橡子粉同步液化糖化產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵條件優(yōu)化 橡子粉同步液化糖化產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵條件優(yōu)化

橡子粉同步液化糖化產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵條件優(yōu)化

  • 期刊名字:生物質(zhì)化學(xué)工程
  • 文件大?。?02kb
  • 論文作者:張寧,蔣劍春,楊靜,衛民,趙劍,陳水根
  • 作者單位:中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所 生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗室 國家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗室 江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗室
  • 更新時(shí)間:2020-09-30
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論文簡(jiǎn)介

第49卷第4期生物質(zhì)化學(xué)工程Vol 49 No 42015年7月Biomass Chemical EngineeringJuly 2015doi:10.3969/j.isn.16735854.2015.04.005研究報告——生物質(zhì)能源橡子粉同步液化糖化產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵條件優(yōu)化張寧,蔣劍春,楊靜,衛民,趙劍,陳水根中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所;生物質(zhì)化學(xué)利用囯家工程實(shí)驗室;囯家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗室;江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇南京210042)摘要:以除去單寧的橡子粉為原料,應用活性干酵母同步液化耱化發(fā)酵(SISF)制備燃料乙醇,并通過(guò)單因素試驗和正交試驗優(yōu)化發(fā)酵條件。結果表明,同步液化糖化發(fā)酵技術(shù)適用于橡子粉發(fā)酵制備燃料乙醇;發(fā)酵的最佳條件為:除去單寧的橡子粉20g,料液比為1:3(g:mL),淀粉酶100U/g,糖化酶3750U/g,活性干酵母1.50%;在30℃靜止發(fā)酵120h發(fā)酵液中的♂醇質(zhì)量濃度達到1υ6.5gL,橡子淀粉的廴醇轉仳率達到89.36%。釆用橡子粉發(fā)酵法制備燃料乙醇與以玉米等糧食作物為原料制備的燃料乙醇質(zhì)量濃度相當,可以替代糧食作物生產(chǎn)燃料乙醇關(guān)鍵詞:橡子;同步液化糖化發(fā)酵;燃料乙醇中圖分類(lèi)號:TQ352;Q815文獻標識碼:A文章編號:1673-5854(2015)04-0025-06Fermentation Optimization of Fuel Ethanol Producing by SiimultaneousLiquefaction Saccharification and Fermentation from Acorn FlourZHANG Ning, JIANG Jian-chun, YANG Jing, WEI Min, ZHAO Jian, CHEN Shui-geInstitute of Chemical Industry of Forest Products, CAF; National Engineering Lab for Biomass Chemical UtilizationKey and Open Lab. of Forest Chemical Engineering, SFA; Key Lab of Biomass Energyand Material, Jiangsu Province, Nanjing 210042, China)Abstract. The fuel ethanolduced from acron flour by simultaneous liquefaction, saccharification and fermentation(SLSF). The optimum conditions of fermentation by SLSF technology were determined through single factor experiments andorthogonal experiments. The results showed that SLSF technology was suitable for the ethanol fermentation from acorn flour. Theoptimum conditions were 20 g acorn flour removed of tannin, the ratio of materials to water 1: 3, amylase 100 U/g, glucoamylase3 750 U/g and active dry yeast 1. 