第28卷第5期農(nóng)業(yè)工程學報VoL 28 No 51942012年3月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringMar.2012兩步法預處理制備生物質(zhì)燃料乙醇王曉娟12,馮浩2,王斌2,李志義1(1.大連理工大學化工與環(huán)境生命學部,大連116023;2.伊利諾伊大學厄巴納香檳分校農(nóng)業(yè)工程學院美國伊利諾伊州香檳61801)摘要:為了擴展燃料乙醇制備的預處理工藝的發(fā)展方向,該文針對燃料乙醇制備的2種新預處理方法—半纖維素分離兩步預處理法和木質(zhì)素分離兩步預處理法進行了試驗研究。分別以能源植物柳枝稷和農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈為原料,考查了這2種方法對酶水解過程中糖產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明,半纖維素分離兩步預處理法對柳枝稷的較優(yōu)處理條件為:第步預處理用3%質(zhì)量分數(shù)的過氧化氫溶液在50℃處理16h,第二步預處理用去離子水在121℃處理30min,最終酶水解可獲得89%的纖維素轉(zhuǎn)化率;木質(zhì)素分離兩步預處理法對玉米秸稈的較優(yōu)處理條件為:第一步預處理用堿性乙醇溶液(1%質(zhì)量分數(shù)氫氧化鈉和70%質(zhì)量分數(shù)乙醇)在80℃處理2h,第二步預處理為去離子水在135℃處理30min,最終酶水解可獲得83%的纖維素轉(zhuǎn)化率;掃描電鏡觀察,柳枝稷和玉米秸稈的纖維束均被破壞,纖維素酶的作用面積得到提髙。冋時分離提取了部分半纖維素和木質(zhì)素,可以回收提純,應用于高附加值化學產(chǎn)品的制備。這一結(jié)果表明,這2種方法為實現(xiàn)燃料乙醇制備工程工業(yè)化提供依據(jù)。關(guān)鍵詞:燃料,乙醇,木質(zhì)纖維素類生物質(zhì),兩步法預處理,糖轉(zhuǎn)化率doi:10.3969/jiss.1002-6819.2012.05033中圖分類號:S216,2文獻標志碼:A文章編號:1002-6819(2012)-05-019407王曉娟,馮浩,王斌,等.兩步法預處理制備生物質(zhì)燃料乙醇[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(5):194-200Wang Xiaojuan, Feng Hao, Wang Bin, et al. Investigation of two-step pretreatment method for production of ethanol fromlignocellulosic biomass[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2012,28(5): 194-200 (in Chinese with English abstrac0引言的微生物有毒性。去除這些降解產(chǎn)物對發(fā)酵過程的影響,需在發(fā)酵前對水解液進行去毒,不僅會浪費生物質(zhì)原料利用生物質(zhì)原料制備燃料乙醇的工藝主要有3步:中的半纖維素和木質(zhì)素成分,還增加一道工序,增加乙預處理,水解,發(fā)酵。預處理過程的目的就是瓦解木質(zhì)醇生產(chǎn)成本。因此,現(xiàn)有的預處理方法的工業(yè)化發(fā)展受素和半纖維素對纖維素的保護結(jié)構(gòu),打破纖維素本身的到了很大的限制,目前還沒有一項預處理技術(shù)可以實現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu),使之在后續(xù)酶水解過程中可以與酶充分接觸,大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。從預處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看,其未取得較好的糖化效果。評估預處理方法有效性的標準有:來的發(fā)展方向重點在于綠色環(huán)保和節(jié)能高效,即控制預為水解過程和發(fā)酵過程提供易轉(zhuǎn)化的底物;控制木聚糖處理過程中化學試劑的使用和綜合利用纖維素生物質(zhì)的的損失;發(fā)酵抑制物產(chǎn)量較低;過程條件簡單和預處理各個組分,提高過程的經(jīng)濟可行性S試劑價格低廉或易回收嗎2。 Wyman等的研究表明,預有研究者參考現(xiàn)代石油工業(yè)精煉過程,提出了“生處理是整個工藝過程中最昂貴的一步,并對水解和發(fā)酵物精煉”的概念。其目的在于充分利用生物質(zhì)原料的各的效果與成本有重要影響。近年來,科研人員開發(fā)了許個組分,在制備燃料乙醇發(fā)酵所需的糖分的同時,制備氨爆法,堿法、熱水法和有機溶劑法等稀酸法、多預處理工藝,如機械研磨法、蒸汽爆破法、些附加值高的化學產(chǎn)品針對“生物精煉”這一概念,本文提出2種新的預現(xiàn)有的方法存在以下不足:在預處理條件比較苛刻處理方法9。第一種方法是半纖維素分離兩步預處理法。