綠藻生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究?

王輝等:綠藻生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究文章編號:1001-9731(2015)12-12061-04綠藻生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究王輝1,趙杉林,葛麗瑩1,薛向欣2,陸光,王菲(1.遼寧石油化工大學(xué)化工化學(xué)與環(huán)境學(xué)部,沈陽(yáng)113001;2.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院,沈陽(yáng)110819)摘要:主要探討了利用綠藻作為生物質(zhì)原料進(jìn)行高、適應性強、生長(cháng)速度快周期短、其光合效率(6%乙醇發(fā)酵的可行性及其發(fā)酵效果,考察了不同種類(lèi)綠8%)遠高于陸地植物(1.8%~2.2%),可以固定溫藻、硫酸濃度以及鈉離子濃度對乙醇產(chǎn)量的影響。研室氣體CO2,而且石莼屬海藻還可吸收水中的氮、磷和究結果證明石莼葡萄糖含量豐富,作為發(fā)酵♂醇的原重金屬污染物,具有一定的凈水作用1。因此,利用料是十分有潛力的。預處理過(guò)程中最適硫酸濃度為海藻為原料來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇具有很大的競爭優(yōu)勢和發(fā)2%,并利用氫氧化鈣調節pH值為5.5時(shí),其最大乙醇展前景。然而,目前海藻生物乙醇的問(wèn)題主要集中于濃度可高達30g/L,且產(chǎn)乙醇速率可達0.63g/(L原料的預處理以及乙醇產(chǎn)量不高等,因此本文主要探h),乙醇產(chǎn)量為37g/kg。在酶解存在的條件下,加大討了海藻預處理及其它因素對乙醇產(chǎn)量的影響,以確硫酸濃度水解對綠藻中葡萄糖的溶岀并沒(méi)冇很大幫定岀合適的預處理方法和發(fā)酵條件提高海藻生物乙醇助,主要影響其它五碳糖的溶岀。鈉離子對發(fā)酵產(chǎn)♂的產(chǎn)量。原料預處理主要有酸解法和酶解法Ⅵ。本醇過(guò)程的影響較大,鈉離子濃度過(guò)高會(huì )抑制廴醇產(chǎn)量文主要考察了酶與酸聯(lián)合對海藻單糖溶岀的影響以及以及產(chǎn)乙醇速率;而在氯離子存在的條件下,低鈉離子不同鹽離子對海藻燃料♂醇發(fā)酵的影響,以確定出合濃度便可對乙醇發(fā)酵產(chǎn)生嚴重抑制適的預處理方法和發(fā)酵條件提高海藻生物乙醇的產(chǎn)關(guān)鍵詞:綠藻;酸解;生物乙醇;乙醇產(chǎn)量;抑制量中圖分類(lèi)號:Q815文獻標識碼:ADOI:10.3969/isn.1001-9731.2015.12.0122材料與方法引言2.1菌株與試劑安琪酵母購買(mǎi)自安琪生物公司(安琪耐高糖高活隨著(zhù)能源危機日益加重,環(huán)境污染日益嚴峻的時(shí)性干酵母,呈白色顆粒狀);綠藻來(lái)自青島(本文硏究所代背景下,清潔、可再生能源得到人們的普遍關(guān)注口。用的綠藻分別屬于石莼屬和滸苔屬);實(shí)驗中所用試劑目前研究的生物質(zhì)能源主要有燃料乙醇、丁醇和生物均購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。柴油等2。燃料乙醇作為一種綠色能源具有非常廣闊2.2綠藻水解糖液制備的應用前景,如美國、巴西等國已實(shí)現了車(chē)用燃料乙醇2.2.1不同種類(lèi)綠藻水解糖液制備的應用,從而大幅降低了對石油能源的需求3。我國將石莼和滸苔分別粉碎后,稱(chēng)取一定量的綠藻粉吉林省是全國第一個(gè)使用車(chē)用乙醇汽油的省份,汽車(chē)末配制成350g/L的原料,依次加入液化酶(80IU/g尾氣排放的有害物質(zhì)降低了30%~60%。目前國和糖化酶(40IUg)分別酶解48和36h。液化酶處理內外生產(chǎn)燃料乙醇的原料主要是玉米、小麥等糧食類(lèi)條件為60℃、pH值為6.0,糖化酶處理條件為60℃生物質(zhì),其原料成本占燃料乙醇生產(chǎn)成本的比例高達pH值為4.5。將酶解后的原料用4%的硫酸進(jìn)行酸50%,利用該類(lèi)生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇將會(huì )加重社解,于120℃處理2h。3000g離心10min,收集上清會(huì )的糧食危機。采用廉價(jià)的非糧原料在一定程度上液。再用氫氧化鈣調節水解糖液的pH值至5.5。解決利用糧食原料生產(chǎn)燃料乙醇可能帶來(lái)的糧食問(wèn)106℃滅菌30min后備用。