玉米秸稈半同步糖化共發(fā)酵產(chǎn)乙醇的研究

朱圓圓,盧仟旭,朱均均,徐 勇,余世袁

(1.江蘇科技大學 糧食學院, 鎮(zhèn)江 212004) (2.南京林業(yè)大學 化學工程學院, 南京 210037)

利用木質(zhì)纖維原料生物煉制產(chǎn)乙醇的過程主要包括:原料預處理、纖維素酶制備[1]、原料的酶水解和乙醇發(fā)酵等[2]．其中得到可發(fā)酵性糖繼而進行后續(xù)乙醇發(fā)酵是整個生物煉制過程的關鍵步驟之一[3]．現(xiàn)有的糖化發(fā)酵工藝主要有:同步糖化發(fā)酵(SSF)工藝[4]、分步糖化發(fā)酵(SHF)工藝[5]和同步糖化共發(fā)酵(SSCF)工藝[6]．預酶解在本質(zhì)上是將同步糖化發(fā)酵工藝與分步糖化發(fā)酵工藝相結合的一項工藝,由于溫度對酶解的影響十分顯著,預酶解的過程能先將一部分底物在酶解的最適宜條件下降解為可發(fā)酵性糖,然后降至發(fā)酵溫度進行同步糖化共發(fā)酵[7]．同時,堿法預處理是一種有效的預處理方法[8]．通過兩步堿預處理可以去除大部分乙酰基,繼而能提高后續(xù)的乙醇得率[9-10]．但堿預處理后的物料堿度較高,雖然大量水洗可有效脫除已溶解的半纖維素及抑制物,提高水洗后物料的酶解纖維素轉(zhuǎn)化率且有利于后續(xù)的發(fā)酵過程,但存在水資源浪費及廢水污染等問題,不適合工業(yè)化生產(chǎn)．

文中分別以水洗和未水洗兩步堿法(氫氧化鈉-氫氧化鈣)為原料,在傳統(tǒng)同步糖化共發(fā)酵工藝的基礎上,發(fā)酵之前先預酶解一段時間，然后進行己糖戊糖共發(fā)酵,即半同步糖化共發(fā)酵(semi-SSCF)．由于半同步糖化共發(fā)酵過程中酶解和發(fā)酵的pH不一致,本實驗主要考慮了發(fā)酵過程中pH對乙醇得率的影響，以期為木質(zhì)纖維原料非等溫同步糖化共發(fā)酵的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論支持．

1 材料與方法

1.1 玉米秸稈兩步堿法預處理

玉米秸稈(黑龍江省肇東市)粉碎至0.2～0.4 mm后，將經(jīng)過第一步氫氧化鈉預處理(氫氧化鈉質(zhì)量濃度5.45 g/L,液固比13 ∶1 g/mL,溫度62 ℃,時間45 min)后得到的固體渣，水洗至中性后進行第二步氫氧化鈣預處理(氫氧化鈣0.100 g/g玉米秸稈、溫度90 ℃、時間36 h[11])．預處理結束后,部分物料水洗至中性,將水洗和未水洗的物料分別保存?zhèn)溆茫?/p>

1.2 酶制劑

纖維素酶(C2730)來自TrichodermareeseiATCC 26921,β-葡萄糖苷酶(C6105)來自Aspergillusniger,均由丹麥諾維信(Novozyme)生產(chǎn),Sigma公司．

1.3 乙醇發(fā)酵

1.3.1 菌種 樹干畢赤酵母PichiastipitisNLP 31,保藏于南京林業(yè)大學生物化工研究所,保存在4 ℃木糖-蛋白胨-酵母浸膏-瓊脂斜面上．

1.3.2 培養(yǎng)基 斜面培養(yǎng)基、活化及增殖培養(yǎng)基,發(fā)酵培養(yǎng)基的配制按文獻[12]進行．

1.3.3 活化及增殖培養(yǎng)條件 樹干畢赤酵母活化及增殖培養(yǎng)條件:溫度30 ℃,轉(zhuǎn)速170 r/min．當酵母增殖幾輪后,將離心后的酵母轉(zhuǎn)入發(fā)酵培養(yǎng)基中進行乙醇發(fā)酵．

