紅薯干原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究

第26卷第5期西科學(xué)Vol. 26 No 52008年10月JIANGXI SCIENCE0ct.2008文章編號:1001-3679(2008)05-0719-05紅薯干原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究方毅',印培民2,黃筱萍2(1南昌大學(xué)生命科學(xué)院,江西南昌330031;2.江西省科學(xué)院微生物研究所江西南昌330029)摘要:本研究以紅薯干為原料,用同步糖化發(fā)酵(SSF)生產(chǎn)燃料乙醇的新工藝,應用 ackett-Bum_n實(shí)驗設計篩選彩響乙醇發(fā)酵的重要工藝參數,然后通過(guò)Bx- Behnken實(shí)驗設計確定各重要工藝參數的最佳水平。實(shí)驗結果表明,彩響酒精產(chǎn)量的重要參數是初始pH、接種量和發(fā)酵溫度。優(yōu)化后的最佳工藝條件為初始pH4.4、接種量8.3%,發(fā)酵溫度36.7℃,淀粉利用率達到89.25%。在此條件下進(jìn)行50L發(fā)酵罐實(shí)驗,48h其淀粉利用率達到89.12%。關(guān)鍵詞紅薯干;同步糖化;然料乙醇;響應面法(RSA)中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:AProduction of Ethanol by Simultaneous Saccharifictionand Fermentation from Sweet PotatoFANG Yi, YIN Pei-min, HUANG Xiao-ping(1. College of Life Science, Nanchang University, Jiangxi Nanchangnstitute of Microbiology, Jiangxi Academy of Sciences, Jiangxi Nanchang 330029 PRC)Abstract: The production of ethanol from sweet potato by simultaneous saccharification and fermentation(SSF)is presented. In the experiments, the kept parameters influencing ethanol fermentationwere screened out by Plackett-Burman design, then the optimum values of the parameters were de-termined by Box-Behnken design. The results suggested that the important parameters includedtial pH, inoculation amount and fermentation temperature. The optimum conditions were as followsitial ph at 4.42, inoculation amount as 8. 35%, and fermentation temperature 36. 69 C. Undersuch conditions starch utilization ratio can reach 89. 12% in 50 L ferment or at 48 h.Key words: Sweet Potato, Simultaneous Saccharifiction and Fermentation, Fuel ethanol, Responssurface analysis( RSA0前言的壓力穩定糧食生產(chǎn),增加就業(yè)和農民的收人減少環(huán)境污染而備受關(guān)注,并成為各國競相研究能源問(wèn)題是當今世界面臨的最為重要的問(wèn)題與開(kāi)發(fā)的重要課題之一。我國在“十五”期間將之一,隨著(zhù)全球性能源短缺及石油危機的發(fā)生,尋開(kāi)發(fā)燃料乙醇等石油替代品,節約石油資源的舉找新的能源資源已成為當前世界各國決策層不可措列入了國家發(fā)展計劃綱要,并在河南黑龍江和回避的緊要任務(wù)。