乙醇及發(fā)酵廢液預(yù)處理秸稈條件的研究

馬英輝,王聯(lián)結(jié),李遠(yuǎn)兵

(陜西科技大學(xué)生命學(xué)院,陜西西安 710021)

乙醇及發(fā)酵廢液預(yù)處理秸稈條件的研究

馬英輝,王聯(lián)結(jié)＊,李遠(yuǎn)兵

(陜西科技大學(xué)生命學(xué)院,陜西西安 710021)

利用酒精廠的乙醇發(fā)酵廢液對(duì)小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理,處理液仍在本廠回收后再利用,這樣有助于降低預(yù)處理成本,促進(jìn)纖維素乙醇的發(fā)展。經(jīng)實(shí)驗(yàn),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(shí)間為200min,處理后的秸稈酶解率達(dá)到83.3%,比直接酶解高出近50%,但由于纖維糖化液中抑制發(fā)酵成分的存在,使得發(fā)酵的酒精度只有 6%左右。

發(fā)酵廢液,小麥秸稈,預(yù)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(yáng)天冠酒精廠;纖維素酶 2000u/g。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用乙醇及其發(fā)酵廢產(chǎn)物(雜醇油)按照一定比例混合,對(duì)小麥秸稈進(jìn)行浸泡蒸煮,浸泡蒸煮后參照文獻(xiàn)[6],測(cè)定木素的溶解率和碳水化合物的保留率,確定最佳的處理?xiàng)l件 (乙醇與雜醇油濃度比、溫度、時(shí)間),然后選取最佳的條件對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理,處理后用纖維素酶進(jìn)行水解,用DNS法還原糖標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定還原糖的得率,如圖 1,并進(jìn)行簡(jiǎn)單乙醇發(fā)酵實(shí)驗(yàn),用比重法測(cè)定酒精產(chǎn)率。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 乙醇與雜醇油比例梯度實(shí)驗(yàn)

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(cè)木素溶解率和碳水化合物的保留率。

從圖 2來(lái)看,處理液乙醇與雜醇油的比例對(duì)于木素的溶解有相對(duì)較大的影響,而對(duì)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(guò)程中,對(duì)木素具有選擇性溶解;另外作為乙醇發(fā)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(qiáng),因?yàn)楫愇齑荚陔s醇油中占 50%以上,它比乙醇的親質(zhì)性能更強(qiáng)。

圖2 處理液對(duì)降解秸稈的影響

2.2 處理溫度實(shí)驗(yàn)

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(guò)濾測(cè)定各個(gè)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(gè)非常敏感的因素,它的變化無(wú)論是對(duì)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(jiàn)圖 3。處理溫度在 100℃以上時(shí),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(shí),碳水化合物的保留率處于相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài),因此在 100℃左右應(yīng)該是較為合適的溫度。

圖3 處理溫度對(duì)降解秸稈的影響

2.3 處理時(shí)間實(shí)驗(yàn)

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(cè)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(shí)間達(dá)到 200min后木素的溶解增長(zhǎng)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(qiáng),因此處理時(shí)間保持在200min左右為好。

圖4 處理時(shí)間對(duì)降解秸稈的影響

2.4 正交實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)以上單因素實(shí)驗(yàn),確定正交實(shí)驗(yàn)的因素及水平,見(jiàn)表1。

表 1 秸稈預(yù)處理?xiàng)l件正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

將正交實(shí)驗(yàn)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(jìn)行水解,溫度為 55℃,加酶量為 28u/g(干物質(zhì)),水解 10h后測(cè)定吸光值,利用葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算還原糖得率,如表2。

表2 秸稈預(yù)處理正交實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)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(shí)間為 200min。

2.5 酶解發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

取 10g秸稈,在最優(yōu)的處理?xiàng)l件 (5∶5、110℃、200min)下對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理,然后用纖維素酶在 55℃下水解 10h,同時(shí)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(zhuǎn)化率為 83.3%和 38%,說(shuō)明預(yù)處理脫出了部分木素,減少了木素對(duì)纖維素酶分子的空間阻礙和無(wú)效吸附,使得酶解率有所增加。

取 1000mL三角瓶 6個(gè),分別編號(hào),加入 500g酒精發(fā)酵液體培養(yǎng)基 (蛋白胨 3.5%、酵母粉 4%、尿素0.15%,1～3號(hào)加入酶解后的糖化液,使培養(yǎng)基糖濃度為 20%,4～6號(hào)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(fā)酵,待三角瓶重量平均每小時(shí)的減少量小于 0.2g/h時(shí),發(fā)酵結(jié)束,測(cè)定酒精度和殘?zhí)橇咳绫?3,用纖維素糖化液發(fā)酵的效果明顯不如用純葡萄糖發(fā)酵,表現(xiàn)為發(fā)酵不徹底,殘?zhí)橇窟^(guò)高,主要原因是在糖化液中殘留抑制發(fā)酵的成分存在,主要來(lái)自于秸稈的預(yù)處理階段。

表3 發(fā)酵醪液酒精度和殘?zhí)橇?/p>

3 結(jié)論

對(duì)秸稈的預(yù)處理方法多種多樣,但由于它的特殊結(jié)構(gòu),至今為止,還沒(méi)有一種方法能夠達(dá)到工業(yè)化的水平,此法是受到造紙工業(yè)中乙醇制漿的啟發(fā),利用酒精廠的發(fā)酵雜質(zhì)以及變酸的酒精作為處理液來(lái)對(duì)小麥秸稈進(jìn)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(shí)間為 200min,處理后酶解率為83.3%,另外,在此強(qiáng)烈處理?xiàng)l件下,半纖維損失率達(dá)到 60%以上,怎樣緩和處理?xiàng)l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(fā)酵因子是今后研究的重點(diǎn)。

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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(wèn)題是現(xiàn)在全世界都面臨的一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題,它是關(guān)系到國(guó)際社會(huì)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的中心議題。秸稈乙醇發(fā)酵是解決未來(lái)能源問(wèn)題的重要途徑,普遍受到各國(guó)的青睞,但是秸稈預(yù)處理技術(shù)的不成熟成為限制秸稈高值化利用的瓶頸。秸稈年產(chǎn)量約占生物質(zhì)年產(chǎn)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(fā)酵性糖),20%左右為木素 (多種化工產(chǎn)品的原材料)[1],然而由于秸稈細(xì)胞壁纖維素的絲狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及與木素嵌入式的連接,我國(guó)秸稈利用率只占發(fā)達(dá)國(guó)家利用率的 35%左右[2-3],怎樣對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理,低成本的把它所含的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖是各國(guó)研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的秸稈預(yù)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(jié)合效果都可以,但最重要的一點(diǎn),預(yù)處理成本太高,污染太嚴(yán)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(dá)到工業(yè)化的要求。所以一種高效、清潔、廉價(jià)的秸稈預(yù)處理方法的出現(xiàn)迫在眉睫。酒精廠的發(fā)酵產(chǎn)物乙醇和其他的副產(chǎn)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(yù)處理,處理后有機(jī)溶劑仍可進(jìn)入酒精廠的蒸餾段進(jìn)行回收,那將大大降低秸稈預(yù)處理的成本。本實(shí)驗(yàn)正是本著降低預(yù)處理成本的原則,利用酒精廠的乙醇及發(fā)酵后的廢產(chǎn)物對(duì)小麥秸稈進(jìn)行預(yù)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(lián)系人

馬英輝(1984-),男,碩士研究生,研究方向：生物質(zhì)能源。