50%. The ethanol concentration of fermentation broth reached 106.5 g/L after staticfermentation for 120 h at 30C. and the conversion rate of acorn starch into ethanol reached 89. 36%, The ethanol concentration offermentation liquor by simultaneous liquefaction, saccharification and fermentation was comparable to the ethanol concentrationfermented by corn and other food crops.Key words: acorn flour; simultaneous liquefaction, saccharification and fermentation; fuel ethanol可再生能源是可以再生的能源總稱(chēng),包括生物質(zhì)能源、太陽(yáng)能、光能和沼氣等?,F階段生物質(zhì)能是世界第四大能源,僅次于煤炭、石油和天然氣,在整個(gè)能源系統中占據重要地位。預計到22世紀50年代,全球總能源的40%以上將會(huì )由各種生物質(zhì)所生產(chǎn),目前生物質(zhì)燃料包括燃料乙醇、丁醇及生物柴油等3的研發(fā)已經(jīng)成為世界各國的研究熱點(diǎn),其中非糧淀粉質(zhì)能源植物是我國發(fā)展生物質(zhì)能源的重要原料,可以替代糧食作物生產(chǎn)生物質(zhì)燃料,具有重要的中國煤化科斗植物種子的總稱(chēng)。CNMHG收稿日期:2015-03-12基金項目:“十二五”國家科技支撐計劃資助(2014BADO2B2);江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK012515);國家自然科學(xué)基金資助項目(31100429)作者簡(jiǎn)介:張寧(1978—),女,副研究員,博士,主要從事生物質(zhì)能源及工業(yè)微生物研究工作通訊作者:蔣劍春(1955—),男,研究員,博士,博士生導師,從事林產(chǎn)化學(xué)加工和生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)技術(shù)研究; E-mail: bio- energy@163. com生物質(zhì)化學(xué)工程第49卷我國的橡子,資源豐富,淀粉含量較高,是理想的生產(chǎn)燃料乙醇的原料。我國年產(chǎn)橡子約60~70億千克,生產(chǎn)開(kāi)發(fā)尚處于起步階段。然而以玉米、木薯淀粉等為原料發(fā)酵制備燃料乙醇的技術(shù)已經(jīng)成熟,為實(shí)現橡實(shí)資源能源化轉化提供了成熟的技術(shù)基礎6。目前淀粉質(zhì)燃料乙醇的發(fā)酵工藝主要有分步糖化發(fā)酵(SHF)、同步糖化發(fā)酵(SSF)及同步液化糖化發(fā)酵(SISF)◇。其中分步糖化發(fā)酵過(guò)程繁瑣,可發(fā)酵糖損失較多,且分步糖化發(fā)酵和同步糖化發(fā)酵都需要先將原料液化,此過(guò)程能耗大,占生產(chǎn)過(guò)程總能耗的30%~40%,而同步液化糖化發(fā)酵是將原料在低溫條件下同時(shí)進(jìn)行液化、糖化及發(fā)酵,發(fā)酵過(guò)程簡(jiǎn)單,從而節省液化所需的能耗,降低成本"-?;钚愿山湍赴l(fā)酵活力穩定性高,較傳統的菌種液體培養基活菌濃度重復性好,使用方便,對發(fā)酵體系的濃度影響較小。本研究以橡子淀粉為原料,以活性干酵母為發(fā)酵菌種,采用同步液化糖化發(fā)酵技術(shù)制備燃料乙醇,并對發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化,以期為橡子的能源化轉化探索新的可行性途徑。