绿藻生物质发酵生产燃料乙醇的研究?

王辉等:绿藻生物质发酵生产燃料乙醇的研究文章编号:1001-9731(2015)12-12061-04绿藻生物质发酵生产燃料乙醇的研究王辉1,赵杉林,葛丽莹1,薛向欣2,陆光,王菲(1.辽宁石油化工大学化工化学与环境学部,沈阳113001;2.东北大学材料与冶金学院,沈阳110819)摘要:主要探讨了利用绿藻作为生物质原料进行高、适应性强、生长速度快周期短、其光合效率(6%乙醇发酵的可行性及其发酵效果,考察了不同种类绿8%)远高于陆地植物(1.8%~2.2%),可以固定温藻、硫酸浓度以及钠离子浓度对乙醇产量的影响。研室气体CO2,而且石莼属海藻还可吸收水中的氮、磷和究结果证明石莼葡萄糖含量丰富,作为发酵♂醇的原重金属污染物,具有一定的净水作用1。因此,利用料是十分有潜力的。预处理过程中最适硫酸浓度为海藻为原料来生产燃料乙醇具有很大的竞争优势和发2%,并利用氢氧化钙调节pH值为5.5时,其最大乙醇展前景。然而,目前海藻生物乙醇的问题主要集中于浓度可高达30g/L,且产乙醇速率可达0.63g/(L原料的预处理以及乙醇产量不高等,因此本文主要探h),乙醇产量为37g/kg。在酶解存在的条件下,加大讨了海藻预处理及其它因素对乙醇产量的影响,以确硫酸浓度水解对绿藻中葡萄糖的溶岀并没冇很大帮定岀合适的预处理方法和发酵条件提高海藻生物乙醇助,主要影响其它五碳糖的溶岀。钠离子对发酵产♂的产量。原料预处理主要有酸解法和酶解法Ⅵ。本醇过程的影响较大,钠离子浓度过高会抑制廴醇产量文主要考察了酶与酸联合对海藻单糖溶岀的影响以及以及产乙醇速率;而在氯离子存在的条件下,低钠离子不同盐离子对海藻燃料♂醇发酵的影响,以确定出合浓度便可对乙醇发酵产生严重抑制适的预处理方法和发酵条件提高海藻生物乙醇的产关键词:绿藻;酸解;生物乙醇;乙醇产量;抑制量中图分类号:Q815文献标识码:ADOI:10.3969/isn.1001-9731.2015.12.0122材料与方法引言2.1菌株与试剂安琪酵母购买自安琪生物公司(安琪耐高糖高活随着能源危机日益加重,环境污染日益严峻的时性干酵母,呈白色颗粒状);绿藻来自青島(本文硏究所代背景下,清洁、可再生能源得到人们的普遍关注口。用的绿藻分别属于石莼属和浒苔属);实验中所用试剂目前研究的生物质能源主要有燃料乙醇、丁醇和生物均购自国药集团化学试剂有限公司。柴油等2。燃料乙醇作为一种绿色能源具有非常广阔2.2绿藻水解糖液制备的应用前景,如美国、巴西等国已实现了车用燃料乙醇2.2.1不同种类绿藻水解糖液制备的应用,从而大幅降低了对石油能源的需求3。我国将石莼和浒苔分别粉碎后,称取一定量的绿藻粉吉林省是全国第一个使用车用乙醇汽油的省份,汽车末配制成350g/L的原料,依次加入液化酶(80IU/g尾气排放的有害物质降低了30%~60%。目前国和糖化酶(40IUg)分别酶解48和36h。液化酶处理内外生产燃料乙醇的原料主要是玉米、小麦等粮食类条件为60℃、pH值为6.0,糖化酶处理条件为60℃生物质,其原料成本占燃料乙醇生产成本的比例高达pH值为4.5。将酶解后的原料用4%的硫酸进行酸50%,利用该类生物质原料生产燃料乙醇将会加重社解,于120℃处理2h。3000g离心10min,收集上清会的粮食危机。采用廉价的非粮原料在一定程度上液。再用氢氧化钙调节水解糖液的pH值至5.5。解决利用粮食原料生产燃料乙醇可能带来的粮食问106℃灭菌30min后备用。做3个平行发酵,取平均题。因此,寻找最佳的非食用生物质原料代替粮食值作为最终结果作物生产燃料乙醇,已经成为世界共识。美国、欧洲、2.2.2不同硫酸浓度水解糖液制备加拿大等国的纤维素乙醇生产已具产业化规模,而我称取一定量的石莼粉末配制成350g/L的原料国在2006年刚完成了年产500吨的纤维素乙醇中试依次加人液化酶和糖化酶分别酶解,方法和处理条件项目。相比于第一代以玉米乙醇为代表的生物燃料同2.2中国煤化工士用2%,4%和8%的硫乙醇和第二代以纤维素乙醇为代表的燃料乙醇,第三酸进CNMHG3000g离心10min代海藻燃料乙醇具有其独特的优越性。海藻是一种收集上清液。