用酸水解法制備NCC的廢液制備生物乙醇

孫勇慧 劉鵬濤,2 劉 忠

（1天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457 2華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣州，510640）

1 前言

纖維素是自然界中最豐富的天然高分子聚合物之一。纖維素的聚集狀態(tài)是結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)交錯結(jié)合的體系。一般情況下，納米微晶纖維素（NCC）是由纖維素的非結(jié)晶區(qū)斷裂得到的直徑在10～30 nm之間，長度在100～300 nm之間的[1]、高結(jié)晶度的剛性棒狀聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。與普通纖維素相比，納米微晶纖維素除了具有普通纖維素的質(zhì)量輕、可降解、可再生和生物相容等特點，還具有高結(jié)晶度、高強度、高純度、高楊氏模量、超精細結(jié)構(gòu)和親水性強等特點[2]。因此在許多領(lǐng)域都具有很大的發(fā)展前景，如：造紙、建筑、汽車、食品、化妝品、電子產(chǎn)品和醫(yī)藥領(lǐng)域等。

正是由于納米微晶纖維素在多個領(lǐng)域都有潛在的發(fā)展，所以它的制備就變得十分重要。就目前來看，它的制備方法有很多。但最為普遍的還是硫酸水解法制備NCC[3-4]。硫酸水解纖維素制備NCC后，其廢液中含有大量的低聚糖、硫酸和葡萄糖。

隨著社會的不斷發(fā)展，人類的不斷進步，人們對能源的需求也在不斷的提高。由于化石資源的不斷匱乏，開發(fā)新能源成為人們關(guān)心的話題之一。乙醇作為一種新能源，清潔環(huán)保，可大量工業(yè)化生產(chǎn)。如美國、巴西和加拿大等國，把乙醇作為添加劑加入到汽油中，使辛烷值增加，燃燒更加充分，使得能量轉(zhuǎn)化率提高[5]。乙醇可做乙醇燃料電池，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，在這個過程中，其除了具有燃料電池都具有的能量轉(zhuǎn)化率較高、對環(huán)境污染小、輻射性小、可靠性高、操作簡單且噪音小等特點，還具有資源豐富、毒害性小和較高的氫含量等特點[6]。乙醇也可作為原料生產(chǎn)一種更清潔的能源—氫氣。與其他碳氫化合物（如甲烷）相比，乙醇用于生產(chǎn)氫氣具有毒性小、生產(chǎn)原料廣泛等特點，并且在此過程中與傳統(tǒng)的燃料相比二氧化碳的排放量較低[7]。由此乙醇在近些年也得到了大家的廣泛關(guān)注。

乙醇的制備方法和原料多種多樣。如Junjun Zhu等人將油菜籽的殼作為原料，用堿處理的方法將纖維素、半纖維素和木素分離，得到纖維素水解的單糖作為原料用生物發(fā)酵的方法制備乙醇[8]。2011年，在美國已經(jīng)建立了規(guī)模為年產(chǎn)526.8億升的燃料乙醇的工業(yè)化工廠，而且95%以上的原料為玉米粒。Ke Wang等人又對運用玉米粒生產(chǎn)生物乙醇的流程進行改良，充分利用發(fā)酵后產(chǎn)生的酒糟和廢水，使生產(chǎn)更加低資本、低能耗和多產(chǎn)出[9]。還有許多種纖維素及淀粉原料可以用來生產(chǎn)乙醇。

在本文中，對酸水解制備NCC的廢液經(jīng)過一定的處理后，利用廢液中的葡萄糖發(fā)酵制備乙醇。本實驗廢物利用，使得更加充分地利用能源，不浪費資源，同時不造成環(huán)境污染。

2 實驗部分

2.1 實驗原料及藥品

制備納米微晶纖維素的原料來自山東Papermaking有限公司的漂白闊葉木溶解漿。分析純的硫酸、氫氧化鈉、葡萄糖和無水乙醇由天津市化學(xué)試劑一廠生產(chǎn)。釀酒酵母菌由天津科技大學(xué)生物學(xué)院培養(yǎng)。

2.2 實驗儀器

HWS24型電熱恒溫水浴鍋：上海一恒科技有限公司；TGL-20M臺式高速冷凍離心機：長沙湘儀離心機儀器有限公司；DSX-280A不銹鋼手提式滅菌器：上海申安醫(yī)療器械廠；LRH-250生化培養(yǎng)箱：韶關(guān)市泰宏醫(yī)療器械有限公司；XB.K.25血球計數(shù)板：上海市求精生化試劑儀器有限公司；WV-CP410/G電腦攝影生物顯微鏡：日本松下株式會社；SBA-40C生物傳感分析儀：山東省科學(xué)院生物研究所；UV-2550紫外分光光度計：美國安捷倫科技有限公司。

