2012年3月臻色科技Journal of Green Science and Technology第3期木質(zhì)纖維素制燃料乙醇的預(yù)處理研究徐超,關(guān)東明,朱漢青,吳濤,陳超正(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083)摘要:指出了劊做乙醇的過(guò)程中,對(duì)玉米芯預(yù)處理?xiàng)l件的探究是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。采用酸水解法,通過(guò)正交試驗(yàn),得出了玉米芯水解得到木糖過(guò)程中的最適溫度為119.8℃、時(shí)間為90min、硫酸濃度1.16%、固液比為1:10等條件,且提高玉米芯的利用奉最終為0.30g/g關(guān)鍵詞:木質(zhì)纖維素;預(yù)處理;酸水解法;發(fā)酵乙中圖分類號(hào):TS261.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-9944(2012)03-0280-041引言成乙醇5。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)境問(wèn)題以及能源緊缺問(wèn)題我國(guó)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)起步較晚,但發(fā)展迅速,2006日趨嚴(yán)峻,尋找可再生能源已經(jīng)成為緩解化石燃料年我國(guó)燃料乙醇的產(chǎn)量達(dá)到144萬(wàn)t,成為世界第3短缺和控制大氣中CO2濃度的重要途徑。作為大燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)。由于乙醇等生物燃料產(chǎn)量的大種清潔能源,有“綠色石油”和“液體黃金”之稱的乙幅增加,已導(dǎo)致了世界糧食價(jià)格的大幅上漲。美國(guó)醇有其獨(dú)特的優(yōu)越性。乙醇與汽油相比,能夠增加作為全球最大的糧食乙醇生產(chǎn)與應(yīng)用國(guó),近年來(lái)加氧的含量燃燒時(shí)使碳?xì)浠衔锔映浞盅趸?從而大了對(duì)纖維素乙醇發(fā)展的支持力度。減少排放到大氣中的芳烴類化合物及一氧化碳量.同時(shí)將一些農(nóng)作物秸稈和含纖維素質(zhì)的作物3木質(zhì)纖維素的預(yù)處理通過(guò)一定的方法轉(zhuǎn)換為人類所需的能源,也是一項(xiàng)木質(zhì)纖維素價(jià)廉、可再生資源豐富。將這物變廢為寶的重大工程。其中通過(guò)稀酸水解木質(zhì)纖維質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖、木糖等可發(fā)酵性糖,被認(rèn)為是乙醇素來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇已受到了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注。生產(chǎn)中極具前景的一個(gè)途徑。它經(jīng)過(guò)水解可以制得2燃料乙醇生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展單糖,單糖經(jīng)微生物發(fā)酵可進(jìn)一步供生產(chǎn)低聚糖、細(xì)胞蛋白、酒精和有機(jī)酸等有機(jī)原料和燃料,可以取纖維素制乙醇在19世紀(jì)即已提出,方法是把代目前的淀粉原料發(fā)酵生產(chǎn)的各種產(chǎn)品,是化石資纖維素水解為單糖,再把單糖發(fā)酵成乙醇。但該工源等不可再生能源的有效替代品。木質(zhì)纖維素的開(kāi)藝雖然原料價(jià)格便宜,生產(chǎn)成本卻很高,隨著以石油發(fā)利用早已引起人們的廣泛重視,但其利用率僅為原料的合成乙醇大量生產(chǎn),這類工廠大都關(guān)閉。1%左右,木質(zhì)纖維素資源現(xiàn)多作為燃料、織物、飼在20世紀(jì)石油危機(jī)后,西方國(guó)家又開(kāi)始重視纖維料、食品、藥品、肥料等,這不僅利用率低而且造成環(huán)素制乙醇的技術(shù)。第一個(gè)燃料乙醇項(xiàng)目一ProA-境污染,因此纖維素資源作為能源物質(zhì)開(kāi)發(fā)具有很cool于1975年誕生在巴西,1978年美國(guó)、加拿大也大前景。木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素和木開(kāi)展了類似的項(xiàng)目。目前開(kāi)展此項(xiàng)目最為活躍的國(guó)質(zhì)素組成。家是美國(guó)和巴西,這兩個(gè)國(guó)家乙醇產(chǎn)量約占全球乙在植物組織中木質(zhì)素與半纖維素以共價(jià)鍵形式醇總產(chǎn)量的70%以上。歐洲各國(guó)也對(duì)發(fā)展生物燃結(jié)合,并將纖維素分子包埋其中,形成一種堅(jiān)固的天料表現(xiàn)出極大興趣,開(kāi)始加大力度進(jìn)行研究、推廣和然屏障,使一般徵生物很難進(jìn)入使其降解。