1實(shí)驗1.1材料與試劑橡子,安徽滁州沙河集體林場(chǎng)麻櫟( Quercusα acutissima Carruth.);淀粉酶(2000Ug),國藥集團化學(xué)試劑有限公司;糖化酶(100000U/g),無(wú)錫市雪梅酶制劑科技有限公司;菌種為高活性干酵母,湖北宜昌安琪酵母股份有限公司12儀器與設備ATL2P930型毛細管色譜柱(0.53mm×18m),中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所色譜技術(shù)研究中心;TG16-WS型高速離心機,長(cháng)沙湖智離心機儀器有限公司;LS30型立式壓力蒸汽滅菌器,上海東亞壓力容器制造有限公司;GSP9o8OMBE隔水式恒溫培養箱,上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫療設備廠(chǎng);雙人雙面潔凈工作臺,上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫療設備廠(chǎng);UV1102型紫外可見(jiàn)分光光度計,上海天美科學(xué)儀器有限公司。1.3實(shí)驗方法1.3.1橡子粉制備橡子風(fēng)干后脫殼,得到橡子仁,粉碎后過(guò)425μm篩。采用水提法除去橡子粉中的單寧,即用原料質(zhì)量10倍的水在60℃水浴中浸提6h,再用原料質(zhì)量5倍的水清洗3次,每次清洗后經(jīng)濾紙抽濾(真空度0.IMPa),50℃烘干。用此方法除去單寧后,橡子粉中單寧質(zhì)量分數小于1.50%,以此制得除去單寧的橡子粉原料備用。1.3.2單因素試驗取20g除去單寧的橡子粉,加入水、酶及酵母,在500mL三角瓶中混合均勻,放入恒溫培養箱內,30℃下進(jìn)行發(fā)酵。間歇振蕩,定時(shí)稱(chēng)量,記錄CO2失重,估計發(fā)酵情況。每24h取樣,將發(fā)酵液在6000r/min的條件下離心5min,取上清液,檢測發(fā)酵液中乙醇濃度。初始實(shí)驗條件為料液比(除去單寧橡子粉與水的比)1:3.0(g:m),液化時(shí)加入淀粉酶100U/g,糖化酶2250U/g,活性干酵母0.75%。分別考察料液比(1:2.0、1:2.5、1:3.0、1:3.50、1:4.0、1:4.5)、液化酶(50、100、150200、250、300U/g)糖化酶(750、1500、2250、3000、3750、4500U/g)和活性干酵母(0.25%0.50%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50%)用量對乙醇發(fā)酵的影響,在考察某因素用量變化的情況下其他因素仍按初始條件的用量進(jìn)行添加,以此避免各因素之間的交互作用。1.3.3正交試驗在單因素試驗的基礎上,以料液比(B)、淀粉酶(C)、糖化酶(D)、酵母(E)為考察因素,設誤差項為A,采用L(4)正交試驗考察4個(gè)因素中國煤化工1.4分析方法H出NMHG1.4.1單寧含量的測定按照國標GBT15686-200812測定原料橡子粉中單寧的含量。1.4.2淀粉含量的測定按照國標GB/T5514—20083測定原料橡子粉中淀粉的含量。1.4.3乙醇濃度的測定發(fā)酵液離心后取上層清液,稀釋100倍,采用氣相色譜法測定乙醇濃度。1.4.4乙醇轉化率以除去單寧的橡子粉中淀粉含量計算乙醇轉化率第4期張寧,等:橡子粉同步液化糖化產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵條件優(yōu)化乙醇轉化率計算公式為:a=m·a.051×100%式中:α—乙醇轉化率,%;c—發(fā)酵液中乙醇濃度,g/L;發(fā)酵液體積,L;m-除去單寧的橡子粉質(zhì)量,g;ω—橡子粉中淀粉含量,%;0.51—淀粉乙醇轉化系數2結果與分析2.1橡子粉除去單寧前后的變化分析2.1.1淀粉及單寧含量橡子仁含有豐富的營(yíng)養成分:粗淀粉50%~60%、可溶性糖2%~8%、蛋白質(zhì)3%~6%、粗纖維3%~5%、粗脂肪1%~5%、單寧5%~12%5。其中單寧是植物產(chǎn)生的一種化學(xué)結構復雜的多元酚衍生物,易溶于水,能沉淀溶液中的蛋白質(zhì),對微生物具有廣譜的抑制性。而本研究中所用的淀粉酶、糖化酶及酵母細胞的主要成分都是蛋白質(zhì),單寧對其均存在不同的抑制作用從而影響橡子淀粉的水解及發(fā)酵。所以在進(jìn)行發(fā)酵之前,必須首先除去橡子粉中的單寧,解除單寧對發(fā)酵的影響;水浸提過(guò)程在除去單寧的同時(shí),也除去了可溶性糖,所以在發(fā)酵過(guò)程中,可發(fā)酵糖主要來(lái)源于橡子淀粉。本硏究采用的麻櫟橡子含淀粉59.23%、單寧7.82%,還含有少量的蛋白質(zhì)、粗脂肪和可溶性糖,除去單寧后淀粉增加至70.12%,單寧降低至1.13%。2.1.2形態(tài)橡子粉除去單寧前后電子掃描顯微鏡拍攝的形態(tài)變化如圖1所示。