時(高溫、高壓和長預處理時間),才能獲得較高的纖先利用過氧化氫溶液提取部分半纖維素,剩余的纖維素維素葡萄糖轉(zhuǎn)化率;與此同時,部分半纖維素會在預處富集產(chǎn)物用于燃料乙醇的制備。提取的半纖維素可以分理過程中發(fā)生降解,形成糠醛和5羥甲基2糠醛離回收,制備木寡糖( xylooligosaccharide)。木寡糖是(5 hydroxymethyl furfural,HMF)等發(fā)酵抑制物:木質(zhì)素可以應用于醫(yī)藥工業(yè)和食品工業(yè)的高附加值產(chǎn)品。這也會發(fā)生降解形成小分子芳香化合物,同樣對發(fā)酵過程預處理工藝過程已申請專利9。第二種方法是木質(zhì)素分離兩步預處理法。先利用堿性有機溶液提取木質(zhì)素,剩余收稿日期:2010-1230修訂日期:2011-10-25的纖維素和半纖維素富集產(chǎn)物用于燃料乙醇的制備。提作者簡介:王曉娟(1980-),女,大連理工大學和伊利諾伊大學聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生。大連大連理工大學化工與環(huán)境生命學部,116023。取出的木中國煤化工地膜、高分子化工Email:janefarefox(@gmail.com材料等功自※通信作者:李志義(1959—),男,甘肅天水人,博士,主要研究方向為本文CNMH鐘原料分別考察半纖能源化工,超臨界流體,超高壓食品處理。大連大連理工大學,化工機械維素分離兩步預處理法和木質(zhì)素分離兩步預處理法的處學院,116024。Emai:liy@dlut.edu.cn第5期王曉娟等:兩步法預處理制備生物質(zhì)燃料乙醇理效果,以期為擴展預處理工藝研究方向、實現(xiàn)生物精公司生產(chǎn))。煉工藝提供數(shù)據(jù)參考。1.2.3酶水解柳枝稷和玉米秸稈經(jīng)預處理后,剩余固體作為底物材料與方法進行酶水解。為促進酶與底物的充分接觸,水解過程也1.1材料在C276控溫搖床中進行,通過搖動可以實現(xiàn)酶溶液與底柳枝稷和玉米秸稈原料由美國伊利諾伊大學厄巴納物的均勻混合。香檳分校( University of Illinois at Urbana& Champaign)柳枝稷的酶水解條件如下:固液比10%(質(zhì)量分數(shù))生物能源研究所提供。原料組分依據(jù)美國可再生能源實溫度為50℃,pH值為5,水解時間為96h;搖床轉(zhuǎn)速為驗室的標準方法測定,結(jié)果為:柳枝稷各組分的質(zhì)200rmn:纖維素酶和葡聚糖酶的用量分別為15FPU纖量分數(shù)為32%葡聚糖、28%木聚糖和17%木質(zhì)素;玉米維素酶/g葡聚糖和40Ug葡聚糖秸稈各組分的質(zhì)量分數(shù)為41%葡聚糖、20%木聚糖和17%玉米秸稈的酶水解條件如下:固液比7%(質(zhì)量分木質(zhì)素。柳枝稷的半纖維素含量較高,以其為原料考察數(shù)),溫度為50℃,pH值為5,水解時間為96h;搖床半纖維素分離兩步預處理法的處理效果;玉米秸稈的木轉(zhuǎn)速為200min;纖維素酶和葡聚糖酶的用量分別為質(zhì)素含量與半纖維素含量相近,以其為原料木質(zhì)素分離15FPU纖維素酶/g葡聚糖和40U葡聚糖酶/g葡聚糖。兩步預處理法。所有原料經(jīng) Thomas-Wiley磨盤( model4)FPU( filter paper unit)表示標準的 Whatman No1研磨,收集通過1mm網(wǎng)篩的生物質(zhì)顆粒作為試驗原料。濾紙單元,指在1min內(nèi),從一個標準濾紙單元中釋放出纖維素酶( Spezyme CP)和葡聚糖酶(Novo1881/mol葡萄糖所需的酶用量。葡聚糖酶的活性單位U是購于 Sigma-Aldrich公司。酶活性的測定依據(jù)美國可再生指在1min內(nèi),將1umol葡聚糖轉(zhuǎn)化為2umo葡萄糖的能源實驗室的標準方法和相關(guān)參考文獻完成31酶用量。乙醇(99%質(zhì)量分數(shù))和氫氧化鈉(分析純),購于纖維素轉(zhuǎn)化率由下式確定美國 Fisher Scientific公司葡萄糖的最終濃度(g/D)×水解液的體積L)1.2方法與設(shè)備纖維素轉(zhuǎn)化率1.2.1半纖維素分離兩步預處理法11最初生物質(zhì)中維素的含量)%半纖維分離兩步預處理法的第一步,利用過氧化氫式中,1.11.纖維素的轉(zhuǎn)化系數(shù)的堿溶液提取柳枝稷原料中部分半纖維素和木質(zhì)素;第2.4檢測儀器二步是熱水法預處理。通過預試驗確定試驗條件如表水解液中的糖濃度和發(fā)酵抑制物濃度由高效液相色所示。譜儀(美國 Waters公司生產(chǎn))測定液相色譜系統(tǒng)有e2695表1半纖維素分離和木質(zhì)素分離兩步預處理法的試驗條件分離單元和 Waters2414檢測單元組成。分離單元元件有:Table 1 Experimental conditions of hemicellulose separationAminex hPX-87P色譜柱(糖檢測)和 Aminex HPX-8THtwo-step pretreatment and lignin separation two-step pretreatment色譜柱(抑制物檢測); Carbo-P橋型保護柱。