做3個(gè)平行發(fā)酵,取平均題。因此,尋找最佳的非食用生物質(zhì)原料代替糧食值作為最終結果作物生產(chǎn)燃料乙醇,已經(jīng)成為世界共識。美國、歐洲、2.2.2不同硫酸濃度水解糖液制備加拿大等國的纖維素乙醇生產(chǎn)已具產(chǎn)業(yè)化規模,而我稱(chēng)取一定量的石莼粉末配制成350g/L的原料國在2006年剛完成了年產(chǎn)500噸的纖維素乙醇中試依次加人液化酶和糖化酶分別酶解,方法和處理條件項目。相比于第一代以玉米乙醇為代表的生物燃料同2.2中國煤化工士用2%,4%和8%的硫乙醇和第二代以纖維素乙醇為代表的燃料乙醇,第三酸進(jìn)CNMHG3000g離心10min代海藻燃料乙醇具有其獨特的優(yōu)越性。海藻是一種收集上清液。再分別用氫氧化鈣和氫氧化鈉調節水解非常理想的生物質(zhì)原料10,海藻中碳水化合物含量糖液的pH值至5.5。滅菌方法同上,后做3個(gè)平行發(fā)*收到初稿日期:2014-10-14收到修改稿日期:2015-03-30通訊作者:王輝,E-mail:hui-w(a163.com作者簡(jiǎn)介:王輝(1981—),女,沈陽(yáng)人,講師,博士,從事環(huán)境工程及光催化材料研究12062幼私材料2015年第12期(46)卷酵,取平均值作為最終結果。因而導致了產(chǎn)乙醇能力上的差別。由于酵母產(chǎn)乙醇主2.2.3不同濃度鈉離子水解糖液制備要利用的是葡萄糖,而無(wú)法利用木糖和鼠李糖,顯然在稱(chēng)取一定量的石莼粉末配制成350g/L的原料,采用酶解和硫酸水解的預處理條件下石莼比滸苔用于依次加人液化酶和糖化酶分別酶解,方法和處理條件產(chǎn)乙醇的原料更為合適。因此在后續的研究中采用了同2.2.1。將酶解后的原料分別用2%和8%的硫酸進(jìn)石莼作為發(fā)酵原料,進(jìn)一步探究酸解濃度對乙醇產(chǎn)量行酸解,于120℃處理2h。3000g離心10min,收集的影響,如圖1所示上清液。再分別用氫氧化鈣、氫氧化鈉、以及氫氧化鈣十氯化鈉調節水解糖液的pH值至5.5。滅菌方法同滸苔上,后做3個(gè)平行發(fā)酵,取平均值作為最終結果2.3發(fā)酵1g干酵母接入100mL2%蔗糖溶液中,于38℃水浴30min,再移至30℃搖床振搖2h進(jìn)行活化。酵母活化完成后按10%(/υ)的接種量接至綠藻水解糖液中置于30℃搖床進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵過(guò)程中定時(shí)取樣過(guò)濾后濾液用于測定乙醇、還原糖、單糖含量。發(fā)酵時(shí)間,th2.4分析方法圖1不同種類(lèi)綠藻發(fā)酵的乙醇產(chǎn)量隨時(shí)間的變化Fig 1 Ethanol production of different types of green采用氣相色譜法(GC-2060,島津)測定乙醇含量參數:FFAP毛細管柱(0.32mm×30m×0.3m3.2不同硫酸濃度酸解對乙醇產(chǎn)量的影響載氣為氫氣,檢測器TCD,流速為90mL/min,進(jìn)樣器溫度120℃,柱溫140℃,檢測器溫度120℃,進(jìn)樣量3.2.1不同濃度酸解水解糖液的化學(xué)組成經(jīng)酶解及不同濃度的硫酸處理的綠藻A水解液1pL;采用DNS法測定還原糖含量1;采用液相色譜成分及濃度見(jiàn)表2法( agilent1260)測定單糖含量,參數:色譜柱Bo表2經(jīng)不同濃度硫酸水解的綠藻A水解液的成分及Rad hPX-87H300*7.8mm,流動(dòng)相5mmol/L濃度H2SO4,檢測器RID,流速0.5mL/min,柱溫35℃,檢測器溫度35℃,進(jìn)樣量10μL。用離子測定儀(雷磁Table 2 Components and concentration of the hydrolyzed solution by different concentrations ofPXS-216F)測定鈉離子濃度ulfuric acid3結果與討論濃度/g·L類(lèi)別成分2%硫酸水解4%硫酸水解8%硫酸水解3.1不同種類(lèi)綠藻化學(xué)組成及對發(fā)酵產(chǎn)乙醇的影響單糖葡萄糖60.30綠藻經(jīng)酶解和硫酸水解后,會(huì )產(chǎn)生部分未水解多木糖糖及還原性單糖等。經(jīng)酶解及酸處理后石莼和滸苔的鼠李糖4,76組成成分以及水解液中的單糖濃度見(jiàn)表1123.88表1不同種類(lèi)綠藻化學(xué)組成及水解液中單糖濃度由表2數據可見(jiàn),水解液中的單糖大部分為葡萄Table 1 Sugar concentration of the hydrolyzed solu-糖,木糖和鼠李糖濃度較低。