木糖与葡萄糖共发酵产燃料乙醇条件的优化研究

酿酒科技2008年第2期(总第164期) LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2008No.2(ol.l64)木糖与葡萄糖共发酵产燃料乙醇条件的优化硏究赵党阳,郭夏丽,王岩郑州大学化工学院,河南郑州45001)摘要:对酵母菌M-3进行了葡萄糖和木糖共发酵产乙醇条件的优化研究。结果表明,发酵的最优惫件为:pH温度34℃,转速70τmin,初始糖浓度60g,葡萄糖与木糖的质量比为21l。在该条件下,发酵所得燃料乙醇浓度为23.0gL,糖醇转化率为383%关键词:木糖;葡萄糖;燃料乙醇;发酵中图分类号:TS2622;TS2614;TS261;TQ920文献标识码:A文章编号:1001-9286(2008)02-0049-03Study on the Optimization of Fuel Ethanol Production Conditions byCo-fermentation of Xylose and glucose by Yeast M-3ZHAO Dang-yang, GUO Xia-li and WANG Yan(School of Chemical Engineering of Zhengzhou University, Zhengzhou, He'nan 450001, China)Abstract: The co-fermentation conditions of xylose and glucose by yeast M-3 to produce fuel ethanol were studied. The results showed that theoptimum conditions were as follows: initial pH value was 6.5 and the temperature was at 34 C, rotating speed was at 70 r/min, initial sugarconcentration was 60 g/L, and mass ratio of glucose and xylose was 2 1. Under the above conditions, the produced fuel ethanol concentrationas 23.0 g/L and the conversion rate of sugar to ethanol was 38.3%Key words xylose; glucose; fuel ethanol; co-fermentation随着全球能源危机的加剧,人们越来越重视燃料乙111试验菌种醇的生产。传统的以淀粉质为原料的乙醇生产成本太酵母菌M-3,由郑州大学环境与生态研究所筛选。高,而利用玉米秸秆等农作物废弃物生产燃料乙醇不112混合发酵培养基仅成本低,同时能缓解废弃物对环境的污染,又能减轻混合糖(葡萄糖和木糖,按实验要求称量),酵母膏燃料生产对粮食的依赖。因此,以木质纤维素原料生产2gL,磷酸二氢钾1gL,硫酸镁0.5gL,蛋白胨10gL,燃料乙醇的技术成为当前的研究焦点。木质纤维原料的121℃下灭菌30min,备用。水解液中主要含有葡萄糖和木糖2种成分。同时发酵1.2试验方法这2种糖生产燃料乙醇,能够充分利用原料,降低生产250mL的摇瓶中装入50mL的混合发酵培养基,成本。20世纪80年代开始世界范围内掀起了木糖与接入M-3发酵菌。考察在不同pH、不同发酵温度、不同葡萄糖共同发酵的研究热潮,并取得了一定的成果。摇床转速、不同初始糖浓度、葡萄糖与木糖的不同比例Ingram利用基因技术构建菌种 E coli Kol1,该菌几乎等因素对乙醇发酵的影响。通过单因素影响实验和正交可以发酵木质纤维原料水解液中所有的糖分,乙醇生产实验,确定优化的发酵条件。能力比较高。山东大学也研究了粗糙脉孢菌对木糖和13测定方法葡萄糖的共同发酵,并取得了一定的成果国。乙醇测定用氧化还原反应比色法冈。本实验利用实验室自行筛选的M-3酵母菌对木糖酵母菌生长测定:利用分光光度计,以灭菌的培养和葡萄糖的共同发酵进行了研究,以期对纤维素燃料乙基为空白,比色皿厚度为05cm,波长600mm,测定培醇的工业化生产提供一些技术参考。养液的OD值。用该值表示酵母菌的生长量。1材料与方法木糖含量测定:1mL糖化液加4mL地衣酚试剂保中国煤化工值,结合木糖标准曲线1.1材料CNMHG收稿日期:2007-11-1作者简介:赵党阳(1983-),男河南镇平县人硕士研究生,主要从事生物质能方面的研究工作。,501酿酒科技208年第2期(总第14期, LIQUOR-MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2000a164总糖和葡萄糖含量测定:总糖含量测定用DNS法,因素之一。在250mL的摇瓶中装入50mL的发酵液总糖含量减去木糖含量即得葡萄糖含量葡萄糖与木糖质量比为2:1,pH5,温度34℃,考察不同2结果与分析摇床转速对发酵的影响,结果见图2。1温度对发酵的影响温度是影响微生物代谢的重要因素之一。在适宜的温度范围内,温度升高微生物代谢速率相应提高;过高2N或过低的温度均会降低代谢速率。因此,在不同的温度一乙醇浓度(g/L)下对酵母菌M-3进行了发酵试验。试验结果见表1。