纤维素酶预处理玉米秸杆转化燃料乙醇的效果研究

VoL 39 No. 1化工新型材料第39卷第1期NEW CHEMICAL MATERIALS2011年1月纤维素酶预处理玉米秸杄转化燃料乙醇的效果研究余先纯12李湘苏3龚铮午2(1.岳阳职业技术学院基础部,岳阳414000;2.中南林业科技大学材料科学与工程学院,长沙41004;3.南华大学教务科衡阳421002)摘要以玉米秸杆为原料,采用纤维素酶进行预处理,然后发酵制备燃料乙醇。探讨了预处理温度、时间、酶解液用量及原料粒度对乙醇得率的影响。采用响应面法建立二次回归模型,并对预处理工艺进行了优化。研究结果表明:预处理能有效的促进玉米秸杆的降解,提高乙醇的得率。在当预处理温度为55.7℃、预处理时间为10.47h、酶解液用量为30.5U/g、原料粒度为80目时,乙醇的得奉比相同条件下未进行纤维素酶预处理的试样提高了32.17%。关键词燃料乙醇,纤维素酶预处理,响应面分析Effects of cellulase pretreatment for corn stalk to prepare fuel ethanolYu Xianchun,2 Li Xiangsu Gong Zhengw(1. Basis Department, Yueyang Vocational Technical College, Yueyang, 4140002. College of Material and Engineering, Central South University of Forestry andTechnology, Changsha 410004;3. Academic Administration, University of South China, Hengyang 421002)Abstract Fuel ethanol was made from corn stalk with cellulase pretreatment and fermentation. The effects of pre-treatment temperature time, particle size of corn stalk and dosage of cellulase on the ethanol yield were discussed. Thepretreatment process was optimized and analyzed with response surface methodology, and quadratic regression model wasfounded. The results showed that cellulase pretreatment could promote com stalk degradation and increased fuel ethanolld. The ethanol yield increased 32. 21% compared with the sample which had not pretreated, as pretreatment temperature was 55. 7C, pretreatment time was10 47h, the dosage of cellulase was 30. 5U/ g and the material particle size was 80grit.Key words fuel ethanol, cellulase pretreatment, RSM传统的生物质制备乙醇的工艺主要包括预处理、水解、发1实验部分酵3个步骤。玉米秸秆主要成分为纤维素、半纤维素和木1.1原料与设备质素,预处理的目的是降低纤维素的聚合度、结晶度,破坏木秸杆(河南郑州农村);主要试剂均为分析纯;生物酶主要质素、半纤维素的结合层脱去木质素等不利于发酵的成分,有:糖化酶(江苏宏达酶制剂厂生产);纤维素酶(肇东国科北增加有效比表面积2,提高乙醇的得率。开发以玉米秸杆为方酶制剂有限公司生产);酵母(广东省湛江新天马生物工程代表的各类生物质原料替代粮食制备燃料乙醇是未来解决燃有限公司生产)。