1.3.4 三角瓶發(fā)酵方法 分別稱取10 g絕干水洗/未水洗預處理玉米秸稈放于250 mL三角瓶中,每個三角瓶中加入1 mol/L檸檬酸緩沖液5 mL(稀釋20倍后pH為4.8)、適量酶液和水,使液體總體積為97 mL．纖維素酶用量為35 FPU/g(以纖維素計,下同),β-葡萄糖苷酶用量為35 IU/g．在50 ℃、150 r/min的搖床中預酶解48 h,然后取出降溫至30 ℃左右．分別加入2 mL樹干畢赤酵母用營養(yǎng)鹽濃液(×50)、1 mL的微量元素濃液(×100),并接入初始OD600=6的樹干畢赤酵母,充分混勻后,置于30 ℃、150 r/min的搖床中進行糖化發(fā)酵．

1.3.5 發(fā)酵罐發(fā)酵方法 實驗所用3 L發(fā)酵罐由New Brunswick Scientific公司生產(chǎn),裝液量為1 L,用10%的硫酸和氫氧化鈉調(diào)控發(fā)酵液pH．使用前要對pH電極和溶氧電極進行校正．對pH電極進行校正時,使用發(fā)酵罐系統(tǒng)自帶的pH為4.01和7.01的標準緩沖液進行兩點法校準．對溶氧電極進行校正時,將飽和亞硫酸鈉水溶液中的溶解氧作為零點(0),將尚未接入酵母的、與發(fā)酵條件完全相同的培養(yǎng)基中的溶解氧作為飽和點(100%)[13]．

分別稱取100 g絕干水洗/未水洗預處理玉米秸稈于3 L發(fā)酵罐中,并加入1 mol/L檸檬酸緩沖液50 mL(稀釋20倍后pH為4.8)、適量酶液和水,使液體總體積為970 mL．纖維素酶用量為35 FPU/g(以纖維素計,下同),β-葡萄糖苷酶用量為35 IU/g．前48 h發(fā)酵罐轉(zhuǎn)速保持在400 r/min,溫度控制在50 ℃;48 h之后將轉(zhuǎn)速調(diào)為300 r/min,溫度控制在30 ℃,分別加入20 mL樹干畢赤酵母用營養(yǎng)鹽濃液(×50)、10 mL的微量元素濃液(×100),并接入初始OD600=6的樹干畢赤酵母．實驗中前48 h通風量為0,后48 h通風量控制在0.05 L·L-1·min-1,空氣由空氣壓縮泵輸入罐體,并通過氣體轉(zhuǎn)子流量計控制流量,再經(jīng)過0.22 μm的空氣過濾膜進入罐體．

1.4 實驗方法

1.4.1 原料分析 原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的分析按美國可再生能源實驗室(NREL)的方法測定[14]．

1.4.2 糖、乙醇、甘油及抑制物定量分析 糖(纖維二糖、葡萄糖和木糖)、乙醇、甘油、抑制物(乙酸、5-羥甲基糠醛和糠醛等)定量分析在美國Agilent 1260型高效液相色譜儀上進行,外標法測定[12]．采用Bio-Rad HPX-87H柱(7.8 mm×300 mm),柱溫55 ℃,流動相5 mmol/L的硫酸,流速0.6 mL/min,上樣量10 μL,示差折光檢測器．計算方法:乙醇產(chǎn)率為生成的乙醇質(zhì)量與發(fā)酵液中纖維素和半纖維素的質(zhì)量的比值．

1.4.3 酵母濃度的測定 采用比濁法測定[15]酵母濁度(OD)．將發(fā)酵液混勻后稀釋至一定倍數(shù),測定其在600 nm的吸光度并乘以稀釋倍數(shù)即為酵母濁度(OD)．

酵母濃度(Y)與酵母濁度(OD)的方程為:

Y=1.669 4X-0.160 9

式中:Y為酵母濃度,g/L;X為酵母濁度(OD)．

2 結果與討論

2.1 兩步堿法預處理玉米秸稈水洗前后成分分析

兩步堿法(氫氧化鈉-氫氧化鈣)預處理玉米秸稈水洗前后的成分分析結果見表1．

表1 兩步堿法預處理玉米秸稈成分分析

預處理后的玉米秸稈用大量蒸餾水水洗至中性,其纖維素含量為53.40%、半纖維素含量為24.54%、酸不溶木質(zhì)素含量為8.46%、酸溶木質(zhì)素含量為1.25%．未水洗玉米秸稈即預處理后的玉米秸稈不經(jīng)過水洗而直接用硫酸中和,其纖維素含量為41.84%、半纖維素含量為22.25%、酸不溶木質(zhì)素含量為10.45%、酸溶木質(zhì)素含量為2.04%．文獻[16]的研究表明，水洗蒸汽爆破甘蔗渣比未水洗纖維素含量提高7%,其原因是水洗使部分半纖維素和木質(zhì)素溶出導致纖維素含量的相對提高．同時,對水洗后濾液中抑制物含量進行分析可發(fā)現(xiàn),對發(fā)酵影響比較大的甲酸和乙酸含量分別為0.39和0.54 g/L．有研究結果表明,當木糖發(fā)酵培養(yǎng)基中含有5.00 g/L的乙酸時，樹干畢赤酵母完全被抑制[17]．這也從另一方面說明可以將預處理后的物料不經(jīng)過水洗,加入中和劑后直接進行乙醇發(fā)酵．

2.2 未水洗兩步堿法處理玉米秸稈半同步糖化共發(fā)酵

2.2.1 三角瓶體系

(1) 發(fā)酵pH 4.8時對半同步糖化共發(fā)酵的影響 未水洗兩步堿法預處理玉米秸稈先在pH 4.8、溫度50 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min的條件下預酶解48 h,然后取出降溫至30℃左右,同時維持pH不變?yōu)?.8．接著加入OD600=6的樹干畢赤酵母,充分混勻后,置于30 ℃、150 r/min的搖床中進行半同步糖化共發(fā)酵,其葡萄糖、木糖和乙醇的濃度(C)隨時間的變化如圖1．

圖1 三角瓶體系中未水洗物料預酶解48 h后維持pH 4.8進行半同步糖化共發(fā)酵各參數(shù)的變化Fig.1 Changes in the parameters during the semi-SSCFof un-washed materials after pre-enzymatic hydrolysis of48 h and keeping pH at 4.8 in an Erlenmeyer flask system

從圖1可以看出,預酶解前48 h隨著時間的延長，葡萄糖和木糖濃度不斷增加,至48 h時其濃度分別達到34.83和8.25 g/L；至108 h時葡萄糖基本被利用完,132 h時木糖也基本被利用完．隨著葡萄糖和木糖不斷被利用，乙醇濃度也在不斷增加,120 h時達到最高值13.92 g/L,乙醇產(chǎn)率為0.193 g/g．乙醇產(chǎn)率不高是由于未水洗物料中抑制物含量相對較高.文獻[17]研究了乙酸對木糖發(fā)酵酵母休哈塔假絲酵母Candidashehatae、嗜單寧管囊酵母PachysolentannophilusNRRL Y-2460、樹干畢赤酵母PichiastipitisCBS 5773的影響．研究結果表明,當培養(yǎng)基中添加0.5%(V/V)的乙酸(pH 4.1)時就能完全抑制C.shehatae、P.stipitisCBS 5773的生長,只有P.tannophilusNRRL Y-2460表現(xiàn)出較低的增長和乙醇發(fā)酵．然而當培養(yǎng)基中添加1%(V/V)的乙酸(pH 3.7)時,3種菌株均完全被抑制．由于預酶解之后pH沒有改變還是為4.8,在此pH下抑制物的作用比較明顯,所以可以采用預酶解之后將pH調(diào)高的方法減弱抑制物對發(fā)酵的影響．同時,文獻[18]的研究表明，對于堿性過氧化預處理,物料不經(jīng)過水洗其乙醇得率為76.80%,水洗之后乙醇得率為81.40%,雖然水洗之后的乙醇得率提高了5%左右,但是綜合考慮水洗之后的廢水處理、水的消耗等問題，可以將預處理完的物料進行直接發(fā)酵．