不同濃度硫酸水解處理tion and composition of different types of對糖類(lèi)溶出的影響主要表現在木糖和鼠李糖上,而對green alga葡萄糖的溶岀無(wú)明顯影響。木糖和鼠李糖的濃度隨硫成分酸濃度的增大而增加。水解液中葡萄糖濃度達60g/L滸苔3.2.2不同濃度酸解對乙醇產(chǎn)量的影響化學(xué)構成碳水化合物50.6%45.8%由圖2數據可見(jiàn),無(wú)論是哪個(gè)酸解濃度,用氫氧化粗蛋白0.29%5.32%鈉調節pH值比用氫氧化鈣調節pH值的遲滯期要粗脂肪%17.3%18.7%長(cháng),產(chǎn)乙醇速率也更慢,這表明用氫氧化鈣調節pH值22.67%比用氫氫化調節、值的解糖液具有更好的發(fā)酵中國煤亻化水解液葡萄糖54.60g/L.19.02g/L原因可能是由于在加25g/L8.61g/L熱酸CNMHG單糖可能會(huì )繼續降解鼠李糖2.89g/L21.80g/L成糠醛、甲酸和乙酰丙酸等發(fā)酵抑制物,而氫氧化鈣對由表1數據可見(jiàn),由于石莼和滸苔的化學(xué)組成存這些發(fā)酵抑制物有沉淀作用,隨硫酸鈣沉淀一同被濾在一定差異,且水解液中各單糖的含量差別較大,特別去;另有氫氧化鈣脫毒機理的研究表明,氫氧化鈣可以是微生物可以利用的六碳糖(葡萄糖)含量差異很大,除去某些對發(fā)酵有抑制的無(wú)機離子。而用氫氧化王輝等:綠藻生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究2063鈉調節pH值時(shí)并不產(chǎn)生沉淀,因而發(fā)酵抑制作用仍子濃度便會(huì )嚴重抑制產(chǎn)乙醇過(guò)程,因此推測是兩種離存在。在用氫氧化鈣調節pH值時(shí),產(chǎn)乙醇速率并未子共同作用的結果。受酸解濃度的影響;而用氫氧化鈉調節pH值時(shí),產(chǎn)醇速率隨酸解濃度的增大而降低,這一現象可能是由于隨著(zhù)酸解濃度的增大,氫氧化鈉的用量也隨之增加,進(jìn)而導致發(fā)酵液中鈉離子濃度的升高而部分或完全抑■2%鈉調2%鈣制乙醇發(fā)酵。酸解濃度為2%且用氫氧化鈣調節pH2%鈣+鈉調8%鈣訓值時(shí),所得乙醇產(chǎn)量最高,約為30g/L。除8%濃度酸Δ8%鈣+鈉調解外,其余組別葡萄糖最終利用率都可達100%發(fā)酵時(shí)間,t/h圖3不同濃度鹽離子乙醇產(chǎn)量隨時(shí)間的變化Fig 3 Ethanol production ofdifferent concentrations of攜氫氨化鈉調節H▲8%氫氧化鈣調節pH酵時(shí)間,th圖2不同濃度酸解乙醇產(chǎn)量隨時(shí)間的變化△8%氫氧化鈣調+鈉Fig 2 Ethanol production of different concentrationsof sulfuric acid3.3不同鈉離子濃度對乙醇產(chǎn)量的影響發(fā)酵時(shí)間,t/h由圖3可知,2%鈉調、2%鈣調的乙醇濃度達圖4不同鹽離子濃度隨時(shí)間的變化0g/L,而8%鈣調的乙醇濃度稍小,約為27g體來(lái)說(shuō),鈣調的產(chǎn)乙醇速率要大于鈉調的組別。2%鈣Fig 4 Diffcentrations of salt ior3.4與文獻結果的比較調十氯化鈉的組別能產(chǎn)乙醇,但乙醇產(chǎn)量極少。而8%鈉調和8%鈣調十氯化鈉的兩組在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程表3中列出了本文乙醇產(chǎn)量與相關(guān)文獻乙醇產(chǎn)量中完全不產(chǎn)乙醇。這些現象說(shuō)明在低酸解濃度時(shí),使的對比結果。從表3中與其它文獻的對比可看出石莼作為發(fā)酵基質(zhì)的乙醇產(chǎn)量并不低于甚至優(yōu)于以纖維素用氫氧化鈉或氫氧化鈣調節pH值對乙醇產(chǎn)量無(wú)明顯或其它藻類(lèi)為發(fā)酵基質(zhì)的乙醇產(chǎn)量,說(shuō)明利用石莼發(fā)影響,只影響產(chǎn)乙醇速率;而在高酸解濃度時(shí),使用氫酵制備乙醇的競爭優(yōu)勢非常明顯,其潛力是十分巨大氧化鈉或氫氧化鈣調節pH值對乙醇產(chǎn)量和產(chǎn)乙醇速的,值得進(jìn)一步研究。率均有影響。這一結果與2.2中所得結果相對應。由圖3結合圖4可得出,若氯離子同時(shí)存在時(shí),低的鈉離表3與文獻乙醇產(chǎn)量的比較Table 3 Comparison of ethanol production with literature微生物發(fā)酵基質(zhì)處理方法還原糖濃度乙醇產(chǎn)量參考文獻安琪酵帶渣稀硫酸和纖維素酶31.1g/L10.2g/18]休哈塔假絲酵母稻草紙漿稀硫酸和纖維素酶-酸酶雙解法[19]馬尾藻提取液硫酸處理0.385%(v/v)[20面包酵母許苔酶解液過(guò)氧化氫處理2%0.132g/g[21]蒸煮27 mL/k22]安琪酵母石莼酸酶雙解4結論最大乙醇濃度可高達30g/L,且產(chǎn)乙醇速率可達0.63g中國煤化工g/kg。