再分别用氢氧化钙和氢氧化钠调节水解非常理想的生物质原料10,海藻中碳水化合物含量糖液的pH值至5.5。灭菌方法同上,后做3个平行发*收到初稿日期:2014-10-14收到修改稿日期:2015-03-30通讯作者:王辉,E-mail:hui-w(a163.com作者简介:王辉(1981—),女,沈阳人,讲师,博士,从事环境工程及光催化材料研究12062幼私材料2015年第12期(46)卷酵,取平均值作为最终结果。因而导致了产乙醇能力上的差别。由于酵母产乙醇主2.2.3不同浓度钠离子水解糖液制备要利用的是葡萄糖,而无法利用木糖和鼠李糖,显然在称取一定量的石莼粉末配制成350g/L的原料,采用酶解和硫酸水解的预处理条件下石莼比浒苔用于依次加人液化酶和糖化酶分别酶解,方法和处理条件产乙醇的原料更为合适。因此在后续的研究中采用了同2.2.1。将酶解后的原料分别用2%和8%的硫酸进石莼作为发酵原料,进一步探究酸解浓度对乙醇产量行酸解,于120℃处理2h。3000g离心10min,收集的影响,如图1所示上清液。再分别用氢氧化钙、氢氧化钠、以及氢氧化钙十氯化钠调节水解糖液的pH值至5.5。灭菌方法同浒苔上,后做3个平行发酵,取平均值作为最终结果2.3发酵1g干酵母接入100mL2%蔗糖溶液中,于38℃水浴30min,再移至30℃摇床振摇2h进行活化。酵母活化完成后按10%(/υ)的接种量接至绿藻水解糖液中置于30℃摇床进行发酵。发酵过程中定时取样过滤后滤液用于测定乙醇、还原糖、单糖含量。发酵时间,th2.4分析方法图1不同种类绿藻发酵的乙醇产量随时间的变化Fig 1 Ethanol production of different types of green采用气相色谱法(GC-2060,岛津)测定乙醇含量参数:FFAP毛细管柱(0.32mm×30m×0.3m3.2不同硫酸浓度酸解对乙醇产量的影响载气为氢气,检测器TCD,流速为90mL/min,进样器温度120℃,柱温140℃,检测器温度120℃,进样量3.2.1不同浓度酸解水解糖液的化学组成经酶解及不同浓度的硫酸处理的绿藻A水解液1pL;采用DNS法测定还原糖含量1;采用液相色谱成分及浓度见表2法( agilent1260)测定单糖含量,参数:色谱柱Bo表2经不同浓度硫酸水解的绿藻A水解液的成分及Rad hPX-87H300*7.8mm,流动相5mmol/L浓度H2SO4,检测器RID,流速0.5mL/min,柱温35℃,检测器温度35℃,进样量10μL。用离子测定仪(雷磁Table 2 Components and concentration of the hydrolyzed solution by different concentrations ofPXS-216F)测定钠离子浓度ulfuric acid3结果与讨论浓度/g·L类别成分2%硫酸水解4%硫酸水解8%硫酸水解3.1不同种类绿藻化学组成及对发酵产乙醇的影响单糖葡萄糖60.30绿藻经酶解和硫酸水解后,会产生部分未水解多木糖糖及还原性单糖等。经酶解及酸处理后石莼和浒苔的鼠李糖4,76组成成分以及水解液中的单糖浓度见表1123.88表1不同种类绿藻化学组成及水解液中单糖浓度由表2数据可见,水解液中的单糖大部分为葡萄Table 1 Sugar concentration of the hydrolyzed solu-糖,木糖和鼠李糖浓度较低。不同浓度硫酸水解处理tion and composition of different types of对糖类溶出的影响主要表现在木糖和鼠李糖上,而对green alga葡萄糖的溶岀无明显影响。木糖和鼠李糖的浓度随硫成分酸浓度的增大而增加。水解液中葡萄糖浓度达60g/L浒苔3.2.2不同浓度酸解对乙醇产量的影响化学构成碳水化合物50.6%45.8%由图2数据可见,无论是哪个酸解浓度,用氢氧化粗蛋白0.29%5.32%钠调节pH值比用氢氧化钙调节pH值的迟滞期要粗脂肪%17.3%18.7%长,产乙醇速率也更慢,这表明用氢氧化钙调节pH值22.67%比用氢氢化调节、值的解糖液具有更好的发酵中国煤亻化水解液葡萄糖54.60g/L.19.02g/L原因可能是由于在加25g/L8.61g/L热酸CNMHG单糖可能会继续降解鼠李糖2.89g/L21.80g/L成糠醛、甲酸和乙酰丙酸等发酵抑制物,而氢氧化钙对由表1数据可见,由于石莼和浒苔的化学组成存这些发酵抑制物有沉淀作用,随硫酸钙沉淀一同被滤在一定差异,且水解液中各单糖的含量差别较大,特别去;另有氢氧化钙脱毒机理的研究表明,氢氧化钙可以是微生物可以利用的六碳糖(葡萄糖)含量差异很大,除去某些对发酵有抑制的无机离子。