料乙醇原料成本高的有效途径。1.2试验方法目前,生物质材料的预处理主要是用化学法,虽然能够达1.2.1玉米秸秆的预处理到较好的效果,但仍存在一定的局限性,如操作危险、污染大将干燥的玉米秸杆粉碎过目筛,加入一定量的纤维素酶能耗高、对设备的耐腐蚀要求高等,近年来生物降解技术和蒸馏水在一定温度下进行处理一定时间后调整pH值后即因符合“绿色、环保”的要求而发展迅速,但目前还未见有关为处理的实验样品纤维素酶预处理农作物秸秆制备燃料乙醇的报道。本研究采1.2.2用纤维素酶预处理玉米秸秆,以提高乙醇的得率,为今后生物中国煤化工温,加入30U/g的纤质材料制备燃料乙醇提供一个安全、环保的方法。维素酰CNMHG等,再用质量分数为基金项目:湖南省教育厅科技项目(08D124)作者简介:余先纯(1969-),副教授研究方向:生物质材料与高分子材料联系人;龚铮午,教授,研究生导师余先纯等:纤维素酶预处理玉米秸杆转化燃料乙醇的效果研究·111·26%的硫酸将pH值调至5.0。将装有试样的三角瓶置于恒温36℃摇床上进行发酵90h。将未经过纤维素酶预处理的玉米秸杆粉在同样的条件下进行对比试验乙醇的得率按照如下公式计算:乙醇得率二原料究壁线料到艺后醇理论值×100%(12840所2结果与讨论2.1单因素试验62在探索性实验的基础上考察纤维素酶预处理时间、预理温度、原料粒度、纤维素酶的用量对乙醇得率的影响。酶液用录g)2.1.1预处理温度对乙醇得率的影响图2酶液用量对乙醇得率的影响升高温度能够提高反应体系的活化能但太高的温度又会使酶液失活。取玉米秸杆粉6g,加入蒸馏水和酶液使总酶3:当粒度超过80目后乙醇的得率变化较小,考虑到粉碎成量到达28U/g玉米秸杆粉在恒温水浴振荡器中、不同温度下本,主张采用80目的比较合适反应8h,结果见图1。由图1可知,当温度为45~55℃时随着温度升高酶解液中的乙醇得率逐渐增加,并在55℃时得率达到84.3%;当温度高于55℃时,得率有降低的趋势,这可能是由于高温使部分酶失活导致预处理过程中降解的纤维素量减少所致4。原料度/日图3原料粒度对乙醇得率的影响2.1.4预处理时间对乙醇得率的影响将原料粒度为80目的玉米秸秆,在温度为55℃、酶液用预处理温度/℃量为28U/g、的条件下,预处理不同时间后的试样发酵制备乙图1预处理温度对乙醇得率的影响醇,预处理时间对乙醇得率的影响如图4所示:在反应的初始阶段,乙醇得率随预处理时间的增加而迅速增加。当预处理2.1.2酶液用量对乙醇得率的影响时间为8h时,乙醇的得率达到8138%;随着预处理时间的增酶液的用量直接关系到纤维素的降解速度、乙醇的得率加,乙醇的得率降低,10h时降低到80.11%。这是因为随着以及生产成本等问题。在玉米秸杆中加入一定量的蒸馏水和酶化时间的增加,预处理反应体系中的部分已降解的纤维素不同量的酶液,置于温度55℃恒温水浴振荡器中反应8h,结发生了自缩聚反应而减少了预处理过程中纤维素的降解果见图2.由图2可知,当酶液用量低于28Ug玉米秸杆粉量叮。因此,在本实验条件下预处理时间选用8h时,随着酶液用量的增加,乙醇得率明显增加,但超过此值时乙醇的得率增加缓慢。这是因为增加酶液用量实际上是增加了酶液与秸秆粉的接触面积,当酶液与秸秆的接触面积达到峰值后,多余的酶液无法参与反应,因此乙醇的得率增加缓慢。2.1.3原料粒度对乙醇得率的影响原料粒度对乙醇得率的影响主要是由于机械粉碎可以破坏木质素、半纤维素与纤维素的结合层降低三者的结晶度中国煤化工改变纤维素的结晶构造,有利于糖苷键断裂5,从而增加预处THsCNMHG理体系中纤维素的降解量,同时,粒度变小会使得与酶液的接触面增大,从而增加乙醇的得率预处理时间h分别取粒度为40、60、80、100和120目经过预处理的玉图4预处理时间对乙醇得率的影响米秸杆粉在其它条件相同的情况下进行对比试验,结果见图·112化工新型材料第39卷2.2响应面分析2.2.1响应面法试验设计为了使水解工艺更加科学在单因素试验的基础上,根据Box-Behnken设计原则选择预处理温度时间和酶液用量等3个对玉米芯液化影响较大的因素以乙醇的得率为响应值,设计3因素3水平试验来进行响应面分析,如表1所示表1响应面试验设计中的水平和编码变量编码编码水平预处理温度酶液用量U/g102预处理时间/h2.2.2多元回归模型分析与验证图5预处理时间、温度和酶液用量对乙醇得率根据试验结果运用 