超聲波輔助Lewis酸預處理甘薯渣發(fā)酵制乙醇的工藝研究

徐雨濛，李慶文，盛燕，曾舟華

摘要：對超聲波輔助Lewis酸預處理甘薯渣發(fā)酵制乙醇的工藝進行了研究。結果表明，在超聲波輔助條件下，Lewis酸CuCl2對甘薯渣中木質(zhì)纖維素的水解有一定的催化效果。采用Lewis酸CuCl2預處理甘薯渣發(fā)酵制乙醇的最佳工藝條件為固液比等于1∶15（m∶m，下同）、超聲波預處理功率為250 W、時間30 min，金屬氯化物Lewis酸CuCl2溶液質(zhì)量分數(shù)為1.0%，纖維素酶用量為35 IU/g底物， 熱帶假絲酵母與釀酒酵母的接種比為1∶1， 酵母菌接種量為0.75%。在該條件下乙醇產(chǎn)率達到21.4%， 與常規(guī)工藝相比， 產(chǎn)率提高13.8%。

關鍵詞：甘薯渣;超聲波;Lewis酸;發(fā)酵;乙醇

中圖分類號：S531 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）23-5820-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.050

隨著工業(yè)化程度的提高和世界人口的增加，能源的消耗也在逐步增加，而主要能源石油是有限的，因此開發(fā)石油替代能源引起科學家們廣泛的興趣[1]。乙醇是一種可以通過糖發(fā)酵獲得的可再生資源。車用乙醇汽油作為機動車未來的主要動力燃料，已成為國際上普遍公認可降低環(huán)境污染和取代化石燃料的主要能源。在美國，乙醇已經(jīng)被廣泛地作為特殊的石油替代品。截至2009年，美國、巴西和歐盟的生物燃料產(chǎn)量分別占世界總產(chǎn)量的45%、29%和15%[2，3]。

目前，工業(yè)化生產(chǎn)的燃料乙醇絕大多數(shù)是以糧食作物為原料。但是由于中國人多地少，糧食安全仍是頭等大事，在中國不可能大量使用玉米、小麥等糧食作物生產(chǎn)生物乙醇。適合中國國情的燃料乙醇生產(chǎn)只能通過甜高粱、木薯和甘薯等[4]以木質(zhì)纖維素為原料進行。它們又被稱為第二代生物燃料乙醇，是決定未來大規(guī)模替代石油的關鍵。甘薯渣含淀粉、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗脂肪等，其主要成分為纖維素，因此成為生產(chǎn)第二代生物燃料乙醇的重要原料來源。降解纖維素效果最好的是纖維素酶[5]。當采用纖維素酶水解甘薯渣制造乙醇[6-8]時，纖維素酶必須接觸吸附到纖維素底物才能使反應進行，因此，纖維素對纖維素酶的可及性是決定水解速度的關鍵因素。木質(zhì)纖維素將纖維素包裹其中，影響纖維素的水解[9]。纖維素的結晶結構以及表面狀態(tài)、多組分結構、木質(zhì)素對纖維素的保護作用以及纖維素被半纖維素覆蓋等結構與化學成分的因素致使甘薯渣難以降解。因此，必須經(jīng)過預處理，使纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分離開，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結構，降低聚合度[10-12]?？捎美w維素酶將甘薯渣中的纖維素和半纖維素分解成葡萄糖、木糖等五碳糖和六碳糖，也可考慮以發(fā)酵的方式進行。由于普通乙醇酵母無法利用五碳以上的糖發(fā)酵制備乙醇，而熱帶假絲酵母可以用來發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。在具體生產(chǎn)過程中可以同時使用熱帶假絲酵母和乙醇酵母，使它們共同作用，同時將五碳糖和六碳糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇[13-15]。

本研究通過超聲波和超聲波輔助金屬氯化物Lewis酸預處理甘薯渣，使其中的木質(zhì)纖維素[16-18]分解后，再在熱帶假絲酵母和乙醇酵母的共同作用下將其發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，利用甘薯渣中大量的纖維素生產(chǎn)乙醇并優(yōu)化其發(fā)酵工藝參數(shù)，以期提高甘薯深加工產(chǎn)品的附加值，延長產(chǎn)業(yè)鏈，緩解化石能源燃燒產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗材料、試劑