其預處理條件利用綠藻作為生物質(zhì)原料進(jìn)行乙醇發(fā)酵的效果,為2%CNMHG調節pH值至5.5。在探究了不同種類(lèi)綠藻、硫酸水解濃度以及鈉離子濃度酶解存在的條件下,加大硫酸濃度進(jìn)行水解對綠藻中對乙醇產(chǎn)量的影響。研究結果證明,與滸苔相比,在本葡萄糖的溶岀并沒(méi)有很大幫助,因此用低酸濃度處理文所用的預處理條件下石莼水解產(chǎn)生的葡萄糖含量更即可。鈉離子對發(fā)酵產(chǎn)乙醇過(guò)程的影響較大,鈉離子豐富,其作為發(fā)酵燃料乙醇的原料是十分有潛力的,其濃度過(guò)高會(huì )抑制乙醇產(chǎn)量以及產(chǎn)乙醇速率;而在氯離2064幼私材料2015年第12期(46)卷子存在的條件下,低鈉離子濃度便可對乙醇發(fā)酵產(chǎn)生the seaweeds exploited in the biomass energy production嚴重抑制,因而推斷這兩種離子都對乙醇發(fā)酵有抑制[J. Marine Economy, 2011, 1(4): 23-28作用。[10 Li Xuejing, Zhang Luyao, Qiao Ming, et al. Progress8. develol參考文獻Energy,2009,14(4):23-26[1] Bai Yi. Global development status of biomass fuel[ J].Si[11 Ross A B, Jones J M, Kubacki M L, et al.Classificationof microalgae as fuel and its thermochemical behaviorno-Global Energy, 2008. 13(5): 23-30[2 Liu Zhiyuan. The new features of the development of theLJ. Bioresource Technology, 2008,99: 6494-6504[12 Lix Xiuchen, Gu Xiaohua, Zhang Guochen, et al. Enviorld biofuel industry and the common problems[J]. Agronment-enhancing and bio-energy producing potential ofricultural Engineering Technology, 2009, 11: 8-12.ulvaspLJ]. Fisheries Science, 2011. 30(12): 789-793[3] Zhao Gang, Lin Yuanyuan, Cheng Jianrun. Development[13 Tao Guoxin, Wang Jianming. Second and third-generaof biomass energy induIn brazJJ. Chuang Xin Ketion biofuel development at a glance and enlightenment[4] Ma Yuguo. Fuel Ethanol: Sunrise Industry [J].Chinese[J. Sino-Global Energy, 2010,15(9):23-37.[14 Tang J C, Wang M, et al. Improved composting of un-Petroleum Enterprise, 2005.7: 36-37daria pinnatifida seaweed by inoculation with halomonas[5 Wu Fangwei, Shen Yafang, Zhang Jinhua, et al. Analysisand gracilibacillus sp. isolated from barine environmentsof the influence of the development of biofuel ethanol toLJ. Bioresource Technology, 2011, 102China food securityLJI. Agricultural Technology E[15 Miller G L. Use of dinitrosalicylic acid reagent for deter2009,1:21-29mination of rededucing suga[JJ. Analytical ChemistrL6 Zhang Yangjian, Xiang