生物質(zhì)燃料乙醇作為一種可再吉林分別開(kāi)展小麥燃料乙醇、玉米燃料乙醇的試生能源,其發(fā)展的背景和動(dòng)力因能緩解能源危機生vTL中國煤化工國燃料乙醇采用收稿日期:2008-07-28;修訂日期:2008-08-23CNMHG作者簡(jiǎn)介:方毅(198-),男湖南岳陽(yáng)人南昌大學(xué)在讀碩士研究方向為發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制720江西科學(xué)2008年第26卷若干單一的糧食原料生產(chǎn)存在一定的片面性。出表1 Plackett- Burman實(shí)驗設計因素水平及編碼于原料多元化,燃料乙胖消費分布運輸等因素考慮,我國未來(lái)的燃料乙醇項目重點(diǎn)應在南方地區因素變量編碼水平未編碼編碼布設,并且其原料的選擇應關(guān)注資源豐富的紅薯H4)2S04/%X木薯等原料2l。CaC12/%甘薯( Sweet Potato)又名紅薯(芋)、白薯液化溫度/℃X3(芋)、番薯、紅苕、地瓜、山芋等。甘薯在我國種糖化酶量/%X40.050.1植面廣,全國除青藏高原外,各地均有種植,尤以黃淮平原、四川和東南措海各省山丘地帶較為集初始pH中。我國甘薯種植面積為1000×10ha,總產(chǎn)約接種量/%X1.5×10°t,居世界之首。紅薯所含淀粉濃度高,發(fā)酵溫度/℃X且氮源豐富,很適合作為燃料乙醇的生產(chǎn)原料。發(fā)酵時(shí)間/h本文探討了采用同步糖化發(fā)酵3( Simultaneous Saccharification and Fermentation,SSF)法,以從 Plackett- Burman實(shí)驗篩選出的重要因紅薯干為原料進(jìn)行燃料乙醇生產(chǎn)的生產(chǎn)條件的優(yōu)素,因素取值作進(jìn)一步調整后,利用 Design-Ex化(借助統計軟件),為工業(yè)應用提供依據。pert Version6.0.5(Stt-Ease,inc2001)進(jìn)行Box1材料與方法- Behnken響應面法實(shí)驗,最后驗證模型的可信度和50L發(fā)酵罐的放大發(fā)酵實(shí)驗。1.1菌種釀酒酵母( Saccharomyces cerevisiae)y-1,2實(shí)驗結果與討論江西省科學(xué)院生物技術(shù)有限責任公司保存。2.1PB實(shí)驗12材料Plackett- Burman(PB)法是一種近飽和的2優(yōu)質(zhì)紅薯干(江西省科學(xué)院生物技術(shù)有限責水平試驗設計方法。它基于非完全平衡塊原理,任公司紅薯基地出產(chǎn),淀粉含量6%左右),液化能用最少試驗次數估計出因素的主效應,以從眾酶(杰能科公司產(chǎn)品),糖化酶(杰能科公司產(chǎn)多的考察因素中快速有效地篩選出最為重要的幾品),(NH4)2SO4(工業(yè)級)。個(gè)因素供進(jìn)一步研究-。13主要實(shí)驗儀器本文以淀粉利用率為響應值,選用實(shí)驗次數氣相色譜儀(島津GL14B),旋轉蒸發(fā)器(江為N=12的實(shí)驗設計,對(NH)2SO,液化溫度,蘇常州),數顯pH計( Sartorius PH-10)。CaCl2,糖化酶量,初始pH,接種量,發(fā)酵溫度,發(fā)14實(shí)驗內容與乙醇濃度檢測方法酵時(shí)間進(jìn)行考察,各因素水平依據單因素實(shí)驗和1.4.1乙醇濃度檢測取100g發(fā)酵液,倒人經(jīng)驗選取,結果見(jiàn)表2。500mL燒瓶中,再加人100g水,蒸發(fā)出100g液從表3的結果可知,初始pH和接種量對本釀體將蒸發(fā)出的液體加入內標物進(jìn)行乙醇濃度的酒酵母產(chǎn)酒精影響最顯著(zhù)(P=0.0002<0.05),在檢測。氣相條件為:島津C14B氣相色譜儀G95%的概率水平上差異顯著(zhù)發(fā)酵溫度次之(P=300色譜柱色譜柱起始溫度70℃,最終溫度0.0826<0.1),在90%的概率水平上差異顯著(zhù),200℃,汽化室,熱導檢測器的溫度均200℃。且初始pH對乙醇產(chǎn)生為負影響,隨著(zhù)pH的升1.4.2實(shí)驗內容先通過(guò)單因素實(shí)驗確定了紅高,乙醇產(chǎn)量降低;接種量與發(fā)酵溫度均為正影薯干粉發(fā)酵的最適加水比(1:4,綜合考慮酒精響隨著(zhù)其兩者的升高,乙醇產(chǎn)量也升高。而其他度和淀粉利用率),粉碎度(40目),添加氮源的種因素則在90%的概率水平上差異均不顯著(zhù),對乙類(lèi)(NH4)2SO4),再利用JMP軟件( version40.醇產(chǎn)率貢獻不大結合上表的t值檢驗結果,從經(jīng)5, SAS Institute Inc..1989-201)中的 Plackett-濟角廿C-液化溫度,糖化Burman法從8個(gè)因素中篩選出重要因素,各因素酶量中國煤化工碼水平編碼水平見(jiàn)表1。值)。