檢測單元半纖維素分離兩步預處理法木質(zhì)素分離兩步預處理法為示差折光檢測器。固液比5%(質(zhì)量分數(shù));過氧固液比9%(質(zhì)量分數(shù));堿性乙醇柳枝稷和玉米秸稈在不同預處理階段的樣品(未處第一步(質(zhì)量分數(shù)):處理時間16,24和79%乙醇(質(zhì)量分數(shù)):溫理的、第一步預處理后的和第二步預處理后的)經(jīng)過不和36h:pH值為115:溫度為度80c:時間2h:搖床轉(zhuǎn)速同體積分數(shù)的乙醇溶液(25%、50%70%、95%和100%)第二步固液比125%(質(zhì)量分數(shù));去固液比10%(質(zhì)量分數(shù));去的梯度脫水處理后,經(jīng)過超臨界二氧化碳臨界干燥器(型預處理離子水處理:溫度121℃;處理離子水處理;溫度為120,135號 Samdri-PVT-3D,美國 Tousimis Research Corporation時間30min150和165℃:時間30mi公司生產(chǎn))干燥。和利用渦輪增壓鍍膜儀(型號 Denton第一步預處理和酶水解均在C276控溫搖床(型號acum,美國 Moorestown生產(chǎn))將干燥后的樣品鍍上金C276,美國 New Brunswick Scientific公司生產(chǎn))中進行。/鈀層,以便進行電鏡檢測。掃描電鏡圖片(SEM)利用第二步預處理的設(shè)備為滅菌鍋(型號 STM-EL ELX,美環(huán)境掃描電鏡(型號 Philips XL30 ESEM-FEG,荷蘭FEI國 Market Forge Industries Inc. Everett公司生產(chǎn))。Company生產(chǎn))獲得。1.2.2木質(zhì)素分離兩步預處理法2結(jié)果與分析木質(zhì)素分離兩步預處理法的第一步,利用堿性乙醇溶液去除玉米秸稈原料中部分木質(zhì)素;第二步是利用管21半纖維素分離兩步預處理法的結(jié)果與分析式反應器進行熱水法預處理。通過預試驗確定試驗條件圖1是在不同預處理條件下,柳枝稷水解過程的糖第一步預處理和酶水解反應在C276控溫播床中進8度變化圖,可見,在預處理時間相同的情況下,如表1所示。質(zhì)量濃中國煤化工萄糖( glucose)在水行。第二步預處理設(shè)備有;不銹鋼管式反應器,長解液中倒CNMHG1a中,第一步預處理178m,直徑254mm;配置TC.8D溫度控制儀的時間為16h時,當過氧化氫質(zhì)量分數(shù)為1%時,水解液中SBL2D流化床(型號L2D,美國 Techne Inc. Burling最終的葡萄糖質(zhì)量濃度為247g/L;當過氧化氫質(zhì)量分數(shù)農(nóng)業(yè)工程學報2012年葡萄糖·1%HO2·2%H!O2▲3%HQO2木糖a1%HO處理時間的延長,水解液中葡萄糖的最終濃度降低。在3%H2O225過氧化氫溶液質(zhì)量分數(shù)為1%和2%時,也獲得同樣趨勢。505050這是由于,當過氧化氫溶液濃度不變的情況下,延長預處理時間,隨著半纖維素和木質(zhì)素的部分去除,有一小部分纖維素也損失了。在3%質(zhì)量分數(shù)的過氧化氫溶液處理16h時,纖維素的轉(zhuǎn)化率達到最高值89%對水解液中木糖( xylose)的最終濃度而言(圖1),在第一步預處理時間不變的情況下,預處理時間為16h和24h時,過氧化氫溶液濃度的提高對其影響不大。而水解時間/h當預處理時間為32h時,隨著過氧化氫溶液的濃度升高,a.半纖維素分離預處理法(第一步預處理16h)水解液中木糖的最終質(zhì)量濃度明顯下降,分別為14g/L(1%過氧化氫溶液)、13g/(2%過氧化氫溶液)和9g則,+:m(3%過氧化氫溶液)。圖2為在預處理過程中,不同階段柳枝稷樣品的電是20鏡圖片,可以看出半纖維素分離兩步預處理法對生物質(zhì)表面特性的影響。水解時間/hb.半纖維素分離預處理法(第一步預處理24h9包幅05050s0a.未預處理(500倍)水解時間/hc.半纖維素分離預處理法(第一步預處理32h)圖1半纖維素分離兩步預處理法對柳枝稷水解過程糖質(zhì)量濃度的影響Fig 1 Effects on enzymatic hydrolysis of switchgrass pretreatby hemicellulose separation two-step pretreatment method為2%時,水解液中的最終葡萄糖質(zhì)量濃度為29gLb.第一步預處理(500倍)過氧化氫質(zhì)量分數(shù)升高到3%時,水解液中葡萄糖的最終濃度為31.3g/L。在第一步預處理時間為24h和32h時,糖濃度變化趨勢相同。但在第一步預處理時間相同的情況下,過氧化氫質(zhì)量分數(shù)從1%提高到2%時,水解液中葡萄糖的最終濃度有很大提高;而當過氧化氫質(zhì)量分數(shù)從2%提高到3%時,水解液中葡萄糖的最終濃度提高幅度相對較小。由此可見,當過氧化氫質(zhì)量分數(shù)達到一定值(高于2%)時,提高其質(zhì)量分數(shù)對預處理效果沒有明顯作用。