乙醇及发酵废液预处理秸秆条件的研究

马英辉,王联结,李远兵

(陕西科技大学生命学院,陕西西安 710021)

乙醇及发酵废液预处理秸秆条件的研究

马英辉,王联结＊,李远兵

(陕西科技大学生命学院,陕西西安 710021)

利用酒精厂的乙醇发酵废液对小麦秸秆进行预处理,处理液仍在本厂回收后再利用,这样有助于降低预处理成本,促进纤维素乙醇的发展。经实验,处理小麦秸秆的最佳条件为乙醇、杂醇油体积比为 1∶1,处理温度 110℃,处理时间为200min,处理后的秸秆酶解率达到83.3%,比直接酶解高出近50%,但由于纤维糖化液中抑制发酵成分的存在,使得发酵的酒精度只有 6%左右。

发酵废液,小麦秸秆,预处理,条件研究

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小麦秸秆 1～2cm;杂醇油、酿酒高活性干酵母南阳天冠酒精厂;纤维素酶 2000u/g。

玻砂漏斗 G2、G3;电热鼓风干燥箱 101-1型;电子天平 Bs223s;722分光光度计。

1.2 实验方法

用乙醇及其发酵废产物(杂醇油)按照一定比例混合,对小麦秸秆进行浸泡蒸煮,浸泡蒸煮后参照文献[6],测定木素的溶解率和碳水化合物的保留率,确定最佳的处理条件 (乙醇与杂醇油浓度比、温度、时间),然后选取最佳的条件对秸秆进行预处理,处理后用纤维素酶进行水解,用DNS法还原糖标准曲线测定还原糖的得率,如图 1,并进行简单乙醇发酵实验,用比重法测定酒精产率。

图1 葡萄糖标准曲线

2 结果与分析

2.1 乙醇与杂醇油比例梯度实验

按乙醇与杂醇油比例 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,分别加入 5g秸秆,在 100℃下蒸煮 5h后,滤出秸秆并干燥,测木素溶解率和碳水化合物的保留率。

从图 2来看,处理液乙醇与杂醇油的比例对于木素的溶解有相对较大的影响,而对碳水化合物的作用不是很明显,这是由于乙醇和杂醇油在处理过程中,对木素具有选择性溶解;另外作为乙醇发酵废液主要成分杂醇油的加入,能够使得处理液溶解木素的能力更强,因为异戊醇在杂醇油中占 50%以上,它比乙醇的亲质性能更强。

图2 处理液对降解秸秆的影响

2.2 处理温度实验

将乙醇和杂醇油按照 4∶6的比例混合,配制成250mL的处理液,放入 5g小麦秸秆,分别在 40、60、80、100、120、140、160℃下作蒸煮处理 5h,处理后过滤测定各个温度下秸秆木素的降解率和碳水化合物的保留率。温度是一个非常敏感的因素,它的变化无论是对木素的溶解率还是碳水化合物的保留率都有非常明显的影响,见图 3。处理温度在 100℃以上时,随温度的增加,木素的溶解量增率下降,而处理温度在 80～100℃时,碳水化合物的保留率处于相对平稳的状态,因此在 100℃左右应该是较为合适的温度。

图3 处理温度对降解秸秆的影响

2.3 处理时间实验

将乙醇和杂醇油按照 4∶6的比例混合,配制成250mL的处理液,放入 5g小麦秸秆,在 100℃下作蒸煮处理 500min,每隔 50min测定秸秆木素的溶解率和碳水化合物的保留率。图 4中显示,木素主要集中在前 200min,处理时间达到 200min后木素的溶解增长率缓慢,而碳水化合物在 150min左右保留率在70%左右,主要是部分半纤维素溶解,在 250min后碳水化合物溶解急剧增强,因此处理时间保持在200min左右为好。

图4 处理时间对降解秸秆的影响

2.4 正交实验及结果

根据以上单因素实验,确定正交实验的因素及水平,见表1。

表 1 秸秆预处理条件正交实验因素水平表

将正交实验处理后的秸秆用热的乙醇冲洗后,再用热的蒸馏水冲洗,洗至冲洗液呈中性,然后在pH=4.5的柠檬酸缓冲溶液中用纤维素酶进行水解,温度为 55℃,加酶量为 28u/g(干物质),水解 10h后测定吸光值,利用葡萄糖标准曲线计算还原糖得率,如表2。