CNMHG第5期方毅等:紅薯干原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究721表2 Placket- Burman法實(shí)驗設計和結果x3淀粉利用率/%8482.86.81∞1347200911表3 Plackett- Burman實(shí)驗的效應評價(jià)代碼因素t值Prob> ItI重要性(NH4)2SO4/%0.3液化溫度℃120.270.80817586糖化酶量%0.3436初始pH接種量/%23.270.0002發(fā)酵溫度/℃3.770.0826發(fā)酵時(shí)間/h0.22362.2Box- Behnken響應面法實(shí)驗計,實(shí)驗安排情況和結果見(jiàn)表5。依據 Plackett- Burman實(shí)驗結果與實(shí)驗因子表5響應面分析實(shí)驗設計及結果水平動(dòng)態(tài)預測圖取值進(jìn)行Box- Behnken響應面淀粉利用率法實(shí)驗,各水平如4表。實(shí)驗號A實(shí)驗值預測值表4Box- Behnken實(shí)驗因素水平及編碼88.38188.7088.53因素變量編碼水平編碼編碼0187.6287.44初始pH.22接種量/%B610101088.3388.32發(fā)酵溫度℃086.878707087.9587000087.8787.67設該模型通過(guò)最小二乘法擬合的2次多項方0088.6088.77程為:1188.91Y=c+∑ax+∑bx0088.85088.8088.式(1)中Y為預測響應值,即淀粉利用率的預測187.1587值;x和x為自變量編碼值;c為常數項;a為線(xiàn)5中國煤化工88.86性系數;b為2次項系數;n為因子數,本試驗中CNMH為3。使用 Design- Expert進(jìn)行Box- Behnken設722江西科學(xué)2008年第26卷通過(guò)表5中淀粉利用率試驗數據對方程(1)預測值能與試驗值具有高度相關(guān)性。在這個(gè)試驗進(jìn)行多元回歸擬合,獲得紅薯同步糖化發(fā)酵乙醇中,R2=0.9677,表明僅有不到4%的酒精產(chǎn)量試驗中淀粉利用率對編碼自變量初始pH、接種量不能由該模型解釋和發(fā)酵溫度的2次多項回歸方程(2)同時(shí)由表6可見(jiàn),3個(gè)試驗因素對淀粉利用淀粉利用=9708+9.02A+2.26B-1.850C率的曲面效應皆顯著(zhù);溫度和pH的交互影響顯1014A2-0.129B2+0.027C2+3.75E-0.03AB著(zhù)而其它兩兩交互皆不顯著(zhù);初始pH和發(fā)酵溫8.333E-0.04AC-2.5E-0.03BC(2)度兩因素對淀粉利用率線(xiàn)性影響效應顯著(zhù),但接從該模型的方差分析(表6)可見(jiàn),“ Model種量線(xiàn)性影響效應不顯著(zhù),原因可能是在響應面Pob>F”等于0.0019遠小于0.05,說(shuō)明模型是試驗中已將接種量范圍縮小在一個(gè)較合適的區重要的。一般認為,相關(guān)系數R2大于0.9,表明間所以接種量的變化影響已不顯著(zhù)表6淀粉利用率回歸方程系數及顯著(zhù)性檢驗模型項系數估計標準誤差平方和均方F值PIntercept88.910.110.180.260.07590.0280.1273.39<0.0010.00330.240.120.250.0787AB7.500E-0030.122.250E-0042.250E-0043.814E-0030.95252.500E-0030.122.250E-0052.250E-0044.238E-0040.98140.0150.122.25E-0042.25E-0040.0150.90522.3模型驗證2.4最佳發(fā)酵條件為驗證淀粉利用率模型方程(1)的合適性和通過(guò)對淀粉利用率曲面方程(2)求解得知,有效性,在初始pH接種量和發(fā)酵溫度試驗水平在初始pH為4.4、接種量為8.3%、發(fā)酵溫度為范圍內,選擇性地進(jìn)行了6組不同組合驗證實(shí)驗36.7℃時(shí),紅薯干同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇的淀粉利(表7)。利用SPSs( version10.0, SPSS In.USA)用率最大預測為8925%;對最佳點(diǎn)進(jìn)行搖瓶驗軟件對表中數據進(jìn)行距離相關(guān)分析得知,淀粉利證試驗,結果乙醇濃度達到8.1%,淀粉利用率為用率實(shí)測值與預測值的相關(guān)系數r為0.9516,證89.38%,表明預測值與驗證試驗很接近。明此模型是合適有效的。