甘薯渣來源于黃梅縣明發(fā)薯業(yè)有限公司制取淀粉后的甘薯殘渣，熟料釀酒酵母由湖北省武穴市二里半酒粬廠生產(chǎn);纖維素酶產(chǎn)生菌由山東泰安信得利生物工程有限公司生產(chǎn);熱帶假絲酵母由廣州工業(yè)微生物檢測中心提供;硫酸、CuCl2由天津市福晨化學試劑廠生產(chǎn);乙醇由廣東省廣州化學試劑廠生產(chǎn)。

1.2 ?試驗儀器

恒溫水浴鍋、簡易蒸餾裝置、KQ-500DB型超聲波發(fā)生器、槽式超聲清洗儀、恒溫培養(yǎng)箱、HP4890D型氣相色譜儀。

1.3 ?試驗方法

1.3.1 ?常規(guī)方法 ?將甘薯渣洗凈后研碎、篩分（ 過0.40 mm篩孔）備用， 取100 g甘薯渣粉于1 000燒瓶中， 加入適量蒸餾水， 攪拌均勻，在100 ℃恒溫水浴鍋中加熱30 min之后，冷卻至30 ℃左右。按0.75%的接種量（質(zhì)量比，下同）接入一定比例的熟料釀酒酵母和熱帶假絲酵母，加35 IU/g的纖維素酶。在無菌條件下， 放入無菌恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，30 ℃下發(fā)酵7 d，設空白對照[19]。

1.3.2 ?超聲波預處理方法 ?超聲波預處理薯渣發(fā)酵制乙醇工藝[20-22]：前面的步驟與常規(guī)方法相同，冷卻至30 ℃左右，再利用超聲功率為40 kHz的KQ-500DB型超聲波清洗器，在額定功率下處理規(guī)定時間。按0.75%的接種量接入一定比例的熟料釀酒酵母和熱帶假絲酵母，加35 IU/g的纖維素酶。在無菌條件下， 放入無菌恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，30 ℃下發(fā)酵7 d。

1.3.3 ?Lewis酸預處方法 ?Lewis酸CuCl2預處理薯渣發(fā)酵制乙醇工藝：前面的步驟與常規(guī)方法相同，冷卻至30 ℃左右，分別在100 mL燒杯中加入150 mL的不同濃度的CuCl2溶液，處理30 min。處理后濾干，蒸餾水洗滌殘渣至中性，按0.75%的接種量接入一定比例的熟料釀酒酵母和熱帶假絲酵母，加35 IU/g的纖維素酶。在無菌條件下， 放入無菌恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，30 ℃下發(fā)酵7 d。

1.3.4 ?超聲波Lewis酸預處方法 ?超聲波Lewis酸CuCl2預處理薯渣發(fā)酵制乙醇工藝與“1.3.3”的方法相同，但在加入不同濃度的CuCl2溶液后，以超聲功率250 W，處理30 min。

1.4 ?乙醇提取及分析

反應殘渣中含有其他雜質(zhì)，需要將乙醇提取出來，采用簡單蒸餾法提取乙醇。提取后的乙醇濃度利用HP4890D型氣相色譜儀測定（填料Porapak-Q， 粒度80～100目， 長2 m， 外徑3 mm， 內(nèi)徑2 mm。氣化室、色譜柱及熱導檢測器的溫度分別為170、130、170 ℃）。

1.5 ?單因素試驗

根據(jù)李平等[23]的試驗結果，利用超聲波結合稀酸或堿預處理甘薯渣然后發(fā)酵制備乙醇的工藝中，最佳因素水平組合為固液比為1∶15（質(zhì)量比，下同），纖維素酶用量為35 IU/g 底物， 熱帶假絲酵母與釀酒酵母的接種比為1∶1， 酵母菌接種量0.75%。在此基礎上，進一步對超聲波結合Lewis酸預處理甘薯渣后發(fā)酵制乙醇工藝進行研究。