菌体生长量(OD6)0.5表1温度对发酵的影响温度葡萄糖木糖乙醇醇菌体转速(r/min)(g/l)(g/L)(g/)(%)(ODe) pH图2摇床转速对发酵的影响284.125.196.410.70.643.90303.974.8810.317.21.274.02从图2可以看出,摇床转速对乙醇发酵影响较大,323.8542615425.71.404.05转速为70rmin时,乙醇浓度达到最大。高于或者低于343.623.901983301.924.1470r/min,乙醇浓度均减小;摇床转速对菌体量也有明显353.744.1218.130.21.393.91影响,随着转速的加大菌体量逐渐增加。在低转速条件从表1可看出,随着温度的升高,乙醇浓度逐渐增下(<70rmin),发酵液中溶解氧少,酵母菌M-3生长加。在34℃时乙醇产量最大,为198gL,此时的糖醇转量低,从而影响了酵母菌的发酵能力;在高转速条件下化率为330%当温度超过34℃时,乙醇浓度就开始降>70rmi),发酵液中的溶解氧较充足,菌体的有氧呼低。同时菌体生长量也表现出类似的变化规律,表明吸作用增强,菌体繁殖速率增加而乙醇产量降低。研究定量的酵母菌数是乙醇发酵的必要条件。随着乙醇浓度表明酵母菌木糖发酵需要微好氧条件,而葡萄糖发酵的增加,相应的有机酸副产物的量减少,因此,发酵液的需在厌氧条件下进行。在转速为70rmin时,乙醇浓度终止pH也有所上升最高,表明此时有利于木糖发酵。在实际生产中,由于葡22初始pH对发酵的影响萄糖和木糖共存于木质纤维素的水解糖液中,可以在发微生物的代谢与pH有密切的关系,为此试验了初酵初期,加大通气量使酵母菌迅速繁殖以扩增酵母菌细始pH对发酵的影响,以考察不同初始pH对发酵的影胞,随后减小通气量,维持微好氧状态,使酵母菌充分发响。结果见图1所示。酵木糖和葡萄糖高效产生乙醇。24混合液中葡萄糖与木糖质量之比对发酵的影响鼬N混合液初糖浓度为60gL,选取葡萄糖与木糖质量之比为1:1、2:1、3:1,研究2种单糖质量比对发酵的影响,结果见表2。表2葡萄糖和木糖比例对发酵的影响乙醇浓度(g/L)葡萄糖葡萄糖木糖乙醇糖醇菌体菌体生长量(00)0.5与木糖浓度浓度浓度转化率生长量比例(gL)(gU)(g)(%)(oDa)9.92:13.623.9023.038.31.41图1初始pH对发酵的影响16.4图1表明,pH为5时,乙醇浓度最高为20.2gL,且从表2可以看出,葡萄糖与木糖之比为11时,乙醇有最高的菌体生长量葡萄糖浓度为07gL,木糖浓度浓度和糖醇转化率最低;两者之比为21时,乙醇浓度和为115gL,表明初始pH为5时,既有利于菌体生长,糖醇转化率最高。随着葡萄糖与木糖比例增大,菌体量又有利于乙醇发酵逐渐增中国煤化工∈繁殖优先选择的良23摇床转速对发酵的影响好碳源CNMHG加,菌体量增加。当在培养容器体积与装液量相同的情况下摇床转速质量比M1时,葡面栅匀不糖浓度均为30gL时,与溶解氧有密切关系,而溶解氧是影响木糖发酵的重要木糖浓度相对于酵母菌菌体量过剩从而产生木糖发酵赵党阳郭夏丽,王岩·木糖与葡萄糖共发酵产燃料乙醇条件的优化研究乙醇的基质抑制作用,导致乙醇产量很低。当质量比为从表4可以看出,第7号试验得到的乙醇浓度最3:1时,由于葡萄糖浓度较高,菌体量加大,但木糖量相高,为199gL,可以确定组合ABC3为最佳组合。应减少,致使乙醇产量也不高。而质量比为2:1时,糖醇从各因子极差分析RB>RC>RA,表明,在发酵条件转化率最高,表明此时的木糖量和菌体量均有助于乙醇中,对乙醇浓度影响最大的因素是发酵温度,其次是转的产生速,而pH对乙醇浓度的影响最小。2.5初始糖浓度对发酵的影响从因素均值来看,A1>A2>A3,B1>B3>B2,C3>发酵液中糖的浓度对微生物的生长和发酵起着直C>C2,根据此结果可以确定,最佳发酵条件组合为接的作用,而且直接影响了单位发酵设备的产量和生产ABC3,这与第7号试验的条件只有pH不一致。分析各成本。研究初始浓度对发酵的影响至关重要。因素的均值,发现温度的均值1和均值3以及转速的均葡萄糖与木糖质量比为2:1,研究不同初始糖浓度值1和均值3均差别不大,加之,pH对乙醇浓度的影响对发酵的影响。初始糖浓度越大,菌体生长量越大,在最小,由此分析推测,ABC1有可能也是最佳组合。由上100gL糖浓度下菌体生长量最大,表明酵母菌M-3能述单因素实验得知,其他条件不变,在pH5、温度34℃、够耐受高糖浓度。糖醇转化率在60gL时达到最大,表转速70rmin的条件下,发酵所得燃料乙醇浓度可高达明高糖浓度不利于乙醇发酵。230gL。从而证明了ABC1也是最佳组合。由此初表3始糖浓度对发醇的影购ABC3和ABC1均为最优组合,从降低能耗的角度出发,选择ABC1为最佳组合。糖浓度浓度浓度浓度转化率生长量(g/L)(g/L)(g/L)(g/L)(%)(0D∞)3结论3.1531.61.1212213.533.81.3631通过对M-3共发酵葡萄糖和木糖混合液产乙醇试36239021.5358141验研究,得出共发酵葡萄糖和木糖生产乙醇的最优条件4825.12732.119263231831.8为pH5、温度34℃、转速70rmin,初始糖浓度60gL葡萄糖与木糖的比为21。2.6发酵条件的正交实验设计3.2酵母菌利用葡萄糖的能力大于木糖,并且是优先过单因素试验初步确定了温度pH、摇床转速的利用葡萄糖。通过正交试验分析各个因素发现温度对最适值。为了考察这3个因素在组合条件下如何影响发发酵过程最关键其次是转速影响最小的是pH酵,对3因素进行了正交试验,结果见表4参考文献:表4发酵条件的正交试验[1] Delgenes J P, Scare M C. 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