Weida, Zhou Tao, et al. Analysis1959,31:426-428of the current situation and trend of development of fuel[16 Palmgvist E, Hahn-Hagerdal B, Szengyel Z, et al. Simethanol in ChinalJ]. China Energy, 2009,31(1):31-33.aneous[7 Zhu Yaqiong. The second generation biofuel ethanol techcellulose hydrolysates obtained after steam pretreatmentnology competition speed [J]. Industry Development[J. Enzyme Microbial Technology, 1997,20: 286-2932009,2:51-53[8 Deng Yong, Fang Junmin. Chen Fang, et al. The current[17 Zhuang Junping, Lin Lu, Pang Chunsheng, et al. Re-search advances in detoxification of lignocellulose hydroldevelopment of biofuels [J]. China Biotechnology, 200828(8):142-147ysates-making [J]. Modern Chemical Industry, 2009, 29(2):19-23[9] Zhou Zhigang, Bi Yanhui. Perspectives and thoughts onStudy on ethanol fermentation from green algaWANG Hui, ZHAO Shanlin, GE Liying, XUE Xiangxin, LU Guang, WANG Fei(1. Liaoning Petrochemical University, Shenyang 113001, China;2. Northeastern University, Shenyang 110819, China)Abstract: The feasibility of using green alga as the substrate to ferment ethanol is discussed in this study by in-vestigating the effect of alga type, acid concentration and ion concentration on ethanol yield. The results demonstrated that green alga Ulva sp. was rich of glucose which had great potential to be the substrate of ethanol fermentation. The maximum ethanol concentration was up to 30 g/L and ethanol production rate reached 0. 63 g/(L. h)and ethanol yield was 37 g/kg, which were obtained when green alga was hydrolyzed with 2% sulfuricacid and ph was adjusted to 5.5 with calcium hydroxide. In presence of enzyme, higher acid concentration practically had no help on dissolution of glucose, but had certain impact on dissolution of pentose. The concentrationof sodium ion had significant effect on ethanol fermentation. a high concentration of sodium ion could inhibitnol production and ethanol production rate; low concentration of sodium ion could seriously inhibit ethanoloduction with the presence of chlorionKey words: green alga; acid hydrolysis bioethanol yield inhibition中國煤化工CNMHG