木糖與葡萄糖共發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇條件的優(yōu)化研究

釀酒科技2008年第2期(總第164期) LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2008No.2(ol.l64)木糖與葡萄糖共發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇條件的優(yōu)化硏究趙黨陽(yáng),郭夏麗,王巖鄭州大學(xué)化工學(xué)院,河南鄭州45001)摘要:對酵母菌M-3進(jìn)行了葡萄糖和木糖共發(fā)酵產(chǎn)乙醇條件的優(yōu)化研究。結果表明,發(fā)酵的最優(yōu)憊件為:pH溫度34℃,轉速70τmin,初始糖濃度60g,葡萄糖與木糖的質(zhì)量比為21l。在該條件下,發(fā)酵所得燃料乙醇濃度為23.0gL,糖醇轉化率為383%關(guān)鍵詞:木糖;葡萄糖;燃料乙醇;發(fā)酵中圖分類(lèi)號:TS2622;TS2614;TS261;TQ920文獻標識碼:A文章編號:1001-9286(2008)02-0049-03Study on the Optimization of Fuel Ethanol Production Conditions byCo-fermentation of Xylose and glucose by Yeast M-3ZHAO Dang-yang, GUO Xia-li and WANG Yan(School of Chemical Engineering of Zhengzhou University, Zhengzhou, He'nan 450001, China)Abstract: The co-fermentation conditions of xylose and glucose by yeast M-3 to produce fuel ethanol were studied. The results showed that theoptimum conditions were as follows: initial pH value was 6.5 and the temperature was at 34 C, rotating speed was at 70 r/min, initial sugarconcentration was 60 g/L, and mass ratio of glucose and xylose was 2 1. Under the above conditions, the produced fuel ethanol concentrationas 23.0 g/L and the conversion rate of sugar to ethanol was 38.3%Key words xylose; glucose; fuel ethanol; co-fermentation隨著(zhù)全球能源危機的加劇,人們越來(lái)越重視燃料乙111試驗菌種醇的生產(chǎn)。傳統的以淀粉質(zhì)為原料的乙醇生產(chǎn)成本太酵母菌M-3,由鄭州大學(xué)環(huán)境與生態(tài)研究所篩選。高,而利用玉米秸稈等農作物廢棄物生產(chǎn)燃料乙醇不112混合發(fā)酵培養基僅成本低,同時(shí)能緩解廢棄物對環(huán)境的污染,又能減輕混合糖(葡萄糖和木糖,按實(shí)驗要求稱(chēng)量),酵母膏燃料生產(chǎn)對糧食的依賴(lài)。因此,以木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)2gL,磷酸二氫鉀1gL,硫酸鎂0.5gL,蛋白胨10gL,燃料乙醇的技術(shù)成為當前的研究焦點(diǎn)。木質(zhì)纖維原料的121℃下滅菌30min,備用。水解液中主要含有葡萄糖和木糖2種成分。