圖1b中所示,過氧化氫質(zhì)量分數(shù)為2%,當預處理時間為16h時,可以獲得葡萄糖質(zhì)量濃度為29gLc.第二步預處理(4000倍)注的水解液;當預處理時間為24h時,獲得的水解液中的中國煤化工50C處理16h最終葡萄糖質(zhì)量濃度為289gL:而當預處理時間為32h圖2半纖HCNMHG段柳枝稷樣品的電鏡時,可以獲得葡萄糖質(zhì)量濃度為27g的水解液。由此分析圖片可見,當過氧化氫溶液質(zhì)量分數(shù)為3%時,隨著第一步預Fig2 SEM images of switchgrass samples at different steps inseparation two-step pretreatment process第5期王曉娟等:兩步法預處理制備生物質(zhì)燃料乙醇如圖2所示,未經(jīng)處理的柳枝稷樣品微粒表面光潔,表3不同預處理方法處理的玉米秸稈的糖產(chǎn)率11纖維呈束狀,排列緊密,并且纖維束為粗大型,完全展Table 3 Sugar conversion yields of corn stover pretreated bydifferent methods!7-2i1現(xiàn)了纖維素、半纖維素和木質(zhì)素緊密聯(lián)結(jié)所形成的致密轉(zhuǎn)化率%結(jié)構(gòu)。當?shù)谝徊筋A處理結(jié)束后,經(jīng)過了堿性過氧化氫溶預處理方法預處理條件糖液浸泡,柳枝稷樣品微粒表面呈雜亂狀,粗大的纖維束35.9分散成相對較小的纖維束,并且整體結(jié)構(gòu)松散,表面雜稀酸法固液比5%質(zhì)量分數(shù):49%質(zhì)量分數(shù)稀硫酸:160℃:20min亂,可以推斷木質(zhì)素和半纖維素形成的纖維素保護層被熱水法固液比16%質(zhì)量分數(shù);190℃; 15 min15%質(zhì)量分數(shù)液氨破壞,纖維素暴露面積必然增大。第一步預處理所得固氨鄱環(huán)法25Mp350 mL min:60mim未提體殘余物的組分分析結(jié)果表明,柳枝稷原料中99%的纖氨爆法濕度60%質(zhì)量分數(shù):氨與生物質(zhì)維素和69%的半纖維素被保留,也證明了半纖維素的保質(zhì)量比為100%:90℃;保壓5minca(OH2與生物質(zhì)質(zhì)量比9135l8護結(jié)構(gòu)被破壞這一推斷。在第二步預處理之后,可以清石灰法為50%;55℃;4周晰看到生物質(zhì)表面出現(xiàn)裂痕,粗糙不平,這十分有利于注:水解過程中酶用量為15FPU纖維素酶g纖維素酶與纖維素的充分接觸。對這一固體進行組分分析,結(jié)比較可以看出,除了稀酸法,其他方法可以獲得較高果表明,部分纖維素發(fā)生了降解,而在第二步預處理所的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化率。但其相對預處理條件也有一得的液體部分中,葡萄糖和木糖的質(zhì)量濃度低于1g定的局限性:高溫、需要保壓、高濕度耗水、采用腐蝕性說明降解了的纖維素以多聚糖的形式存在于溶液中,因化學試劑或處理時間很長。這些問題也提高了預處理過程此第二步預處理對纖維素的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的破壞設(shè)備的要求。綜合來看,本文提出的木質(zhì)素分離兩步法預作用。處理條件相對要求較低,并且提高纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化第一步預處理結(jié)束后,從所得的半纖維素和木質(zhì)素率的方面還有一定進步空間,值得深入研究提取液中,依據(jù)相關(guān)參考文獻的方法1,分離回收了80%以上的半纖維素。第一步預處理的最佳條件是在固液比為5%(質(zhì)量分數(shù))時,用3%質(zhì)量分數(shù)的過氧化氫溶液處理柳枝稷16h,溫度和p值分別為50℃和15。第一步預處理后,將混合物離心所得的上清液,可以用于分離提純半纖維素,已有成熟相關(guān)的技術(shù)應用于工程領(lǐng)域。第二步預處理為滅菌鍋處理,有通用的設(shè)備,所得的混合物可以直接進行酶水解。省略了傳統(tǒng)預處理工藝后續(xù)的離心和去毒工序,a.未預處理(500倍)在一定程度上降低了過程的復雜性和成本。因此,半纖維素分離預處理法的工業(yè)應用具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?2木質(zhì)素分離兩步預處理法的結(jié)果與分析表2為木質(zhì)素分離兩步預處理法在不同條件下處理玉米秸稈所獲得的葡萄糖和木糖的轉(zhuǎn)化率。表2木質(zhì)素分離兩步預處理法的糖轉(zhuǎn)化率Table2 Sugar conversion yield of com stover pretreated by ligninseparation two-step pretreatment method預處理條件轉(zhuǎn)化率%b.