麥稈水解液發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究

釀酒科技2007年第12期(總第162期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2007No.12(To.162)麥稈水解液發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究金花',陸軍,李濤',侯霖',樸敬惠’,劉一清1, Mette h.t.,張強3(1.吉林省輕工業(yè)設計研究院,吉林長(cháng)春130021;2. Risoe National Laboratory, Technical University ofDenmark;3長(cháng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,吉林長(cháng)春130022)摘要:對腐生真菌 Mucor indicus在濕氧化預處理的小麥秸稈水解液培養基中的生長(cháng)及發(fā)酵產(chǎn)生酒精的性能進(jìn)行了研究。結果表明,在厭氧條件下,乙醇對總糖的轉化率和菌體生物量分別達到了037gg和0.12gg;好氧條件下,乙醇對總糖的轉化率和菌體生物量分別達到0.33g和024gg;該菌株對水解液中發(fā)酵抑制劑甲酸、乙酸等有較強的耐受能力。關(guān)鍵詞:微生物;腐生真菌 Mucor indicus;小麥秸稈;發(fā)酵;乙醇中圖分類(lèi)號:Q93-3;TS2622;TS2614文獻標識碼:A文章編號:1001-9286(2007)12-0025-03Study on Ethanol Production by Wheat Straw HydrolysateJIN Hua, LU Jun, LI Tao, HOU Lin', PIAO Jing-hui, LIU Yi-qing, Mette H T: 2 and ZHANG Qiang'(1Jilin Province Light Industry Design and Research Institute, Changchun, Jilin 130021; 2. Risoe National Laboratory, Technical Universityof Denmark; 3. Life Science and Technology College of Changchun Science and Technology University, Changchun, Jilin 130022, China)Abstract: The characters including the growth and ethanol-producing performance of zygomycete fungus Mucor indicus inwheat straw hydrolysate were investigated. The results indicated that the ethanol yield and the biomass yield of total con-sumed sugars reached 0.37g/g and 0.12 g/g respectively under anaerobic conditions, whereas 0.33 g/g and 0. 24 g/g underaerobic conditions, and the strain showed better tolerance of the inhibitors such as acetic acid and methyl acid produced inpretreatment processKey words: microbes; zygomycete fungus Mucor indicus; wheat straw; fermentation; ethanol乙醇作為燃料越來(lái)越受到人們的關(guān)注。目前生產(chǎn)乙1材料與方法醇的原料主要是含淀粉質(zhì)的糧食及糖類(lèi)作物,不僅生產(chǎn)1.1菌株成本高,而且長(cháng)久以糧食作物生產(chǎn)燃料乙醇,必將給人M. indicus菌株由 Culture Collection University of類(lèi)的糧食安全帶來(lái)威脅。因此以地球上豐富的可再生資 Goteborg( Gothenburg, Sweden)提供。源如木材、農作物的秸稈等木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)燃料乙醇12原料近年來(lái)成為世界各國關(guān)注及研究的前沿課題采用濕氧化預處理的小麥秸稈水解液。木質(zhì)纖維原料含有70%以上的碳水化合物,經(jīng)過(guò)13酶制劑預處理水解即可產(chǎn)生供微生物菌體利用的單糖,經(jīng)微生Cellubrix1.5L(87FPU/mL)由Novo、 nordisk提物發(fā)酵可生產(chǎn)乙醉纖維質(zhì)原料的水解液中不僅有供。纖維素降解產(chǎn)生的大碳糖(主要是葡萄糖),還有半纖維14原料分析素降解產(chǎn)生的五碳糖(主要是木糖)。普通的釀酒酵母原料及預處理后的固體纖維部分采用強酸水解法s. cerevisiae只能利用葡萄糖產(chǎn)生乙醇,不能利用木糖,測定其中的各碳水化合物的含量;液體部分采用弱酸水因此原料的利用率不高。而腐生真菌M. indicus具有很解法測其中糖的含量。好的代謝葡萄糖和木糖的能力習。本文主要以小麥秸稈的水解液為原料,對M.indi中國煤化工( FPU/mL)來(lái)表示cus菌株生產(chǎn)乙醇的性能進(jìn)行了研究。