同時(shí)發(fā)酵1.2試驗方法這2種糖生產(chǎn)燃料乙醇,能夠充分利用原料,降低生產(chǎn)250mL的搖瓶中裝入50mL的混合發(fā)酵培養基,成本。20世紀80年代開(kāi)始世界范圍內掀起了木糖與接入M-3發(fā)酵菌?？疾煸诓煌琾H、不同發(fā)酵溫度、不同葡萄糖共同發(fā)酵的研究熱潮,并取得了一定的成果。搖床轉速、不同初始糖濃度、葡萄糖與木糖的不同比例Ingram利用基因技術(shù)構建菌種 E coli Kol1,該菌幾乎等因素對乙醇發(fā)酵的影響。通過(guò)單因素影響實(shí)驗和正交可以發(fā)酵木質(zhì)纖維原料水解液中所有的糖分,乙醇生產(chǎn)實(shí)驗,確定優(yōu)化的發(fā)酵條件。能力比較高。山東大學(xué)也研究了粗糙脈孢菌對木糖和13測定方法葡萄糖的共同發(fā)酵,并取得了一定的成果國。乙醇測定用氧化還原反應比色法岡。本實(shí)驗利用實(shí)驗室自行篩選的M-3酵母菌對木糖酵母菌生長(cháng)測定:利用分光光度計,以滅菌的培養和葡萄糖的共同發(fā)酵進(jìn)行了研究,以期對纖維素燃料乙基為空白,比色皿厚度為05cm,波長(cháng)600mm,測定培醇的工業(yè)化生產(chǎn)提供一些技術(shù)參考。養液的OD值。用該值表示酵母菌的生長(cháng)量。1材料與方法木糖含量測定:1mL糖化液加4mL地衣酚試劑保中國煤化工值,結合木糖標準曲線(xiàn)1.1材料CNMHG收稿日期:2007-11-1作者簡(jiǎn)介:趙黨陽(yáng)(1983-),男河南鎮平縣人碩士研究生,主要從事生物質(zhì)能方面的研究工作。,501釀酒科技208年第2期(總第14期, LIQUOR-MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2000a164總糖和葡萄糖含量測定:總糖含量測定用DNS法,因素之一。在250mL的搖瓶中裝入50mL的發(fā)酵液總糖含量減去木糖含量即得葡萄糖含量葡萄糖與木糖質(zhì)量比為2:1,pH5,溫度34℃,考察不同2結果與分析搖床轉速對發(fā)酵的影響,結果見(jiàn)圖2。1溫度對發(fā)酵的影響溫度是影響微生物代謝的重要因素之一。在適宜的溫度范圍內,溫度升高微生物代謝速率相應提高;過(guò)高2N或過(guò)低的溫度均會(huì )降低代謝速率。因此,在不同的溫度一乙醇濃度(g/L)下對酵母菌M-3進(jìn)行了發(fā)酵試驗。試驗結果見(jiàn)表1。菌體生長(cháng)量(OD6)0.5表1溫度對發(fā)酵的影響溫度葡萄糖木糖乙醇醇菌體轉速(r/min)(g/l)(g/L)(g/)(%)(ODe) pH圖2搖床轉速對發(fā)酵的影響284.125.196.410.70.643.90303.974.8810.317.21.274.02從圖2可以看出,搖床轉速對乙醇發(fā)酵影響較大,323.8542615425.71.404.05轉速為70rmin時(shí),乙醇濃度達到最大。高于或者低于343.623.901983301.924.1470r/min,乙醇濃度均減小;搖床轉速對菌體量也有明顯353.744.1218.130.21.393.91影響,隨著(zhù)轉速的加大菌體量逐漸增加。在低轉速條件從表1可看出,隨著(zhù)溫度的升高,乙醇濃度逐漸增下(<70rmin),發(fā)酵液中溶解氧少,酵母菌M-3生長(cháng)加。在34℃時(shí)乙醇產(chǎn)量最大,為198gL,此時(shí)的糖醇轉量低,從而影響了酵母菌的發(fā)酵能力;在高轉速條件下化率為330%當溫度超過(guò)34℃時(shí),乙醇濃度就開(kāi)始降>70rmi),發(fā)酵液中的溶解氧較充足,菌體的有氧呼低。同時(shí)菌體生長(cháng)量也表現出類(lèi)似的變化規律,表明吸作用增強,菌體繁殖速率增加而乙醇產(chǎn)量降低。研究定量的酵母菌數是乙醇發(fā)酵的必要條件。