第一步預處理(500倍)第一步預處理第二步預處理葡萄糖135℃如表1所述165℃可見,在第一步去除木質(zhì)素之后,在相同處理時間情況下,隨著第二步預處理溫度的升高,葡萄糖和木糖轉(zhuǎn)化率變化不是很大,最高的葡萄糖產(chǎn)率83%和最高木c.第二步預處理(2000倍)糖產(chǎn)率49%分別在135℃和150℃時獲得。但最高的總糖濃度(葡萄糖和木糖)則在135℃時獲得,葡萄糖和木糖TYHEm淚咖斗1?ET中國煤化工法不同階段玉米的質(zhì)量濃度分別為32gL和10gL。CAF小組以玉米秸CNMH圖片稈為原料,考察了多種預處理方法的效果,其糖產(chǎn)率總Fig 3 SEM images of corn stover samples at different steps in結(jié)于表312lignin separation two-step pretreatment process農(nóng)業(yè)工程學報2012年圖3為在預處理過程中,不同階段玉米秸稈樣品的處理條件為3%過氧化氫溶液、處理時間16h時,可以獲電鏡圖片,可以更直觀的表明木質(zhì)素分離兩步預處理法得總糖濃度最高的柳枝稷水解液(31gL葡萄糖和14g/L對生物質(zhì)的處理效果。未經(jīng)處理的玉米秸稈纖維呈束狀,木糖)。該水解液中的糠醛和HMF的濃度很低,低于檢緊密聯(lián)接在一起,表面相對較光滑。在第一步預處理過測系統(tǒng)的設(shè)定的最低質(zhì)量濃度02g/L,不夠定量;而乙后,部分木質(zhì)素被堿性乙醇溶液溶解,從圖3中可以看酸質(zhì)量濃度為014g/L,遠低于其濃度限制。在木質(zhì)素分出,生物質(zhì)表面變得粗糙,結(jié)構(gòu)看起來松散,有孔洞的離兩步預處理法試驗中,當?shù)诙筋A處理溫度為135℃產(chǎn)生。在經(jīng)過第二步預處理的玉米秸稈樣品圖片中,可時,可獲得總糖質(zhì)量濃度最高的玉米秸稈水解液(32gL以看到第二步熱水法破壞了生物質(zhì)纖維束的有序性,長葡萄糖和10g/L木糖)。其中,糠醛和HMF的濃度同樣纖維束斷裂成小段,生物質(zhì)表面更加粗糙雜亂,可以推很低,不夠定量;乙酸質(zhì)量濃度為023gL。由此可見,斷,經(jīng)過兩步預處理,纖維素、半纖維素和木質(zhì)素聯(lián)結(jié)這2種方法在獲得較高纖維素轉(zhuǎn)化率的同時,可以控制形成緊密結(jié)構(gòu)被部分破壞,使得后續(xù)酶水解過程可以順水解液中發(fā)酵抑制物的產(chǎn)生。這2種方法的第一步主要利進行。是對生物質(zhì)原料進行浸泡處理,適當調(diào)整預處理過程的木質(zhì)素分離兩步預處理法的第一步預處理條件為利固液比,可以降低對生物質(zhì)原料微粒尺寸的要求,這對用含有1%NaOH和70%乙醇(質(zhì)量分數(shù))的堿性溶液提降低過程工藝成本也有很好的效果。綜上所述,半纖維取木質(zhì)素及其降解物,最佳條件為溫度80℃浸泡2h。所素分離兩步預處理法和木質(zhì)素分離兩步預處理法具有很得的木質(zhì)素堿性溶液經(jīng)過溶劑回收和提純處理,可以回大的發(fā)展?jié)摿?值得進一步研究。收乙醇并制得木質(zhì)素等高分子材料,相關(guān)方法正在進一步研究中。第二步預處理條件相對傳統(tǒng)方法來說預處理4結(jié)論條件(如溫度)降低了很多,即在135℃時熱水法處理半纖維素分離兩步預處理法和木質(zhì)素分離兩步預處理法對柳枝稷和玉米秸稈進行處理,結(jié)論如下:1)試驗3討論研究均獲得了超過80%的纖維素轉(zhuǎn)化率,與現(xiàn)有預處理方法相比較,其纖維素轉(zhuǎn)化率略低,但其預處理過程的糠醛( furfural)、5-羥甲基-2-糠醛(5- hydroxymethyl條件(溫度、壓力和時間)要求也相對較低;2)這2種furfural,HMF)和乙酸( acetic acid)是3種生物質(zhì)水解方法都降低了預處理過程中的溫度條件,從而控制了半液中最常見的發(fā)酵抑制物。其中,糠醛和HMF是分別由纖維素和木質(zhì)素的降解,降低了水解液中發(fā)酵過程抑制戊糖和己糖降解而來,是水解液中常見的抑制物四2]。它物的濃度;3)在獲得可發(fā)酵的糖原料的同時,這2種方們在發(fā)酵過程中,可以被酵母細胞利用,進一步降解為法分別提取了部分半纖維素和木質(zhì)素。小分子有機酸。酵母細胞可以將糠醛轉(zhuǎn)化成糠基醇,雖不影響最終的乙醇產(chǎn)量,但會導致乙醇發(fā)酵停滯,從而致謝:本文試驗工作主要是在美國伊利諾伊大學香降低乙醇發(fā)酵速度四-]。乙酸是由木聚糖降解而來,它主檳分校馮浩博士的實驗室完成的·期間,中國國家留學要影響發(fā)酵系統(tǒng)的pH值,有研究者考察了這3種抑制物基金委員會和馮浩博士分別給予王曉娟同學2年和1年在發(fā)酵過程中,對不同發(fā)酵微生物產(chǎn)生的影響。在可利的資助,在此表示由衷的感謝用葡萄糖的微生物中,酵母細胞( saccharomyces[參考文獻]cerevisiae Bakers yeast)具有其他酵母、真菌等微生物無 1] Zhan H H, Huang L L. Recent advances in lignocellulosic法超越的優(yōu)越性,它可以耐受質(zhì)量濃度為150g/L的乙醇,并且可以在完全缺氧的條件下生長24。