木質(zhì)纖使用乙醇汽油維素原料生產(chǎn)燃料乙醇的過(guò)程主要包括預(yù)處理、糖有著豐富甘蔗資源的巴西,利用甘蔗作為原料化、發(fā)酵等,其預(yù)處理是生物轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟,影響發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè),目前年產(chǎn)1400t纖維素乙醇,整個(gè)纖維素酒精生產(chǎn)過(guò)程。因此高效、便捷的預(yù)處幾乎全部作為汽車燃料使用。美國(guó)已于2008年理技術(shù)是木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵所成為全球最大的纖維素乙醇生產(chǎn)國(guó)。美國(guó)政府發(fā)布在。預(yù)處理的目的是使纖維素與木質(zhì)素、半纖維素多條目標(biāo)和激勵(lì)政策,用以促進(jìn)纖維素乙醇的生產(chǎn),等分離,使纖維素內(nèi)部氫鍵打開(kāi),使結(jié)晶纖維素成為位于佛羅里達(dá)州的柑橘和亞熱帶產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室與其合無(wú)定型中國(guó)煤化工分-1,4一糖苷作伙伴可再生醇類公司聯(lián)合研發(fā)了一種替代過(guò)程,鍵,降低CNMHG的結(jié)構(gòu)破壞纖維采用酶催化將這類殘?jiān)D(zhuǎn)化成糖類糖類再發(fā)酵生素一木質(zhì)冢半維系乙間時(shí)連接,降低纖維素的收稿日期:222作者簡(jiǎn)介:徐超(199-),男,陜西延安人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)生物工程專業(yè)學(xué)生數(shù)據(jù)徐超等:木質(zhì)纖維素制燃料乙醇的預(yù)處理研究工程技術(shù)結(jié)晶度以及提高基質(zhì)的孔隙率常用的預(yù)處理方法的顆粒,烘干并測(cè)其含水量可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)結(jié)合法和生物法44.2玉米芯含水量測(cè)定大類。本文主要介紹化學(xué)法中的酸水解法測(cè)得試驗(yàn)所用玉米芯含水率為5.3%(表1)木質(zhì)纖維素來(lái)源于木材、于草、林業(yè)廢料、農(nóng)業(yè)表1玉米芯含水量廢料和紙制品廢料等,主要成分包括纖維素(40%烘干前質(zhì)量/g39.242.1441.7247.5938.640.7341.5142.3250%)、半纖維素(25%~30%)和木質(zhì)素(10~烘于后質(zhì)量/g38.6741.6241.1947.0738.0940.1840.9841.7920%)。在不同的原料中,這3種成分的組成不0.530.520.530.520,510.550,530.53同。在農(nóng)作物廢料玉米芯中纖維素含量約占45%,半纖維素約占35%,質(zhì)素約占15%9。4.3玉米芯水解纖維素是D一葡萄糖以B-1,4糖苷鍵組成的4.3.1水解液的制備大分子多糖,分子式為(CH1O3)n,其纖維聚合度n稱取20.0g粉碎后的玉米芯顆粒,按固液比1:由200~200kDa不等。半纖維素是一種分子量較10(w/v)比例加入到盛有1%(v/y)稀硫酸的小的帶有支鏈的多聚糖,相對(duì)來(lái)說(shuō)聚合程度較低,500mL三角瓶中,浸泡過(guò)夜,在120℃滅菌鍋中水解般不大于200kDa。其結(jié)構(gòu)單元包括戊糖基、已糖基、糖酸基和乙酰基,其中的戊糖主要為木糖和阿拉4.3.2水解后玉米芯的處理方法伯糖。除了半乳糖組成的半纖維素以β-1,3糖苷將玉米芯水解液冷卻液抽濾得半纖維素水解液鍵連接,半纖維素的主要聚合方式也是B-1,4糖苷至容量瓶中定容,用NaOH中和至pH值為7,用鍵0)。木質(zhì)素是具有網(wǎng)狀空間立體結(jié)構(gòu)的高分子DNS法測(cè)定樣品中木糖含量,利用540mm光長(zhǎng)測(cè)芳香族化合物,由4種醇單體(對(duì)香豆醇、松柏醇、5其吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程計(jì)算出樣品木糖羥基松柏醇、芥子醇)的苯丙烷基單元通過(guò)醚鍵和濃度碳一碳鍵連接而成。4.3.3木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制木質(zhì)纖維素經(jīng)過(guò)預(yù)處理(包括粉碎處理、水處木糖吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1,不同濃度的木糖理、堿處理、稀酸處理、蒸汽爆破處理和氨處理等方溶液對(duì)540m光長(zhǎng)的吸光值見(jiàn)表2。法),使其結(jié)構(gòu)變得松散,再通過(guò)水解產(chǎn)生可被微生物利用于發(fā)酵的單糖。木質(zhì)纖維素的水解方法包括化學(xué)法和生物法(酶法)等1,其中以稀酸水解法應(yīng)用得較為廣泛。