隨著(zhù)乙醇濃度表明酵母菌木糖發(fā)酵需要微好氧條件,而葡萄糖發(fā)酵的增加,相應的有機酸副產(chǎn)物的量減少,因此,發(fā)酵液的需在厭氧條件下進(jìn)行。在轉速為70rmin時(shí),乙醇濃度終止pH也有所上升最高,表明此時(shí)有利于木糖發(fā)酵。在實(shí)際生產(chǎn)中,由于葡22初始pH對發(fā)酵的影響萄糖和木糖共存于木質(zhì)纖維素的水解糖液中,可以在發(fā)微生物的代謝與pH有密切的關(guān)系,為此試驗了初酵初期,加大通氣量使酵母菌迅速繁殖以擴增酵母菌細始pH對發(fā)酵的影響,以考察不同初始pH對發(fā)酵的影胞,隨后減小通氣量,維持微好氧狀態(tài),使酵母菌充分發(fā)響。結果見(jiàn)圖1所示。酵木糖和葡萄糖高效產(chǎn)生乙醇。24混合液中葡萄糖與木糖質(zhì)量之比對發(fā)酵的影響鼬N混合液初糖濃度為60gL,選取葡萄糖與木糖質(zhì)量之比為1:1、2:1、3:1,研究2種單糖質(zhì)量比對發(fā)酵的影響,結果見(jiàn)表2。表2葡萄糖和木糖比例對發(fā)酵的影響乙醇濃度(g/L)葡萄糖葡萄糖木糖乙醇糖醇菌體菌體生長(cháng)量(00)0.5與木糖濃度濃度濃度轉化率生長(cháng)量比例(gL)(gU)(g)(%)(oDa)9.92:13.623.9023.038.31.41圖1初始pH對發(fā)酵的影響16.4圖1表明,pH為5時(shí),乙醇濃度最高為20.2gL,且從表2可以看出,葡萄糖與木糖之比為11時(shí),乙醇有最高的菌體生長(cháng)量葡萄糖濃度為07gL,木糖濃度濃度和糖醇轉化率最低;兩者之比為21時(shí),乙醇濃度和為115gL,表明初始pH為5時(shí),既有利于菌體生長(cháng),糖醇轉化率最高。隨著(zhù)葡萄糖與木糖比例增大,菌體量又有利于乙醇發(fā)酵逐漸增中國煤化工∈繁殖優(yōu)先選擇的良23搖床轉速對發(fā)酵的影響好碳源CNMHG加,菌體量增加。當在培養容器體積與裝液量相同的情況下?lián)u床轉速質(zhì)量比M1時(shí),葡面柵勻不糖濃度均為30gL時(shí),與溶解氧有密切關(guān)系,而溶解氧是影響木糖發(fā)酵的重要木糖濃度相對于酵母菌菌體量過(guò)剩從而產(chǎn)生木糖發(fā)酵趙黨陽(yáng)郭夏麗,王巖·木糖與葡萄糖共發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇條件的優(yōu)化研究乙醇的基質(zhì)抑制作用,導致乙醇產(chǎn)量很低。當質(zhì)量比為從表4可以看出,第7號試驗得到的乙醇濃度最3:1時(shí),由于葡萄糖濃度較高,菌體量加大,但木糖量相高,為199gL,可以確定組合ABC3為最佳組合。應減少,致使乙醇產(chǎn)量也不高。而質(zhì)量比為2:1時(shí),糖醇從各因子極差分析RB>RC>RA,表明,在發(fā)酵條件轉化率最高,表明此時(shí)的木糖量和菌體量均有助于乙醇中,對乙醇濃度影響最大的因素是發(fā)酵溫度,其次是轉的產(chǎn)生速,而pH對乙醇濃度的影響最小。2.5初始糖濃度對發(fā)酵的影響從因素均值來(lái)看,A1>A2>A3,B1>B3>B2,C3>發(fā)酵液中糖的濃度對微生物的生長(cháng)和發(fā)酵起著(zhù)直C>C2,根據此結果可以確定,最佳發(fā)酵條件組合為接的作用,而且直接影響了單位發(fā)酵設備的產(chǎn)量和生產(chǎn)ABC3,這與第7號試驗的條件只有pH不一致。分析各成本。研究初始濃度對發(fā)酵的影響至關(guān)重要。因素的均值,發(fā)現溫度的均值1和均值3以及轉速的均葡萄糖與木糖質(zhì)量比為2:1,研究不同初始糖濃度值1和均值3均差別不大,加之,pH對乙醇濃度的影響對發(fā)酵的影響。初始糖濃度越大,菌體生長(cháng)量越大,在最小,由此分析推測,ABC1有可能也是最佳組合。