Lee等的試驗研究表明,當發(fā)酵液中糠醛和HMF濃度分別為65mmoL和Engineering(Transactions of the CSAE), 2011, 27(Supp 1)218-221進行發(fā)酵,其乙醇產(chǎn)率是理論產(chǎn)率的50%,而當發(fā)酵2WmcE,peBE.mRr, et al. Coordinated系統(tǒng)中乙酸質(zhì)量濃度達到43g/L時,酵母生長的抑制程度達50%。大腸桿菌Ecol可以利用六碳糖和五碳糖Bioresource Tehnology, 2005, 96(18): 1959-196的混合溶液,但乙醇產(chǎn)率較低。有研究者進行細菌和酵③]王曉娟,王斌,馮浩,等.木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)制備生物母基因重組的研究,以期結(jié)合兩者的優(yōu)點2。 Zaldivar乙醇研究進展[.石油與天然氣化工,2007,36(6):452等以質(zhì)量濃度為100gL木糖溶液為底物,考察了幾種發(fā)酵抑制物對 E coli ly01的作用2829。結(jié)果表明,當糖Wang Xiaojuan, Wang Bin, Feng Hao et al. Research溶液中的乙酸濃度為283mmoL時,同樣發(fā)酵時間獲得dvancement of bioethanol preparation from lignocellulosic的乙醇濃度為純糖溶液發(fā)酵的78%;當糠醛和HMF濃度中國煤化工as,200,366):452分別為39mmoL和36mmo/L時,對細菌生長也有一定CNMHG抑制作用。[4]靳勝英,張福琴,張禮安.木質(zhì)纖維原料制乙醇原料預處在半纖維素分離兩步預處理法試驗中,當?shù)谝徊筋A理技術(shù)[中國工程科學,2008,11(1):82-88第5期王曉娟等:兩步法預處理制備生物質(zhì)燃料乙醇199Jin Shengying, Zhang Fuqin, Zhang Li'an Pretreatment methodTechnol,2005,96(15):1967-1977of lignocellulosic materials for bioethanol production[]. Eng [18] Moiser N, Hendrickson R, Ho N, et al. Optimization of phScience, 2008, 11(1):82-88.(in Chinese with Englishcontrolled liquid hot water pretreatment of corn stover[J]abstract2005,96(18):1986-1993[5] Zhang Y P. Reviving the carbohydrate economy via multi[19 Kim T H, Lee Y Y. Pretreatment and fractionation of comproduct lignocellulose biorefineries[J]. J. Ind. Microbiolstover by ammonia recycle percolation processBiotech,2008,35(5):367-375Bioresource Technology, 2005, 96(18): 2007-2013[6]Wang B, Wang X J, Feng H. Deconstructing recalcitrant [20] Teymouri F, Laureano-Perez L, Alizadeh H, et al. OptimizationMiscanthus with alkaline peroxide and electrolyzed water]of the ammonia fiber explosion(AFEX) treatment parametersresource Tech,2010,101(2):752-760.r enzymatic hydrolysis of com stover[]. Bioresource[7] Wang X J, Feng H, Li Z Y Conversion of switchgrass intoTechnology,2005,9618):2014-2018fermentable sugars by electrolyzed water pretreatment and a [21] Kim S, Holtzapple M T. Lime pretreatment and enzytwo-stage pretreatment[2]. American Institute of Chemicalhydrolysis of corn stover. Bioresource TechnologyEngineers Annual Meeting of 2010.96(18):1994-2006[8] Wang X J, Feng H, Li Z