2.3 廢液的提取

用質(zhì)量分數(shù)為60%的硫酸與漂白闊葉木漿充分混合，在40℃下反應(yīng)4 h，得到的混合溶液加入一定量的水使得離心時NCC和廢液更好的分離開。將混合液放在10℃下高速冷凍離心機中，在10000 r/min下離心10 min，得到的上清液即為收取的廢液。下面沉淀物為NCC。

2.4 生物發(fā)酵制備乙醇

在得到的葡萄糖溶液中含有大量的硫酸，分離膜處理后再用碳酸鈣中和除去剩余的硫酸。以處理后的混合液為發(fā)酵液，在121℃的滅菌鍋里滅菌30 min，加入釀酒酵母菌，放置于恒溫培養(yǎng)箱中，對發(fā)酵時間、pH值和菌種加入量的工藝進行優(yōu)化研究。

其中葡萄糖用生物傳感分析儀測定，菌種個數(shù)用細胞計數(shù)法測定，乙醇用重鉻酸鉀法測定。

3 結(jié)果與討論

得到的廢液中所含的硫酸質(zhì)量含量是40.6%，葡萄糖含量是7.75 g·L-1。經(jīng)過除酸處理后混合液中的葡萄糖含量是5.50 g·L-1。用處理后的糖液進行生物發(fā)酵，優(yōu)化發(fā)酵條件，使得釀酒酵母菌在此體系里盡可能的將葡萄糖發(fā)酵成乙醇。

3.1 發(fā)酵時間的優(yōu)化

在25 mL廢液中加入5 mL的菌種濃度為4.24×108個/mL的菌種，pH調(diào)節(jié)為7，放在25℃下，分別測定發(fā)酵時間為24 h、48 h、72 h和117 h下的葡萄糖含量、乙醇含量和菌種數(shù)量。得到的數(shù)據(jù)如圖 1、2 所示

圖1 發(fā)酵時間和乙醇含量與葡萄糖含量的關(guān)系圖

圖2 發(fā)酵時間和菌種個數(shù)的關(guān)系圖

如圖所示，隨著發(fā)酵時間的增加，葡萄糖的含量減少，乙醇含量逐漸增加后趨于水平。菌種個數(shù)隨著發(fā)酵時間的增加而增加。

3.2 pH值的優(yōu)化

在25 mL的廢液中加入5 mL的菌種濃度為4.24×108個/mL 的菌種，調(diào)節(jié)其 pH 值分別為 5、6、7、8 和 9，放置在25℃下，發(fā)酵48h后分別測定溶液中葡萄糖含量、乙醇含量和菌種個數(shù)。得到的數(shù)據(jù)如圖3、4所示

圖3 pH值和乙醇含量與葡萄糖含量的關(guān)系圖

圖4 pH值和菌種個數(shù)的關(guān)系圖

如圖所示，當pH為5時乙醇含量和葡萄糖含量都很低，隨著pH的增加葡萄糖含量和乙醇含量都增加，表明pH為5時葡萄糖用于菌種的生長較多，在菌種個數(shù)上也可以說明這一點。pH值為7以后，隨著pH的增加，乙醇含量和葡萄糖含量保持不變。

3.3 菌種加入量的優(yōu)化

在15 mL的廢液中分別加入菌種濃度為4.24×108個/mL 的菌種 1 mL、2 mL、3 mL、4 mL 和 5 mL，使得初始加入菌種個數(shù)為 2.65個/mL、4.99個/mL、7.07個/mL、8.90個/mL和11.06個/mL，pH調(diào)節(jié)為7， 放在25℃下，發(fā)酵48 h后分別測定溶液中葡萄糖含量、乙醇含量和菌種個數(shù)，得到的數(shù)據(jù)如圖5、6所示，隨著初始菌種加入量的增加，乙醇含量不斷增加，葡萄糖迅速減少。發(fā)酵后的菌種數(shù)量也不斷增加。

圖5 菌種加入量和乙醇含量與葡萄糖含量的關(guān)系圖

圖6 菌種加入量和菌種個數(shù)的關(guān)系圖

4 結(jié)論

用釀酒酵母菌在處理后的葡萄糖混合溶液中進行生物發(fā)酵，優(yōu)化的最佳發(fā)酵條件是：菌種加入量 1.06×108個/mL、發(fā)酵時間 48 h和 pH值7。在最佳條件下發(fā)酵得到的乙醇含量是2.1 g·L-1、葡萄糖含量是 0.03 g·L-1。 葡萄糖的轉(zhuǎn)化率達到38.4%。

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