CNMHG基金項目:第十四屆中丹政府間科技合作項目( Danida10062-2)。收稿日期:2007-1009作者簡(jiǎn)介:金花(1968-),女,碩土,高級工程師,主要從事生物質(zhì)能源的研發(fā)工作,發(fā)表學(xué)術(shù)論文數篇。25釀酒科技2007年第12期(總第162期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2007N200162)1.6菌體生物量的測定好氧條件下,培養基中的木糖消耗了99%以上,而在厭發(fā)酵液在4000rmin下離心10min,水洗,再離氧條件下,分別只消耗了純培養基和水解液中19%和心,105℃千燥24h。以單位耗糖產(chǎn)生的菌體生物量來(lái)36%的木糖?？梢?jiàn),菌體代謝木糖的過(guò)程是好氧過(guò)程。純木糖培養基中,乙醇的轉化率較低,是由于菌體消耗的17乙醇及殘糖的測定木糖并非全部轉化為乙醇,而是產(chǎn)生了木糖醇等中間代采用高效液相色譜(HPLC)法分析謝產(chǎn)物。結果與分析22不同營(yíng)養鹽對產(chǎn)乙醇能力的影響以秸稈生產(chǎn)乙醇的過(guò)程中,降低乙醇的生產(chǎn)成本至21不同培養基對茵體生物量及乙醇轉化率的影響關(guān)重要,而添加過(guò)多的營(yíng)養鹽對菌體的生長(cháng)及乙醇的產(chǎn)在好氧和厭氧條件下,利用秸稈水解液培養M.in-率有促進(jìn)作用,但同時(shí)會(huì )增加乙醇的生產(chǎn)成本。生產(chǎn)乙dcw,同時(shí)以純葡萄糖和木糖為培養基作對比,以考察醇過(guò)程中,碳源和氮源是兩個(gè)重要的影響因素。因此添該菌株在水解液中菌體生物量的積累及乙醇的轉化率,加不同的營(yíng)養鹽濃度及不同的氮源,以觀(guān)其對乙醇產(chǎn)生結果見(jiàn)圖1和圖2。的影響。結果見(jiàn)圖3和圖4。0.45■葡萄糖如0.40.4811100%25% aUrea日木糖0.35904650%1mos口葡萄糖+木糖水解產(chǎn)物250.20.05合成培養基水解產(chǎn)物0乙醇量培養基圖1厭氧條件下菌體生物量及乙醇轉化率圖3厭氧條件下不同營(yíng)養鹽對產(chǎn)乙醇能力的影0.45■葡萄糖0.51100%025% D Urea≥0.4目木糖■50%no0.35口葡萄糖+木糖0.3國水解產(chǎn)物0.25白N0.200.05合成培養基水解產(chǎn)物培養基乙醇量生物量圖4好氧條件下不同營(yíng)養鹽對產(chǎn)乙醇能力的影響圖2好氧條件下菌體生物量及乙醇轉化率由圖3和圖4可知,厭氧條件下的乙醇轉化率明顯在含有葡萄糖和木糖的水解液培養基中,好氧和厭高于好氧條件下的乙醇轉化率。以尿素為唯一營(yíng)養鹽和氧條件下,乙醇對總糖的轉化率分別達到了037gg和氮源時(shí),達到乙醇最高轉化率時(shí)所需的時(shí)間較添加多種033g,菌體生物量達024g和012gg。在好氧條件營(yíng)養鹽的要長(cháng),而且葡萄糖消耗的速度也慢24h消耗下,菌體生物量高于厭氧條件(除了純木糖培養基之外)掉初始葡萄糖的90%,但是乙醇的轉化率卻能達到下的菌體生物量但同時(shí)乙醇的轉化率低是由于該菌04g以上。在水解液培養基中乙醇的轉化率高于純株在好氧條件下,能以產(chǎn)生的乙醇為碳源形成更多的培養基,是由于水解液中其他物質(zhì)也被菌體利用產(chǎn)生乙菌體生物量叫。無(wú)論是純培養基還是秸稈水解液,在好氧醇, Prosen等在木材水解液原料產(chǎn)乙醇的報道中也提到和厭氧條件下,菌體都能在24h之內消耗掉培養基中過(guò)類(lèi)似的現象99%的葡萄糖,而木糖濃度卻分別只降低了初始濃度的2.3中國煤化工影響14%和20%。一是由于菌體代謝木糖的過(guò)程較代謝葡CNMHG料需預處理后才易萄糖的過(guò)程復雜得多,二是當葡萄糖和木糖共存于培養于水解刀及性的平棚。平又中的原料是采用濕氧化基中時(shí),該菌株更喜好葡萄糖為碳源。在培養120h后,預處理技術(shù),與其他的預處理技術(shù)如汽爆法、濕熱法等金花,陸軍,李濤,侯霖,樸敬惠,劉一清, Mette HT.,張強·麥稈水解液發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究相比,工作溫度和反應時(shí)間相似,但后者需要添加二氧between hemicellulose structure and enzymes required for化硫或硫酸作為催化劑嗎,而濕氧化技術(shù)只需水和氧氣hydrolysis In hemicellulose and Hemicellulases(Eds M. P或空氣嗎,而且可以防止產(chǎn)生過(guò)多糠醛和5-羥甲基糠醛Coughlan &G P. Hazlewood)[M]. Portland Press Research等發(fā)酵抑制劑叫。濕氧化預處理過(guò)程產(chǎn)生的主要是低分Monograph. 1993. 1-27.子的羧酸如甲酸、乙酸等抑制劑。抑制劑對發(fā)酵產(chǎn)乙醇1MiR, Edebol, Taherzadeh M J, Performance of RhizoRhizomucor, and Mucor in ethanol production from glucose,影響的結果見(jiàn)圖5xylose and wood hydrolysates[]. Enzyme Micro. 2005, 36:294-300.[3] H.B. Klinke, B K Ahring, A SSchmidt, A B ThomsenBioresour].5[4] Y. Sun, J. Cheng, Bioresour[J]. Technol., 2002, 83,1-I1甲酸[5] M.H. Thomsen and J.N. Jacobsen, Dansk Kemi[]. 