Y. Ethanol and value-added [22] Endo A, Nakamura T, Ando A, et al. Genome-wide screeningchemicals produced from corn stover pretreated by novelof the genes required for tolerance to vanillin, which is amethods[Z]. American Institute of Chemical Engineerspotential inhibitor of bioethanol fermentation, in SaccharomycesAnnual Meeting of 2010cerevisiae[J]. Biotechnol Biofuels, 2008, 1(1): 3-10[9] Wang B, Feng H, Wang X J, et al. Deconstructing (23) Villa G P, Bartroli R, Lopez R, et al.Microbial ofgnocellulosic biomass with a two-step method[P]. 2009,transformation of furfural to furfuryl alcohol by SaccharomycesApplication No. 12642601cerevisiae[J]. Acta biotechnol, 1992, 12(6): 509-512[10] Hames B, Ruiz R, Scarlata C, et al. Preparation of samples[24] Claassen P A M, Lier J B V. Utilization of biomass for thefor compositional analysis laboratory analytical proceduresupply of energy carriers[J]. App lied Microbiology and(LAP)[Z]. National Renewable Energy Laboratory, U.SBiotechnology, 1999, 52(6): 741-755Department of Engergy, 2008.[ll] Sluiter A, Ruiz R, Scarlata C, et al. Determination of [25] Lee W G, Lee J S, Shin C S, et al. Ethanol production usingextractives in biomass laboratory analytical procedurconcentrated oak wood hydrolysates and methods to(LAP)Z]. National Renewable Energy Laboratory, U.Sdetoxify[J]. Appl Biochem Biotechnol, 1999(1/3):77-79,Department of Engergy, 200547-559.12 Sluiter A, Hames B, Ruiz R, et al. Determination of structural [26 Pampulha M E, Loureiro V. Interaction of the effects ofrbohydrates and lignin in bicacetic acid and ethanol on inhibition of fermentation inprocedure(LAP)[Z]. National Renewable Energy Laboratory,Saccharomyces cerevisiae[J]. Biotechnol Lett, 1989, 11(4)U.S. Department of Engergy, 2008.[3] Adney E, Baker J. Measurement of cellulase activities D27]張宇昊,王頡,張偉,等.半纖維素發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的(LAP)IZ]. National Renewable Energy Laboratory, U.S研究進展釀酒科技,2004(5):72-74Department of Engergy, 1996Zhang Yuhao, Wang Jie, Zhang Wei, et al. Research progress[14] Ghose T. Measurement of Cellulase Activities[]. Pure andof hemicellulose fermentation to produce fuel alcoholAppl Chem,1987,59(5):457-268.