從圖1(a)和(b)中可以看岀,除單寧前橡子粉大都顆粒飽滿(mǎn),且表面光滑;采用水浸提法除單寧后,經(jīng)過(guò)水的浸泡,橡子粉形狀變得不規則,部分橡子粉顆粒出現粘連,界限不清晰N150kV20a.除單寧前橡子形態(tài),×1000;b.除單寧后橡子形態(tài),×1000圖1橡子粉除單寧后形態(tài)變化比較Fig 1 Morphology of acorn starch before and after extract of tannin2.2單因素試驗探討發(fā)酵的影響因素2.2.1料液比發(fā)酵體系中的料液比(g:mL)調節在1:2至1:4.5之間,加入水后將料液振蕩混勻,置于30℃培養箱中發(fā)酵120h。每隔24h測定發(fā)酵液中乙醇質(zhì)量100濃度。實(shí)驗結果見(jiàn)圖2。由圖2可以看出,前24h,發(fā)酵體系中的物料主要用于酵母繁殖,同時(shí)生產(chǎn)少量乙醇,料液比對酵母盞60的繁殖影響不大,所以乙醇積累情況大致相當;而到發(fā)酵后期爛(72~120h)發(fā)酵體系中的料液比影響物料的傳質(zhì)過(guò)程,乙醇對區酵母的抑制作用也變大,乙醇積累量差距較大。其中料液比為1:2的條件下乙醇生成量最少隨著(zhù)料液比的增加乙H中國煤化工487296120逐漸增加,當料液比增加到1:4的條件下乙醇濃度在發(fā)CNMHG發(fā)酵時(shí)間h達到最大;繼續增加料液比到1:4.5,乙醇濃度卻不再增加,這1:2.0:-1:4.5可能是因為料液比過(guò)大,液化酶、糖化酶及酵母濃度下降影響橡圖2料液比對乙醇發(fā)酵的影響子淀粉的糖化、液化及發(fā)酵過(guò)程,而發(fā)酵體系的粘度及流動(dòng)性也Fg;,2 Effect of ratio of solid to liquid適合乙醇的轉化。在試驗范圍內,最佳料液比為1:3~1:4。on the fermentation of ethanol生物質(zhì)化學(xué)工程第49卷2.2.2淀粉酶用量發(fā)酵體系中淀粉酶的用量調控在50~300U/g之間,考察淀粉酶的用量對乙醇發(fā)酵的影響。發(fā)酵液中淀粉酶用量與乙醇質(zhì)量濃度的關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖3可以看出,淀粉酶的用量對乙醇發(fā)酵影響較大。隨著(zhù)淀粉酶用量的增加,乙醇濃度先増加后降低,當淀粉酶用量為100U/g時(shí),乙醇生成速率和最終積累量達到最大。淀粉酶用量少,橡子淀粉液化速度慢,液化不充分,不利于后續的糖化及發(fā)酵;而用量過(guò)大,不僅增加生產(chǎn)成本,而且由于對酵母的抑制作用而影響乙醇的發(fā)酵。在試驗范圍內,淀粉酶最佳用量為100U/gc2.2.3糖化酶用量在確定了淀粉酶用量的前提下,考察糖化酶用量對發(fā)酵乙醇的影響。實(shí)驗考察在糖化酶的用量為750~4500U/g的條件下乙醇的積累量,實(shí)驗結果見(jiàn)圖4。結果表明:在實(shí)驗范圍內,糖化酶的用量對乙醇的積累有一定影響,隨著(zhù)糖化酶用量的增加,乙醇的積累量隨之增加,當糖化酶用量增加至375σU/g,發(fā)酵中乙醇的濃度在發(fā)酵后期達到最大,再繼續增加糖化酶,乙醇濃度變化不大。由于酵母的存在同步液化糖化發(fā)酵體系中糖化得到的糖很快被轉化為乙醇,所以體系中糖的濃度始終維持在低水平,這樣不僅可以避免糖對酶水解的抑制,還可以抑制雜菌的生成,所以橡子淀粉在去除單寧以后并不需要進(jìn)行高溫滅菌就可以進(jìn)行發(fā)酵,即簡(jiǎn)化發(fā)酵工藝,也可以避免高溫滅菌造成糖損失。在試驗范圍內,糖化酶最佳用量為3750U/g。爛N7296120發(fā)酵時(shí)間h發(fā)酵時(shí)間h一-50U/g;-0-100U/g;-△-150Ug;00U/k-4500U/g圖3淀粉酶用量對乙醇發(fā)酵的影圖4糖化酶用量對乙醇發(fā)酵的影響Fig 3 Effect of amylase amount on theFig 4 Effect of glucoamylase amount on thefermentation of ethanolfermentation of ethanol2.2.4酵母粉用量發(fā)酵體系中活性干酵母用量對發(fā)酵乙醇影100響顯著(zhù),如圖5所示。在添加的干酵母較少(0.25%)的情況下,80酵母生長(cháng)繁殖較慢,同時(shí)消耗更多的糖,這就導致在整個(gè)發(fā)酵周60期內乙醇的積累量都較少;隨著(zhù)酵母量的增加,乙醇的生產(chǎn)速度攔和積累量都迅速增加,直至酵母的用量增加到1.25%時(shí),發(fā)酵至%6h后乙醇的最終濃度不再顯著(zhù)增加,這是因為產(chǎn)物乙醇的濃度對酵母也有抑制作用,使得發(fā)酵反應減緩。