稀酸水解法具有快速、廉價(jià)、易于操作的優(yōu)點(diǎn),但是會(huì)產(chǎn)生較多的副產(chǎn)物121。通常,該y=57.357x+0.8021方法是通過(guò)木質(zhì)纖維素原料與無(wú)機(jī)酸如硫酸、鹽酸R2=0.9972混合,并經(jīng)120~200℃的高溫處理完成3141。4實(shí)驗(yàn)方案0.24.1玉來(lái)芯半纖維素水解吸光度4.1.1玉米芯預(yù)處理圖1木糖吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線將玉米芯用機(jī)械粉碎法預(yù)處理得到20~30目表2不同濃度的木糖溶液對(duì)540nm光長(zhǎng)的吸光值管號(hào)空白含糖總量/mg1.41g/木糖標(biāo)準(zhǔn)液/mL0蒸餾水/mL21.61.41.20,8DNS試劑/mL2加熱沸水浴中加熱5min冷卻立即用流動(dòng)的冷水冷卻蒸餾水吸光值(540)0.10500,23750.400.57251中國(guó)煤化工4.4玉米芯水解后木糖得率的計(jì)算4.5玉米芯CNMH化試驗(yàn)通過(guò)對(duì)玉米芯半纖維素水解液中木糖含量進(jìn)行在一定的粒徑條件下,玉米芯中半纖維素的水測(cè)定,確定每克干重玉米芯木糖得率,即木糖g/干解主要受水解溫度、時(shí)間、酸濃度、固液比4個(gè)因素重玉米芯g的影響。所以本課題從水解溫度、時(shí)間、硫酸濃度2812012年3月綠色科技第3期固液比4個(gè)因素做正交試驗(yàn)研究其對(duì)玉米芯半纖維對(duì)木糖產(chǎn)率影響最大,其主要原因是:在玉米芯半纖素水解的影響。玉米芯半纖維素水解產(chǎn)物中木糖為維素酸水解的過(guò)程中,隨著水解的進(jìn)行,半纖維素中主要單糖產(chǎn)物,因此以下試驗(yàn)主要以其中木糖含量的戊聚糖逐步水解成木糖,但隨著水解生成的木糖為主要檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的量的增多,再延長(zhǎng)水解反應(yīng)時(shí)間,則水解生成的木表3玉米芯半纖維素水解條件正交優(yōu)化試驗(yàn)糖又會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)降解成糠醛等副產(chǎn)物,導(dǎo)致最終w)%液比吸光值木糖濃度因素溫度時(shí)向濃度木糖的量的減少,所以采用水解時(shí)間90min是合適試驗(yàn)11050.50.51:200.485028.的試驗(yàn)210111100.436525.8384表3中正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)組合中固液比為1試驗(yàn)31051.53:200.555332.6524:5,但在實(shí)際操作中較大的固液比會(huì)產(chǎn)生大量濾渣試驗(yàn)410520.707940.4051試驗(yàn)51100.53:200.510830.1001且需要多次洗滌濾渣造成水解液中木糖濃度降低,試驗(yàn)61101l:s0.4883這會(huì)增加下一步半纖維素水解液濃縮動(dòng)能消耗,故試驗(yàn)71101.520.202712.42841:100.413224.5020在實(shí)際操作中選擇液固比1:10更為合適。綜上所試驗(yàn)91150,550.70241.0839述玉米芯適宜的水解條件為溫度120℃、時(shí)間試驗(yàn)101153:200.675739,558290min、硫酸濃度1%、固液比1:10。1:100,417524.7486試驗(yàn)121151:200.230714,0344試驗(yàn)131200.5l:100.388523.0853參考文獻(xiàn):試驗(yàn)14120·11.5[1] Quintero J A, Montoya M 1, Sanchez O J, et al. Fuelethanol pre試驗(yàn)151201,51:50.742843.4069試驗(yàn)1613:200.591834.7460duction from sugarcane and corn: Comparativeanalysis for a Co-lombian case[J]. Energy, 2008, 33: 385-399[2]許慶利,藍(lán)平,隋森,等,木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)5結(jié)果與討論展[.化工進(jìn)展,2009(4):1906~1907[3]馬現(xiàn)剛,徐恒泳,李文釗.木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展J].天然氣化工,2008(7):60~61稀酸水解木質(zhì)纖維素的工藝較簡(jiǎn)單,原料處理4]肖波,周英彪李建芬,生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)[M北京化時(shí)間短,污染小,技術(shù)相對(duì)成熟1。