(2) 發(fā)酵pH 6.0時對半同步糖化共發(fā)酵的影響 未水洗兩步堿法預處理玉米秸稈先在pH 4.8、溫度50 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min的條件下預酶解48 h,然后取出降溫至30 ℃左右,同時將pH調(diào)至6.0,接著加入OD600=6的樹干畢赤酵母,充分混勻后,置于30 ℃、150 r/min的搖床中進行半同步糖化共發(fā)酵,其葡萄糖、木糖和乙醇的濃度隨時間的變化如圖2．

圖2 三角瓶體系中未水洗物料預酶解48 h后調(diào)節(jié)pH至6.0進行半同步糖化共發(fā)酵各參數(shù)的變化情況Fig.2 Changes in the parameters during the semi-SSCFof un-washed materials after pre-enzymatic hydrolysis of48 h and adjusting pH to 6.0 in an Erlenmeyer flask system

從圖2可以看出,預酶解前48 h隨著時間的延長葡萄糖和木糖濃度不斷提高,48 h時葡萄糖和木糖濃度分別達到31.27和8.27 g/L；72 h時葡萄糖基本被利用完,84 h時木糖也基本被利用完．隨著葡萄糖和木糖不斷被利用，乙醇濃度也在不斷增加,84 h時乙醇濃度達到最高值17.97 g/L,乙醇產(chǎn)率為0.234 g/g．與未水洗物料預酶解48 h后不改變pH值相比，其乙醇產(chǎn)率得到很大提高,所以在后續(xù)發(fā)酵罐實驗中可采取在pH 4.8下先預酶解48 h然后將pH調(diào)至6.0．文獻[19]以稻草為原料,經(jīng)氫氧化鈣預處理后不固液分離而用CO2中和至pH 6.0,然后用樹干畢赤酵母發(fā)酵,其乙醇得率為74%．文中采用經(jīng)兩步堿(氫氧化鈉-氫氧化鈣)預處理的玉米秸稈為原料，由于第一步氫氧化鈉預處理去除了95.19%的乙酸[9],第二步氫氧化鈣預處理的漿料不水洗而直接用50%硫酸中和至中性,其發(fā)酵抑制物含量較少，更適宜不經(jīng)過水洗直接進行發(fā)酵．

2.2.2 發(fā)酵罐體系 為了更好地探尋半同步糖化的發(fā)酵規(guī)律,在3 L發(fā)酵罐中進行放大實驗,并通過發(fā)酵罐自帶的系統(tǒng)調(diào)控各發(fā)酵參數(shù)．由三角瓶系統(tǒng)實驗結果可知,當預酶解48 h之后將pH調(diào)至6.0時的乙醇產(chǎn)率和乙醇含量相比于預酶解48 h之后不改變pH有很大提高.因此,在發(fā)酵罐體系中采用在pH 4.8下先預酶解48 h,然后將pH調(diào)至6.0,再接入OD600=6的樹干畢赤酵母進行半同步糖化共發(fā)酵；48 h之前不通氣,48 h之后通氣量為0.05 L/min，其葡萄糖、木糖和乙醇濃度隨時間的變化如圖3．

從圖3可以看出,預酶解前48 h隨著時間的延長葡萄糖和木糖濃度不斷增加,48 h時葡萄糖濃度和木糖濃度分別達到29.66和7.62 g/L．72 h時葡萄糖基本被利用完,78 h時木糖也基本被利用完．隨著葡萄糖和木糖不斷被利用，乙醇濃度也在不斷增加,78 h時乙醇濃度達到最高值14.72 g/L,乙醇產(chǎn)率為0.220 g/g．與搖瓶實驗相比，乙醇產(chǎn)率和乙醇濃度略有下降,主要是因為發(fā)酵罐的通氣量較大且乙醇又易揮發(fā)．同時,由于氫氧化鈣與稀硫酸中和時生成的CaSO4沉淀吸附于纖維素表面,降低了纖維素的活性位點,妨礙了纖維素酶吸附結構域?qū)w維素的有效吸附,從而降低了酶與纖維素的可及度[20],導致酶解效率降低繼而乙醇得率減少．