Design-Expert7.1.6软件进行二次影响的三维响应面图多元回归分析,得到二次多元回归方程:Y=37.1880.773.69A+3.38B+1.03C+1.45AB+0.97AC-0.77BC-9在本实验条件下,通过对回归方程求解得最优工艺条件:31A2-6.30B2-3.11C预处理温度为55.7℃、预处理时间为10.47h、酶液用量为同时得到如表2所示的模型与方差,其中模型的P值30.5U/g,反应体系中乙醇的得率为8.67%,在此工艺条件0.000.05,表现为显著,而失拟项表现为不显著,R为下,进行验证性试验,三次实验乙醇的平均得率为79.53%,与0.9553接近1这表明模型与实际情况基本吻合。且A2、B理论计算值非常接近和C2的系数均为负值,表明有最优值3结论表2模型与方差用玉米秸秆制备燃料乙醇纤维素酶的预处理有利于提来源平方和自由度均方F值Prob>F显著性高乙醇的得率。预处理温度、时间和酶液的用量等三因素对模型673.7974.8611.870.0070显著乙醇的得率影响较大,通过工艺优化后,在预处理温度为残差31.5356.3155.7℃、预处理时间为10.47h酶液用量为30.5U/g的条件失拟项30.31310.1016.550.0575不显著下,燃料乙醇的得率比未经过预处理的试样提高了32.17%R2:0.9553参考文献模型的响应面三维图见图5温度、时间和酶液用量等三1]李阳,孙岩峰,张玉苍玉米秸杆制乙醇预处理新工艺—“液因素的交互作用对反应体系中乙醇含量的影响非常明显:随化技术”[J食品科技,2009,34(9)123-127着预处理温度和时间的增加,乙醇的得率随之增加,但在55℃[2]朱振兴聂俊华,颜涌捷木质纤维素生物质制取燃料乙醇的化附近出现下降;而随着预处理时间的延迟和酶液用量的增学预处理技术[].化学与生物T程,2009,9(26):114[3] Rabinovich M L, Melnik M S. Bolobova A V. Microbial cellu-乙醇的得率不断提高,在酶液用量为28U/g左右时达到峰lases( Review)[J]. Applied Biochemistry and microbiology值,继续增加酶液的量,乙醇得率增加的趋勢减缓。同时,图52002,38(4):355-373.中也显示,当酶液用量一定时,过高的温度又会导致乙醇得率[4]余兴莲,王丽,徐伟民纤维素酶降解纤维素机理的研究进展降低。这可以解释为:在较低温度下,反应体系的活性较低].宁波大学学报,2007,1(20):7982.升高温度和延长反应时间可以提高反应体系的活化能并可[5]周建罗学刚苏林纤维素酶法水解的研究现状及展望[门化抑制一些副反应的发生,但较高的温度和较长的时间会使反工科技,2006,14(2):5156应体系中的副反应加速同时酶液在较高的温度下又会失去6]靳振江纤维素酶降解纤维素的研究进展U广西农业科学活性,同样降低酶解效果。此外,增加酶液用量实际上是增加2007,38(2):127-129.了酶液与玉米秸秆的接触面积,从而能提高了乙醇的得率收稿日期:20100402但当酶液与秸秆的接触面积达到一定量后,多余的酶液无法修稿日期:20101011参与反应,因此乙醇的得率增加缓慢》≯》】》》》》》》》卫卫》》》》》当3唐》》中国煤化工(上接第93页)[13CNMHG基甲酰胺水溶液的比较[12] Aminabhavi T M, Naik H G. Synthesis of graft copolymericmembranes of poly(vinylalcohol) and polyacrylamide for the收稿日期:20101201pervaporation separation of water/acetic acid mixtures [J]. J修稿日期:2010-12-15Appli Poly Sci, 2002, 83: 244-258.