通過(guò)稀酸對(duì)玉學(xué)工業(yè)出版社,2006米芯半纖維素進(jìn)行水解可以使半纖維素水解的比較5李水濤纖維素水解生產(chǎn)乙醇的研究進(jìn)展[門].應(yīng)用能源技術(shù)徹底,并且經(jīng)稀酸水解處理后,纖維素的平均聚合度2010(8):13~14,下降,對(duì)后續(xù)的纖維素的酶解有明顯的促進(jìn)作用67吉延,陳曉群蔣朱克,等木質(zhì)纖維素的預(yù)處理及應(yīng)用]食品工程·技術(shù),2010(10):118~119但稀酸水解的溫度較高,水解過(guò)程中,生成了較多的[]王敏,王倩,吳榮榮木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇預(yù)處理技術(shù)對(duì)發(fā)酵有抑制作用的副產(chǎn)物。這些副產(chǎn)物極大地影研究進(jìn)展[].衡水學(xué)院學(xué)報(bào),2010(10):106~107響了半纖維素水解液的發(fā)酵性能,導(dǎo)致乙醇發(fā)酵總[8] Sanchez c. Lignocellulosic residues; Biodegradation and bicc成本的居高不下。因此對(duì)半纖維素進(jìn)行有效的預(yù)處version by fungi[J]. Biotechnol Adv, 2009(27): 185-194理對(duì)于提高半纖維素水解液的發(fā)酵性能至關(guān)重[9] Gong C S, Cao N J, Du J, et al. production from renewable re-sources[J]. Adv Biochem Eng Biotech, 1999(65): 207-24[10] Whistler R L. Richard E 1, In Pigman W. Houston D( eds)The本研究表明:玉米芯半纖維素酸水解制備木糖carbohydrates[M]. New York: Academic.1970影響木糖產(chǎn)率的主要因素有液固比硫酸濃度、水解[11 Olsson I,Hahn-H, gerda B, Fermentation of lignocellulosic溫度和水解時(shí)間。為了確定適宜的玉米芯半纖維素hydrolysates for ethanol production[J]. Enzyme Microb Techn酸水解工藝,取20~30目的玉米芯顆粒與不同濃度ol,1996(18):312~331[123 Fan L T, Lee Y H, Gharpuray MM, The nature of lignocellu-的硫酸溶液混合,在不同溫度下水解反應(yīng)不同時(shí)間,losics and their pretreatments for enzymatic hydrolysis [J].設(shè)計(jì)L16(44)正交試驗(yàn)場(chǎng),以水解液中木糖濃度為Adv. Biochem. Eng, 1982(23): 158-187指標(biāo)考察玉米芯半纖維素酸水解工藝。表3結(jié)果表13 Grethlein H E, Converse A O. Common aspects of acid pre-明,以上4個(gè)因素對(duì)木糖產(chǎn)量的影響大小順序?yàn)?水hydrolysis and steam explosion for pretreating wood[J].Biore-sour Technol, 1991(36):77-82解時(shí)間>硫酸濃度>水解溫度>液固比。最優(yōu)水解C143 Torget R, Hsu T A, Two-temperature dilute acid prehydroly條件為溫度120℃、時(shí)間90min、硫酸濃度1%、固液sis of hardwood xylan using a percolation process[J]. Appl Bio-比1:5,在此條件下玉米芯半纖維素水解液中木糖chem Biotechnol, 1994(45/46):5-23.得率為0.30g/g。[15]楊曉峰.利用玉米芯半纖維素水解液發(fā)酵 Candida shehatae產(chǎn)在正交試驗(yàn)考察的酸水解4因素中,水解時(shí)間乙醇中國(guó)釀造,2010(6):90~91,中國(guó)煤化工CNMHG方數(shù)據(jù)綠色科技202年3月Journal of green Science and Tech第3期冷庫(kù)中低溫細(xì)菌的分離及鑒定鄒吳(麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程分院,浙江麗水323000)摘要:從來(lái)自冷庫(kù)中的樣品中共篩選分離出5株低溫細(xì)菌。對(duì)分離的低溫細(xì)菌進(jìn)行了分類鑒定,主要進(jìn)行了生理、生化特性分析,對(duì)其中的2株細(xì)菌作了16 SrNA測(cè)序并通過(guò) BLAST比對(duì)進(jìn)行了鑒定。生化鑒定結(jié)果表明:所有分離到的低溫細(xì)菌均為革蘭氏陰性菌。