而用氢氧化王辉等:绿藻生物质发酵生产燃料乙醇的研究2063钠调节pH值时并不产生沉淀,因而发酵抑制作用仍子浓度便会严重抑制产乙醇过程,因此推测是两种离存在。在用氢氧化钙调节pH值时,产乙醇速率并未子共同作用的结果。受酸解浓度的影响;而用氢氧化钠调节pH值时,产醇速率随酸解浓度的增大而降低,这一现象可能是由于随着酸解浓度的增大,氢氧化钠的用量也随之增加,进而导致发酵液中钠离子浓度的升高而部分或完全抑■2%钠调2%钙制乙醇发酵。酸解浓度为2%且用氢氧化钙调节pH2%钙+钠调8%钙训值时,所得乙醇产量最高,约为30g/L。除8%浓度酸Δ8%钙+钠调解外,其余组别葡萄糖最终利用率都可达100%发酵时间,t/h图3不同浓度盐离子乙醇产量随时间的变化Fig 3 Ethanol production ofdifferent concentrations of携氢氨化钠调节H▲8%氢氧化钙调节pH酵时间,th图2不同浓度酸解乙醇产量随时间的变化△8%氢氧化钙调+钠Fig 2 Ethanol production of different concentrationsof sulfuric acid3.3不同钠离子浓度对乙醇产量的影响发酵时间,t/h由图3可知,2%钠调、2%钙调的乙醇浓度达图4不同盐离子浓度随时间的变化0g/L,而8%钙调的乙醇浓度稍小,约为27g体来说,钙调的产乙醇速率要大于钠调的组别。2%钙Fig 4 Diffcentrations of salt ior3.4与文献结果的比较调十氯化钠的组别能产乙醇,但乙醇产量极少。而8%钠调和8%钙调十氯化钠的两组在整个发酵过程表3中列出了本文乙醇产量与相关文献乙醇产量中完全不产乙醇。这些现象说明在低酸解浓度时,使的对比结果。从表3中与其它文献的对比可看出石莼作为发酵基质的乙醇产量并不低于甚至优于以纤维素用氢氧化钠或氢氧化钙调节pH值对乙醇产量无明显或其它藻类为发酵基质的乙醇产量,说明利用石莼发影响,只影响产乙醇速率;而在高酸解浓度时,使用氢酵制备乙醇的竞争优势非常明显,其潜力是十分巨大氧化钠或氢氧化钙调节pH值对乙醇产量和产乙醇速的,值得进一步研究。率均有影响。这一结果与2.2中所得结果相对应。由图3结合图4可得出,若氯离子同时存在时,低的钠离表3与文献乙醇产量的比较Table 3 Comparison of ethanol production with literature微生物发酵基质处理方法还原糖浓度乙醇产量参考文献安琪酵带渣稀硫酸和纤维素酶31.1g/L10.2g/18]休哈塔假丝酵母稻草纸浆稀硫酸和纤维素酶-酸酶双解法[19]马尾藻提取液硫酸处理0.385%(v/v)[20面包酵母许苔酶解液过氧化氢处理2%0.132g/g[21]蒸煮27 mL/k22]安琪酵母石莼酸酶双解4结论最大乙醇浓度可高达30g/L,且产乙醇速率可达0.63g中国煤化工g/kg。其预处理条件利用绿藻作为生物质原料进行乙醇发酵的效果,为2%CNMHG调节pH值至5.5。在探究了不同种类绿藻、硫酸水解浓度以及钠离子浓度酶解存在的条件下,加大硫酸浓度进行水解对绿藻中对乙醇产量的影响。研究结果证明,与浒苔相比,在本葡萄糖的溶岀并没有很大帮助,因此用低酸浓度处理文所用的预处理条件下石莼水解产生的葡萄糖含量更即可。钠离子对发酵产乙醇过程的影响较大,钠离子丰富,其作为发酵燃料乙醇的原料是十分有潜力的,其浓度过高会抑制乙醇产量以及产乙醇速率;而在氯离2064幼私材料2015年第12期(46)卷子存在的条件下,低钠离子浓度便可对乙醇发酵产生the seaweeds exploited in the biomass energy production严重抑制,因而推断这两种离子都对乙醇发酵有抑制[J. Marine Economy, 2011, 1(4): 23-28作用。