2006,排→+4+掃(3):32-35[6] Bickerstaff, G.F. Immobilization of enzynmes and cells[M]時(shí)間(h)[7] Thomsen, M.H., Thygesen, A, Jorgensen, H, Larsen, J, Chris-tensen, B H,& Thomsen, A B ) Preliminary results on opti-圖5抑制劑對 W. indicis產(chǎn)乙醇的影響mization of polit scale pretreatment of wheat straw used in在水解液的培養發(fā)酵過(guò)程中,甲酸的濃度幾乎沒(méi)有coproduction of bioethanol and electricity[J] Applied Biochem-變化,而乙酸濃度卻隨發(fā)酵周期的延長(cháng)而逐漸降低,當istry and Biotechnology. 2006, 129-132, 448-460培養到168h時(shí),培養基中的乙酸濃度比初始濃度降低8] Nielsen, J, illadsen, J. and lider,. Bioreaction Engineering了42%,而對乙醇的產(chǎn)生影響并不顯著(zhù)?？梢?jiàn)該菌株可Principles, 2 edn([M]. New York: Kluwer Academic/Plenum以利用秸稈水解液中的乙酸產(chǎn)生其他代謝產(chǎn)物,從而降Publisher, 2003[9 Tuite, M.F, Oliver, S.G. Biotechnology Handbook 4. Saccha低了發(fā)酵過(guò)程水解液中的部分抑制的作用。因此以Mindicus.為發(fā)酵菌株利用秸稈水解液為培養基發(fā)酵生產(chǎn)9 myces[M]. New York: Plenum Press,19sen, A,Thomsen, M.H., Thomsen, A B. Trials on the乙醇不需要脫毒工序,可降低生產(chǎn)成本。pilot scale pre-treatment plant(IBUS).-Pre3結論saccharification and bioethanol fermentationM. 200631M. indicus較釀酒酵母的顯著(zhù)優(yōu)勢在于不僅能利1 Prosen, EM, Radlein,D, Piskorz, J,Scot,Ds, and LeggR L, Microbial utilization of levoglucosan in wood pyrolyse用秸稈水解液中的葡萄糖,而且也能利用其中的木糖產(chǎn)as a carbon and energy source[J]. Biotechnol. Bioeng. 1993,生乙醇。42:538-54132秸稈水解液中存在一些由木質(zhì)素和糖在預處理過(guò)2] Saddler,JN, Steam pretreatment of lignocellulosic residues程中降解產(chǎn)生的發(fā)酵抑制劑,如甲酸、乙酸等化合物,但M. CAB Intemational, Wallingford( Chapter3)1993M. indicus能利用水解液中的糖生長(cháng)并將糖轉化為乙3] Mcginnis.GD, Wilson, WW,Muen,CE, Biomass p醇,顯示出該菌株很好的耐發(fā)酵抑制劑的能力。treatment with water and high-pressure oxygen. The wet-ox33M. indicus在只有尿素為營(yíng)養鹽的水解液培養基dation process[J]. Ind Eng. Chem. Prod Res Dev 1983, 22352-357中乙醇的轉化率可達04gg以上。從而可降低乙醇的4Bime,AB, Olesen, A B, Enqvist, T,PpgA, Schmidt.生產(chǎn)成本。A.S., Pretreatment of wheat straw using combined wet oxida參考文獻tion and alkaline hydrolysis resulting in convertible cellulose[I] Puls, J& Schuseil, J.Chemistry of hemicellulose: Relationshipand hemicellulose[J]. Biotechnol Bioeng. 1996, 49: 568-577貴州發(fā)布實(shí)施醬香型起在中國煤化工本刊訊:由貴州省質(zhì)量技監局組織編制的醬香型白酒地方標準于年底發(fā)CNMHG與實(shí)施將對責州地域優(yōu)勢的普香型白酒產(chǎn)品和質(zhì)量提供統一的技術(shù)規范,為促進(jìn)責州省白酒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要定基礎。據賁州省質(zhì)量技監局標準化處負責人介紹,近年來(lái),貴州各級質(zhì)量技監部門(mén)著(zhù)力于標準牝恭礎工作,以促進(jìn)地方特色食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近年來(lái),貴州省制修訂的地方標準259個(gè),僅今年已制訂和列入計劃制訂的地方標準就有37個(gè)。(小小)