圖3 發(fā)酵罐體系中未水洗物料預酶解48 h后調(diào)節(jié)pH至6.0進行半同步糖化共發(fā)酵各參數(shù)的變化情況Fig.3 Changes in the parameters during the semi-SSCFof un-washed materials after pre-enzymatic hydrolysis of48 h and adjusting pH to 6.0 in a fermentor system

2.3 水洗兩步堿法預處理玉米秸稈半同步糖化共發(fā)酵

2.3.1 三角瓶體系

(1) 發(fā)酵pH 4.8時對半同步糖化共發(fā)酵的影響 水洗兩步堿法預處理玉米秸稈先在pH 4.8、溫度50 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min的條件下預酶解48 h,然后取出降溫至30 ℃左右,同時維持pH不變?yōu)?.8．加入OD600=6的樹干畢赤酵母,充分混勻后,置于30 ℃、150 r/min的搖床中半同步糖化共發(fā)酵,其葡萄糖、木糖和乙醇的濃度隨時間的變化如圖4．

圖4 三角瓶體系中未水洗物料預酶解48 h后維持pH 4.8進行半同步糖化共發(fā)酵各參數(shù)的變化情況Fig.4 Changes in the parameters during the semi-SSCFof washed materials after pre-enzymatic hydrolysis of 48 h and keeping pH at 4.8 in an Erlenmeyer flask system

從圖4可以看出,預酶解前48 h隨著時間的延長葡萄糖和木糖濃度不斷增加,48 h時葡萄糖濃度和木糖濃度分別達到37.68和18.26 g/L．72 h時葡萄糖基本被利用完,90 h之后木糖也基本被利用完．隨著葡萄糖和木糖不斷被利用，乙醇濃度也在不斷增加,90 h時達到最高值23.00 g/L,乙醇產(chǎn)率為0.287 g/g(以物料中纖維素和半纖維素含量計,下同)．文獻[21]研究變溫發(fā)酵對乙醇得率的影響,即41 ℃先發(fā)酵21 h后,35 ℃再發(fā)酵63 h時,乙醇產(chǎn)率最高為0.125 g/g,比恒溫發(fā)酵的產(chǎn)率0.119 g/g要高．雖然通過改變發(fā)酵過程中溫度乙醇產(chǎn)率得以提高,但由于糖化效果不理想使得最終乙醇產(chǎn)率提高并不明顯．文中通過48 h的預酶解再降低溫度進行戊糖、己糖共發(fā)酵,在總時間不變的情況下乙醇產(chǎn)率得到很明顯的提高．文獻[22]研究了酸預處理后的麥稈在50 ℃的條件下預酶解24 h后將溫度降至37 ℃并加入相應的釀酒酵母,其乙醇產(chǎn)率為10.4(按100 g原料計),相當于0.286 g/g．文中通過變溫發(fā)酵乙醇產(chǎn)率為0.287 g/g，與文獻研究結果相當．

(2) 發(fā)酵pH 6.0時對半同步糖化共發(fā)酵的影響 水洗兩步堿法預處理玉米秸稈先在pH 4.8、溫度50 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min的條件下預酶解48 h,然后取出降溫至30 ℃左右,同時將pH調(diào)至6.0,接入OD600=6的樹干畢赤酵母,充分混勻后,置于30 ℃、150 r/min的搖床中進行半同步糖化共發(fā)酵,其葡萄糖、木糖和乙醇濃度隨時間的變化如圖5．

圖5 三角瓶體系中未水洗物料預酶解48 h后維持pH至6.0進行半同步糖化共發(fā)酵各參數(shù)的變化情況Fig.5 Changes in the parameters during the semi-SSCFof washed materials after pre-enzymatic hydrolysis of 48 h and adjusting pH to 6.0 in an Erlenmeyer flask system