2 ?結果與分析

2.1 ?預處理時間對薯渣發(fā)酵制乙醇產(chǎn)率的影響

由表1可知，預處理時間為0時，未經(jīng)任何處理的常規(guī)方法發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率為0.188 g/g;Lewis酸CuCl2、超聲波和超聲波結合Lewis酸CuCl2預處理甘薯渣后發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率，都隨預處理時間的增加而增加，當預處理時間為30 min時，再繼續(xù)增大預處理時間，乙醇的產(chǎn)率變化不大，所以最佳的超聲波加熱甘薯渣的時間為30 min。上述3種預處理方法都能使乙醇產(chǎn)率提高，超聲波結合Lewis酸CuCl2預處理甘薯渣后發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率最高，達0.214 g/g。

2.2 ?超聲波預處理功率對薯渣發(fā)酵制乙醇產(chǎn)率的影響

從表2中可以看出，超聲波和超聲波結合Lewis酸CuCl2預處理甘薯渣后發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率，都隨超聲波加熱功率的增加而增加，當加熱功率為250 W時，再繼續(xù)增大加熱功率，乙醇的產(chǎn)率變化不大，所以最佳的超聲波加熱甘薯渣的功率為250 W。上述2種預處理方法都能使乙醇產(chǎn)率提高，超聲波結合Lewis酸CuCl2預處理甘薯渣后發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率較高。

2.3 ?Lewis酸CuCl2濃度對薯渣發(fā)酵制乙醇產(chǎn)率的影響

從表3可以看出，未經(jīng)超聲波處理和超聲波處理的乙醇產(chǎn)率都隨CuCl2濃度的增大而增大，當CuCl2濃度為1.0%時，乙醇產(chǎn)率最高，CuCl2濃度再繼續(xù)增大時，乙醇的產(chǎn)率沒有變化，故最佳的CuCl2濃度為1.0%。

3 ?結論

結果表明，Lewis酸CuCl2預處理后的乙醇產(chǎn)率高于未經(jīng)處理的薯渣發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率，超聲波預處理后的乙醇產(chǎn)率高于Lewis酸CuCl2預處理后的薯渣發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率， 超聲波結合Lewis酸預處理后的薯渣發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率最高。用最佳水平比較，未經(jīng)任何處理的乙醇產(chǎn)率為0.188 g/g，Lewis酸CuCl2預處理后的乙醇產(chǎn)率0.197 g/g ，超聲波預處理后的乙醇產(chǎn)率為0.203 g/g，超聲波結合Lewis酸預處理后的乙醇產(chǎn)率為0.214 g/g。與未經(jīng)任何處理的乙醇產(chǎn)率比較，Lewis酸CuCl2預處理后的乙醇產(chǎn)率提高4.8%，超聲波預處理后的乙醇產(chǎn)率提高7.9%，超聲波結合Lewis酸預處理后的乙醇產(chǎn)率提高13.8%。超聲波結合Lewis酸CuCl2處理與未加超聲波的Lewis酸CuCl2處理相比較，超聲波能有效增加CuCl2與半纖維素的反應性，也能增加其與木質(zhì)素的反應性。

將干甘薯渣通過粉碎（過0.40 mm的篩孔），加水蒸煮，超聲波結合Lewis酸CuCl2預處理后， 經(jīng)纖維素酶轉(zhuǎn)化， 利用混合菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，獲得最佳的工藝條件為固液比為1∶15、超聲波預處理功率為250 W、時間為30 min，Lewis酸CuCl2為1.0%，纖維素酶用量為35 IU/g底物， 熱帶假絲酵母與釀酒酵母的接種比1∶1， 酵母菌接種量為0.75%。在該條件下乙醇產(chǎn)率達到21.4%（重量）， 與常規(guī)工藝相比， 產(chǎn)率提高13.8%，有工業(yè)推廣價值。

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