa te r from e thanol fac tory for p re trea tm ent of whea t s traw,the p re trea tm ent solution could be recove ry for use aga in,so it reduced the p rice of p re trea tm ent and p rom otes the deve lopm ent of ce llulose e thanol.Afte r tes ting,the bes t trea tm ent cond itions ofwhea t s traw was the volum e ra tio of 1∶1for e thanol and fuse l,trea tm ent temp e ra ture110℃,the p rocess ing t im e for200m in,the p re trea tm ented s traw hyd rolys is ra te was83.3%,highe r nea rly50% than the d irec t hyd rolys is.Howeve r,because of exis t of subs tances for inhib ition fe rm enta tion,the e thanol deg ree was only about6%.

fe rm enta tion was tewa te r;whea t s traw;p re trea tm ent;cond ition resea rch

TS210.1

B

1002-0306(2010)03-0317-03

能源問題是現在全世界都面臨的一個非常嚴重的問題,它是關系到國際社會安全和經濟社會可持續發展的中心議題。秸稈乙醇發酵是解決未來能源問題的重要途徑,普遍受到各國的青睞,但是秸稈預處理技術的不成熟成為限制秸稈高值化利用的瓶頸。秸稈年產量約占生物質年產量的一半以上,秸稈中約 70%為碳水化合物 (水解后可生成可發酵性糖),20%左右為木素 (多種化工產品的原材料)[1],然而由于秸稈細胞壁纖維素的絲狀結晶結構以及與木素嵌入式的連接,我國秸稈利用率只占發達國家利用率的 35%左右[2-3],怎樣對秸稈進行預處理,低成本的把它所含的纖維素和半纖維素轉化為可發酵性糖是各國研究的重點。傳統的秸稈預處理方法酸法、堿法、氧化、氨處理、氣爆等以及這幾種方法的結合效果都可以,但最重要的一點,預處理成本太高,污染太嚴重,生物酶處理雖然清潔,但由于酶解效率太低,只有 10%～20%[4-5],因而造成成本太高,也難以達到工業化的要求。所以一種高效、清潔、廉價的秸稈預處理方法的出現迫在眉睫。酒精廠的發酵產物乙醇和其他的副產物(雜醇油)在一定的條件下都能夠溶解木素,如果將其用于秸稈的預處理,處理后有機溶劑仍可進入酒精廠的蒸餾段進行回收,那將大大降低秸稈預處理的成本。本實驗正是本著降低預處理成本的原則,利用酒精廠的乙醇及發酵后的廢產物對小麥秸稈進行預處理,將木素從秸稈中分離,從而得到一定純度的纖維素,以提高秸稈的酶解效率或酸解效率。

2009-05-11 ＊通訊聯系人

馬英輝(1984-),男,碩士研究生,研究方向：生物質能源。