從圖5可以看出,預酶解前48 h隨著時間的延長葡萄糖和木糖濃度不斷增加,48 h時葡萄糖濃度和木糖濃度分別達到37.58和18.75 g/L．66 h時葡萄糖基本被利用完,90 h之后木糖也基本被利用完．隨著葡萄糖和木糖不斷被利用，乙醇濃度也在不斷增加,84 h時達到最高值23.41 g/L,乙醇產(chǎn)率為0.292 g/g．相比于預酶解48 h之后維持pH4.8，乙醇產(chǎn)率和乙醇濃度都增加不明顯．雖然乙醇產(chǎn)率和乙醇濃度增加不明顯但發(fā)酵時間卻縮短了,所以在后續(xù)發(fā)酵罐實驗中采用在pH 4.8下先預酶解48 h，然后將pH調(diào)至6.0,同時接入酵母．文獻[23]通過建模對釀酒酵母指出當pH從5.0升至6.0時,酵母的生長模式?jīng)]有發(fā)生改變,而從5.0降至3.9時，其生長模式發(fā)生改變．所以在本實驗中,對于水洗物料而言當pH由4.8升至6.0時,乙醇得率提高不明顯．研究表明[24],在同步糖化發(fā)酵過程中當pH由4.5升至5.0時,乙醇產(chǎn)率由0.159 g/g提高至0.187 g/g．

2.3.2 發(fā)酵罐體系 為了更好地探尋半同步糖化的發(fā)酵規(guī)律,在3 L發(fā)酵罐中進行放大實驗,并通過發(fā)酵罐自帶的系統(tǒng)調(diào)控各發(fā)酵參數(shù)．根據(jù)之前的三角瓶實驗結果,在發(fā)酵罐實驗中,采取在pH 4.8下先預酶解48 h,然后將pH調(diào)至6.0,接入OD600=6的樹干畢赤酵母進行半同步糖化共發(fā)酵．48 h之前不通氣,48 h之后通氣量為0.05 L/min．其葡萄糖、木糖和乙醇的濃度隨時間的變化見圖6．

從圖6可以看出,預酶解前48 h隨著時間的延長葡萄糖和木糖濃度不斷增加,48 h時葡萄糖濃度和木糖濃度分別達到32.09和13.92 g/L．72 h時葡萄糖基本被利用完,90 h時木糖也基本被利用完．隨著葡萄糖和木糖不斷被利用，乙醇濃度也在不斷增加,90 h時達到最高值18.85 g/L,乙醇產(chǎn)率為0.234 g/g．此后乙醇濃度開始下降,可能是因為葡萄糖和木糖的產(chǎn)生速率不及其消耗速率,酵母菌在饑餓狀態(tài)下開始反耗產(chǎn)生的乙醇,還有可能是由于發(fā)酵罐底部不斷通氣經(jīng)過發(fā)酵液,帶走大量通過發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇,導致發(fā)酵乙醇濃度和乙醇得率與搖瓶實驗相比略有降低[13,22]．與未水洗物料相比乙醇得率雖有提高,但綜合考慮可發(fā)現(xiàn)未水洗物料工藝簡單,不經(jīng)過固液分離,能減輕廢水處理及廢水污染問題,所以其應用前景較大．

圖6 發(fā)酵罐體系中未水洗物料預酶解48 h后調(diào)節(jié)pH至6.0半同步糖化共發(fā)酵各參數(shù)的變化情況Fig.6 Changes in the parameters during the semi-SSCFof washed materials after pre-enzymatic hydrolysis of48 h and adjusting pH to 6.0 in a fermentor system

3 結論

(1) 以樹干畢赤酵母為發(fā)酵菌株未水洗物料在pH 4.8下,預酶解48 h之后維持pH不變時,乙醇產(chǎn)率為0.193 g/g;預酶解48 h之后將pH調(diào)至6.0時乙醇產(chǎn)率為0.234 g/g,改變pH后乙醇產(chǎn)率得到很大提高;3 L發(fā)酵罐放大實驗中乙醇產(chǎn)率為0.220 g/g．

(2) 以樹干畢赤酵母為發(fā)酵菌株水洗物料在pH 4.8的條件下,預酶解48 h之后維持pH不變時,乙醇產(chǎn)率為0.287 g/g；預酶解48 h之后將pH調(diào)至6.0時乙醇產(chǎn)率為0.292 g/g,因此改變pH對乙醇產(chǎn)率影響不明顯;3 L發(fā)酵罐放大實驗中乙醇產(chǎn)率為0.234 g/g．雖然水洗之后的乙醇得率有所提高,但是相比于水洗之后的廢水處理、水的消耗等問題，可以采取將預處理完的漿液進行直接發(fā)酵．