[10 Li Xuejing, Zhang Luyao, Qiao Ming, et al. Progress8. develol参考文献Energy,2009,14(4):23-26[1] Bai Yi. Global development status of biomass fuel[ J].Si[11 Ross A B, Jones J M, Kubacki M L, et al.Classificationof microalgae as fuel and its thermochemical behaviorno-Global Energy, 2008. 13(5): 23-30[2 Liu Zhiyuan. The new features of the development of theLJ. Bioresource Technology, 2008,99: 6494-6504[12 Lix Xiuchen, Gu Xiaohua, Zhang Guochen, et al. Enviorld biofuel industry and the common problems[J]. Agronment-enhancing and bio-energy producing potential ofricultural Engineering Technology, 2009, 11: 8-12.ulvaspLJ]. Fisheries Science, 2011. 30(12): 789-793[3] Zhao Gang, Lin Yuanyuan, Cheng Jianrun. Development[13 Tao Guoxin, Wang Jianming. Second and third-generaof biomass energy induIn brazJJ. Chuang Xin Ketion biofuel development at a glance and enlightenment[4] Ma Yuguo. Fuel Ethanol: Sunrise Industry [J].Chinese[J. 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The maximum ethanol concentration was up to 30 g/L and ethanol production rate reached 0. 63 g/(L. h)and ethanol yield was 37 g/kg, which were obtained when green alga was hydrolyzed with 2% sulfuricacid and ph was adjusted to 5.5 with calcium hydroxide. In presence of enzyme, higher acid concentration practically had no help on dissolution of glucose, but had certain impact on dissolution of pentose. The concentrationof sodium ion had significant effect on ethanol fermentation. a high concentration of sodium ion could inhibitnol production and ethanol production rate; low concentration of sodium ion could seriously inhibit ethanoloduction with the presence of chlorionKey words: green alga; acid hydrolysis bioethanol yield inhibition中国煤化工CNMHG