經(jīng)16 S rDNA鑒定的3株低溫細(xì)菌全部為假單孢菌屬的菌株。關(guān)鍵詞:冷適應(yīng)性細(xì)菌;分離;鑒定中圖分類號(hào):S567.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):16749944(2012)03-0283-031引言開(kāi),它們對(duì)自然界的基本循環(huán)有重要貢獻(xiàn),如碳、氮、嗜冷微生物,又稱嗜冷菌,是指一類最適生長(zhǎng)溫硫、磷等元素的循環(huán)。已知的嗜冷固氮根瘤菌,能夠度低于15℃,最高生長(zhǎng)溫度低于20℃和最低生長(zhǎng)溫產(chǎn)生某些降解大分子(如蛋白質(zhì)、碳水化合物)以及度在0℃以下的細(xì)菌、真菌和藻類的微生物(。低分子量的環(huán)境污染物的胞外酶。這些嗜冷微生物部分雖然能在0℃下生長(zhǎng),但最適生長(zhǎng)溫度為20不僅在有機(jī)碳的再循環(huán),而且在處理非天然的和人40℃的微生物,則只能稱耐冷微生物(2,易從不穩(wěn)定造的化合物中,都起了巨大的作用,是保持全球生態(tài)的低溫環(huán)境中分離得到,如冷水或土壤中。按照平衡必不可少的角色Morita的定義可將冷適應(yīng)微生物分成兩類,即嗜冷生物圈大部分(約80%以上)溫度在20℃以下微生物( psychro phil)和耐冷微生物( psychro-而低溫微生物是指最適生長(zhǎng)溫度小于20℃的微生grants,又稱適冷微生物一 psychrotrophs)。嗜冷微物,因此,分離鑒定能分解蛋白質(zhì)淀粉、纖維素等物生物是指最適生長(zhǎng)溫度為15℃,最高生長(zhǎng)溫度低于質(zhì)的低溫細(xì)菌,不僅可對(duì)微生物多樣性進(jìn)行研究,還20℃的微生物。而耐冷微生物通常指不能在0℃生將具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。長(zhǎng),但能在3~5℃生長(zhǎng),其最適和最大生長(zhǎng)溫度在本文利用經(jīng)典微生物學(xué)方法,對(duì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院肉制20℃以上的微生物。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),從廣義上講,也品保藏冷庫(kù)中的低溫微生物進(jìn)行純培養(yǎng)分離和研究常用冷適應(yīng)微生物(cold- adapted microorgan2材料和方法ism)這個(gè)詞表示這兩個(gè)類群嗜冷微生物能在土壤、海洋、河流以及植物和冷2.1材料血?jiǎng)游锏捏w內(nèi)等環(huán)境中找到。在自然環(huán)境中,沒(méi)有2.1.1菌株來(lái)源哪個(gè)基本的物質(zhì)循環(huán)能與嗜冷微生物的代謝活動(dòng)分樣品采集自職業(yè)技術(shù)學(xué)院肉制品保藏冷庫(kù)收稿日期:201202-24作者簡(jiǎn)介:鄒吳(1957—),男,浙江武義人,實(shí)驗(yàn)師,主要從事林業(yè)栽培技術(shù)教學(xué)與推廣工作Research on pretreatment of Lignocellulosic Materials for FueEthanol ProductionXu Chao, Guan Dongming, Chen Chaozheng, Zhu Hanqing, Wu Tao(School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Miningand Technology (Beijing), Beijing 100083, China)Abstract: Recently, It has great value to use lignocelluloses to produce fuel ethanol for easing the energy crisis. The pretreatment of lignocelluloses is a pivotal step in the etha中國(guó)煤化akes the method of dilute acid hydrolysis and designs an orthogonal experiment tothat use lignoCNMHGcelluloses to get xylose. The results show that when the temperatur dates i.u v, lie concentrationof sulfuric acid is 1. 16%, the ratio of solid and liquid is 1: 10, and lasting for 90 minutes, the utilization ratio of lignocelluloses is improved to be 0. 30g/gKey words: lignocelluloses; pretreatment; acid hydrolysis; ethanol fermentation