由上100gL糖濃度下菌體生長(cháng)量最大,表明酵母菌M-3能述單因素實(shí)驗得知,其他條件不變,在pH5、溫度34℃、夠耐受高糖濃度。糖醇轉化率在60gL時(shí)達到最大,表轉速70rmin的條件下,發(fā)酵所得燃料乙醇濃度可高達明高糖濃度不利于乙醇發(fā)酵。230gL。從而證明了ABC1也是最佳組合。由此初表3始糖濃度對發(fā)醇的影購ABC3和ABC1均為最優(yōu)組合,從降低能耗的角度出發(fā),選擇ABC1為最佳組合。糖濃度濃度濃度濃度轉化率生長(cháng)量(g/L)(g/L)(g/L)(g/L)(%)(0D∞)3結論3.1531.61.1212213.533.81.3631通過(guò)對M-3共發(fā)酵葡萄糖和木糖混合液產(chǎn)乙醇試36239021.5358141驗研究,得出共發(fā)酵葡萄糖和木糖生產(chǎn)乙醇的最優(yōu)條件4825.12732.119263231831.8為pH5、溫度34℃、轉速70rmin,初始糖濃度60gL葡萄糖與木糖的比為21。2.6發(fā)酵條件的正交實(shí)驗設計3.2酵母菌利用葡萄糖的能力大于木糖,并且是優(yōu)先過(guò)單因素試驗初步確定了溫度pH、搖床轉速的利用葡萄糖。通過(guò)正交試驗分析各個(gè)因素發(fā)現溫度對最適值。為了考察這3個(gè)因素在組合條件下如何影響發(fā)發(fā)酵過(guò)程最關(guān)鍵其次是轉速影響最小的是pH酵,對3因素進(jìn)行了正交試驗,結果見(jiàn)表4參考文獻:表4發(fā)酵條件的正交試驗[1] Delgenes J P, Scare M C. Biological production of industrial因素chemicals, i.e. xylitol and ethanol, from lignocelluloses by試驗號p溫度(℃)轉速(r/in)空白乙醇濃度controlled mixed culture systems[J]. Industrial Crops and(d) (g/L)Products,1998,(7):101-1lL11(5)1(30)1(70)18.5[2] Peter F. Gomez, L O Ingram. Cloning, sequencing and charac-terization of the alkaline phosphatase gene(phoD)from3(34)3(120)317.1Zymomonas mobilis]. FEMS Microbiology Letters, 1995, 125:42(6.5)123131237-24510.618.5[3]史文龍酒精生產(chǎn)酵母菌株木糖代謝工程及其發(fā)酵工藝的初73(6)19.9步研究[D]濟南:山東大學(xué),2005839.2[4]王興紅,江東福,馬萍,等低含乙醇的簡(jiǎn)便測定方法[生物學(xué),1995,(3):28-29均值116.13316.56715.40013.000[5]劉健陳洪章李佐虎木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的研究[工業(yè)微生均值213.46710.86711.33317.067物,2001,(2):3641均值313.00015.16715.86712.533極差R2.6666.7004.5346]孫培勤,劉大壯實(shí)驗設計數據處理與計算機模擬[鄭州河南科學(xué)技術(shù)出版社,2001國產(chǎn)葡萄酒占市場(chǎng)八中國煤化工CNMHG本刊訊:據中國釀酒協(xié)會(huì )發(fā)布的國內菊葫酒與烈性酒教據分析調查,王朝、T奪白掂J屮葡萄酒市場(chǎng)85%的份額。預計2008年至201年間,中國葡葫酒年消費量以70%以上的速度增長(cháng),將成為全球第八大葡萄酒消費國。近年來(lái),全球葡萄酒消費平均年增長(cháng)速度僅有1%,而亞洲葡萄酒消赍年均增速接近8%。(小小)