表2 秸秆预处理正交实验结果及分析

从表 2的极差分析可以看出,影响处理秸秆的因素依次为温度 ＞时间 ＞乙醇∶杂醇油比例;处理的最佳条件为：乙醇∶杂醇油为 5∶5,温度为 110℃,处理时间为 200min。

2.5 酶解发酵实验

取 10g秸秆,在最优的处理条件 (5∶5、110℃、200min)下对其进行预处理,然后用纤维素酶在 55℃下水解 10h,同时取未处理的在相同条件下用酶水解,还原糖得率分别为35%和16%,纤维素的糖转化率为 83.3%和 38%,说明预处理脱出了部分木素,减少了木素对纤维素酶分子的空间阻碍和无效吸附,使得酶解率有所增加。

取 1000mL三角瓶 6个,分别编号,加入 500g酒精发酵液体培养基 (蛋白胨 3.5%、酵母粉 4%、尿素0.15%,1～3号加入酶解后的糖化液,使培养基糖浓度为 20%,4～6号加入固体葡萄糖,使其保持同样的浓度)灭菌后,按 10%的接种量接入活化后的高活性干酵母,放在 35℃下静止发酵,待三角瓶重量平均每小时的减少量小于 0.2g/h时,发酵结束,测定酒精度和残糖量如表 3,用纤维素糖化液发酵的效果明显不如用纯葡萄糖发酵,表现为发酵不彻底,残糖量过高,主要原因是在糖化液中残留抑制发酵的成分存在,主要来自于秸秆的预处理阶段。

表3 发酵醪液酒精度和残糖量

3 结论

对秸秆的预处理方法多种多样,但由于它的特殊结构,至今为止,还没有一种方法能够达到工业化的水平,此法是受到造纸工业中乙醇制浆的启发,利用酒精厂的发酵杂质以及变酸的酒精作为处理液来对小麦秸秆进行部分木素移除,以提高纤维素酶的水解效率。处理的最佳条件为：乙醇∶杂醇油为 5∶5,温度为 110℃,处理时间为 200min,处理后酶解率为83.3%,另外,在此强烈处理条件下,半纤维损失率达到 60%以上,怎样缓和处理条件,既能有效移除木素,又能减少碳水化合物的损失以及消除降解糖液中抑制发酵因子是今后研究的重点。

[1]陈洪章 .秸秆资源生态高值化理论与应用[M].北京：化学工业出版社,2006.

[2]王大山 .发展生物质气话利用可再生能源[J].农村能源, 1998(6)：18.

[3]唐卫军,肖波,杨家宽,等 .生物质转化利用技术研究进展[J].再生资源研究,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]刘书钗 .制浆造纸分析与检测[M].北京：化学工业出版社,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

能源问题是现在全世界都面临的一个非常严重的问题,它是关系到国际社会安全和经济社会可持续发展的中心议题。秸秆乙醇发酵是解决未来能源问题的重要途径,普遍受到各国的青睐,但是秸秆预处理技术的不成熟成为限制秸秆高值化利用的瓶颈。秸秆年产量约占生物质年产量的一半以上,秸秆中约 70%为碳水化合物 (水解后可生成可发酵性糖),20%左右为木素 (多种化工产品的原材料)[1],然而由于秸秆细胞壁纤维素的丝状结晶结构以及与木素嵌入式的连接,我国秸秆利用率只占发达国家利用率的 35%左右[2-3],怎样对秸秆进行预处理,低成本的把它所含的纤维素和半纤维素转化为可发酵性糖是各国研究的重点。传统的秸秆预处理方法酸法、碱法、氧化、氨处理、气爆等以及这几种方法的结合效果都可以,但最重要的一点,预处理成本太高,污染太严重,生物酶处理虽然清洁,但由于酶解效率太低,只有 10%～20%[4-5],因而造成成本太高,也难以达到工业化的要求。所以一种高效、清洁、廉价的秸秆预处理方法的出现迫在眉睫。酒精厂的发酵产物乙醇和其他的副产物(杂醇油)在一定的条件下都能够溶解木素,如果将其用于秸秆的预处理,处理后有机溶剂仍可进入酒精厂的蒸馏段进行回收,那将大大降低秸秆预处理的成本。本实验正是本着降低预处理成本的原则,利用酒精厂的乙醇及发酵后的废产物对小麦秸秆进行预处理,将木素从秸秆中分离,从而得到一定纯度的纤维素,以提高秸秆的酶解效率或酸解效率。

2009-05-11 ＊通讯联系人

马英辉(1984-),男,硕士研究生,研究方向：生物质能源。