[15] Miller G. Use of dinitrosalicylic acid reagent forLiquor-making Science Technology, 2004(5): 72-74(inletermination of reducing sugar[J]. Anal Chem, 1959, 31(3)Chinese with English abstract)426-428.[28] Zaldivar J, Martinez A, Ingram L O. Effect of selected[16] Blake J D, Murphy R T, Richards G N. Isolation and A/Baldehydes onowth and fermentationEscherichia coli LYo1[J]. Biotechnol Bioeng, 1999, 65(1)classification of hemicelluloses[J]. Carbohydrate Research,1970,16(1):49-57[17] Lloyd T A, Wyman C E Combined sugar yields for dilute [29 Zaldivar J, Ingram L O. Effect of organic acidssulfuric acid pretreatment of corn stover followed byand fermentation of ethanologenic Escherichia coli LYol[]enzymatic hydrolysis of the remaining solids[].BioresourBiotechnol Bioeng, 1999, 66(1): 24-33中國煤化工CNMHG200農(nóng)業(yè)工程學報2012年Investigation of two-step pretreatment method for production ofethanol from lignocellulosic biomassWang Xiaojuan''2, Feng Hao, Wang Bin Li Zhiyi(1. Faculty of Chemical, Environmental and Biological Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China;2. College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences, University of Illinois at Urbana Champaign, Urbana, IL 61801, USA)Abstract: For developing new pretreatment methods of fuel ethanol production, hemicellulose separation two-steppretreatment method and lignin separation two-step pretreatment method were investigated using switchgrass and cornstover. In the hemicellulose separation two-step pretreatment, a cellulose digestibility of 89% was obtained(Step I withthe condition of 2%wt H202, 50C and 16 h; Step 2 with the condition of 121C and 30 min), while in the ligninseparation two-step pretreatment, the highest cellulose digestibility of corn stover was 83%(Step 1 with the condition of1%wt NaOH, 70%wt ethanol solution, 80 C and 2 h; Step 2 with the condition of 135 C and 30 min). SEM micrographsshowed that the surface of biomass had been altered and the accessibility of enzymes had been improved. Hemicelluloseand lignin separated from the feedstock could be recovered for the production of value-added products. The resultsindicate that these two pretreatment methods have a promising future, and are very helpful for the industrialization offuel ethanol productionKey words: fuel, ethanol, lignocellulosic biomass, two-step pretreatment, digestibility中國煤化工CNMHG