在試驗范120圍內,酵母粉最佳用量為1.50%發(fā)酵時(shí)間/h2.3正交試驗探討發(fā)酵的影響因素口-0.25%;-0-0.50%;-△-0.75%▲-1.00%;一■—1.25%;-·-1.50%2.3.1直觀(guān)分析根據以上橡子淀粉同步液化糖化發(fā)醛產(chǎn)燃料乙醇的單因素試驗結果,以最佳因素水平為中心設置正中國煤化工量對乙醇發(fā)酵的影響素水平,以發(fā)酵液中乙醇濃度分析正交試驗結果,正交CNMHGof yeast amount on thefermentation of ethanol與結果直觀(guān)分析見(jiàn)表1。結果表明,在試驗范圍內,4個(gè)因素對乙醇濃度的影響由大到小依次為B>D>E>C,即料液比>糖化酶用量>酵母用量>液化酶用量。乙醇發(fā)酵的最優(yōu)條件為B2DE4C2,即料液比為1:3(g:mL),淀粉酶用量為100U/g,糖化酶用量為3750U/g,酵母用量為1.50%。第4期張寧,等:橡子粉同步液化糖化產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵條件優(yōu)化表1正交試驗設計與結果直觀(guān)分析表Table 1 Orthogonal experiment design and result analysis實(shí)驗號醇質(zhì)量濃度料液比(g:mL)液化酶/(U·g-1)糖化酶/(U·g-1)酵母/%(g·Lerror telatio of solid to liquidethanol concent4562103331:3.51:4.01:3.04561:3.51:4.0375087.7388.4480.3287.636.5112.0810.192.3.2方差分析從表2正交試驗的方差分析結果可以看出,料液比對乙醇產(chǎn)量有高度顯著(zhù)影響(F比>Fa),糖化酶用量對乙醇產(chǎn)量有一定的影響(F。0>F比>Fa1),而淀粉酶用量和酵母粉用量對試驗結果沒(méi)有顯著(zhù)影響,所以,本發(fā)酵試驗條件應該嚴格控制料液比和糖化酶用量。最優(yōu)組合并不在正交試驗表中,重新以B2DEC2為試驗條件進(jìn)行優(yōu)化試驗,經(jīng)過(guò)3次驗證,在該發(fā)酵條件下乙醇質(zhì)量濃度達到106.52g/L;橡子淀粉的乙醇轉化率達到89.36%。表2正交試驗結果方差分析表Table 2 The variance analysis of the orthogonal experiment results偏差平方和自由度F比顯著(zhù)性facdegrees of freedomsignificance料液比 ratio of solid to liquid1407.6031.07液化酶amyl糖化酶 glucoamylase酵母 veast誤差eror3338.195.01注:Fa1(3,3)=29.50,F05(3,3)=9.28,F01(3,3)=5.39;*表示一般顯著(zhù),參*表示高度顯著(zhù)由優(yōu)化實(shí)驗結果可知采用除去單寧的橡子粉發(fā)酵法制備燃料乙醇與以玉米等糧食作物為原料制備的燃料乙醇質(zhì)量濃度相當6),可以替代糧食作物生產(chǎn)燃料同虍液化糠化法結合活性干酵母的使用,使得發(fā)酵體系中糖濃度始終處于較低的水平,避中國煤化工用,同時(shí)也抑制了菌體的大量繁殖;酵母的存在使得酶解得到的糖很快被轉化CNMHG將液化糖化及發(fā)酵過(guò)程結合到一起,不僅減少工藝步驟,還縮短了發(fā)酵時(shí)間,提高了原料的轉化效率結論3.1橡子粉經(jīng)水浸提后含單寧1.13%,含淀粉70.12%;除去單寧后橡子粉形狀變得不規則,部分橡子生物質(zhì)化學(xué)工程第49卷粉顆粒出現粘連,界限不清晰。3.2采用單因素試驗和正交試驗優(yōu)化除去單寧橡子粉的同步液化糖化發(fā)酵制備燃料乙醇的發(fā)酵條件所得到的最佳發(fā)酵工藝條件為:除去單寧的橡子粉20g,料液比為1:3(g:mL),淀粉酶100U/g,糖化酶3750U/g,活性干酵母1.50%;在30℃靜止發(fā)酵120h,發(fā)酵液中的乙醇質(zhì)量濃度達到106.5g/L,橡子淀粉的乙醇轉化率達到89.36%。采用橡子粉發(fā)酵法制備燃料乙醇與以玉米等糧食作物為原料制備的燃料乙醇質(zhì)量濃度相當,可以替代糧食作物生產(chǎn)燃料乙醇參考文獻[1JEDWARDS M C, DORAN-PETERSON J Pectin-rich biomass as feedstock for fuel ethanol production[ J]. 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