2.550L罐放大發(fā)酵試驗表7模型驗證利用優(yōu)化后的條件(適當調整初始pH、接種姐號初的種量發(fā)畫(huà)度直程圍值量和發(fā)酵溫度分別為44、8%和37℃)進(jìn)行50L發(fā)酵罐的放大實(shí)驗發(fā)現在48h處發(fā)酵基本完1428.5368708860成,乙醇濃度不再增加,計算其原料的淀粉利用24.53788.6888.71率,可以達到8912%,且乙醇濃度為7.9%,殘糖88.5788.48濃度為2.47g/L,說(shuō)明優(yōu)化后的條件同樣適合于50L發(fā)酵罐的生產(chǎn)。54.58.53中國煤化工4.8CNMHGm1實(shí)驗設計選出的重要因素再用響應面法建立了紅薯干同步糖第5期方毅等:紅薯干原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究723·化發(fā)酵產(chǎn)生乙醇時(shí)淀粉利用率的2次多項數學(xué)模發(fā)酵生產(chǎn)乙醇[J].過(guò)程工程學(xué)報,005,5(3):352型。通過(guò)對模型方程的求解及方差分析,獲得了356.的最佳發(fā)酵工藝條件,即在初始pH、接種量和發(fā)酵4】歐宏字,賈土需,sAs敏件在微生物培養條件優(yōu)化溫度分別為4.48.3%和36.7℃時(shí)紅薯干同步糖中的應用[]天津輕工業(yè)學(xué)院報,2001,36(1):14化發(fā)酵產(chǎn)乙醇的淀粉利用率最大預測為892%,并18[5]胡永紅,沈樹(shù)寶歐陽(yáng)平凱響應面分析法用于微生驗證了模型的可信性。物培養基濃度的優(yōu)化[].工業(yè)微生物2002,32許多研究工作表明,合理地使用優(yōu)化方法,尤(1):9-12其是 Plackett- Burman和響應面分析法,在微生[6]郝學(xué)財,余曉斌,劉志鈺,等響應面方法在優(yōu)化微物培養基的優(yōu)化工作中能取得良好的效果。通過(guò)生物培養基中的應用[J].食品研究與開(kāi)發(fā),2006,對RSM的研究表明,研究工作者可以在更廣泛的27(1):38-41.范圍內考慮因素的組合,以及對響應值的預測,而[7] Quinn Gerry P, Keough Michaei J. Experimental Design均比一次次的單因素分析方法更有效。and Data Analysis for Biologists[M]. New York: Cam-bridge University Press, 2002參考文獻:[8] Bandaru VV R, Somalanka S R, Menduc D R, et al[1]杜連起,張紅新試論我國甘薯加工產(chǎn)業(yè)化[J]河Optimization of fermentation conditions for the produc-北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報,2002,16(2):61tionof ethanol from sago starch by co-immobilized[2]傅學(xué)政朱薇管天球我國紅薯生產(chǎn)燃料乙醇的amyloglucosidaseand cells of Zymomonas mobilis usingresponse surface methodology [J]. EMicrob綜合效益分析[].湖南科技學(xué)院學(xué)報,2006,27Technol.2006,38:209-214.(11):183-18[3]劉振,王金鵬張立峰,等.木薯干原料同步糖化(上接第696頁(yè))[12]潘黔生,方之平四種鯉科魚(yú)類(lèi)腸道中胃泌素免疫1995,41(2):167-172活性細胞的免疫組織化學(xué)定位及比較[冂]華中農[19]張席錦生長(cháng)抑素[A].王志均胃腸激素[M].北業(yè)大學(xué)學(xué)報,1988,7(3):238-242.京:科學(xué)出版社,1985[13]方之平潘黔生,聶秀云,等兩種有胃真骨魚(yú)胃腸[20] Pan QS, Fang ZP, ZhaoYi. Immunocytochemical i胰系統中內分泌細胞的鑒別與定位[].華中農業(yè)dentification and localization of APUd cells in the gut大學(xué)學(xué)報,1997,16(6):594-5of seven stomachless teleost fishes[J]. 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