大型海藻发酵制取乙醇研究浅析 大型海藻发酵制取乙醇研究浅析

大型海藻发酵制取乙醇研究浅析

  • 期刊名字:水产学杂志
  • 文件大小:457kb
  • 论文作者:于敏,关春江,那杰
  • 作者单位:辽宁师范大学生命科学学院,国家海洋环境监测中心
  • 更新时间:2020-06-12
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论文简介

第27卷第1期水产学杂志Vol. 27. No.12014年2月CHINESE JOURNAL OF FISHERIESFeb.2014文章编号:1005-3832(2014)01-0055-05大型海藻发酵制取乙醇研究浅析于敏’,关春江2,那杰(1辽宁师范大学生命科学学院,辽宁大连116081;2国家海洋环境监测中心,辽宁大连116023)摘要:大型海藻生长速度快、繁殖周期短,不与粮争地,对其他农产品的产量和价格没有影响,已成为新的生物质能源而广为研究。与传统的生物质能量原料相比,利用大型海藻生物质能可以节约能源消耗,减少氧化碳的排放。世界各国利用大型海藻发酵制取沼气、乙醇等生物燃料的硏究取得了较好的成果,为大型海藻生物质能的利用提供了理论依据和实践基础。利用鼠尾藻发酵制取乙醇,目前最高产率可达干重的3%目前,将组成复杂的生物质高效地降解以及发酵参数的控制,是大型海藻发酵生产生物乙醇过程中的关键技术。我国大型海藻的栽培和养殖技术在某些方面处于国际领先水平,是发展大型海藻生物质能的优势。关键词:大型海藻;乙醇;生物质能源中图分类号:S986.2文献标志码:AA Review of Current Research on Production of Ethanol by Sea Weed Fermentationa Jie(1. College ofL ife Science, L iaon ing N orm alU niversity, D alian 116081, China;2. N ational arine E nv ironm en talL onitoring Center, D alian 116023, China)Abstract: A sea w eed as new sources of biom ass energy is characterized by good grow th, short breed ing period no com petitionw ith and for hum an food, and no effecton outputand prices of agricu ltural products. The sea w eed biom ass research has becom e anew direction of biom ass energy research. C om pared w ith the traditional b iom ass energy raw m aterials, the sea w eeds have m anyinclud ing bw energy consum ption, and reduction in carbon diox ide em issions. a good progress on production ofethanol by sea w eed ferm en tation had been m ade in coun tries all over the w orld, w hich prov ides a theory basis and practice bfor the utilization of sea w eed biom ass the ethano l has by far been produced by ferm en tation of sea w eed Sargassum thunberg iiw ith the m ax in al productive rate of 3% in dry w eight a present, the key techno lgy in the process of the production ofethanol isof degradation of com p lex biom ass effic iently and control param eters in the ferm en tation process of the sea w eed. The advan tagesof the sea w eed biom ass energy developm ent in China are derived from the in temational lead ing level of sea w eed cultivation andbreed ing to som e ex tent.Key words: sea w eed; ethano l; biom ass energy中国海洋资源极其丰富,拥有海带(Lαmiαria得深入探索。大型海藻生物质能主要是利用大型海jφ onica Aresch)、亨氏马尾藻(Sσ sargassum藻发酵产生乙醇、甲烷等气体燃料,是一种碳中性hens lowianum. A gard)、鼠尾藻( Sargassum thun-的清洁能源。利用大型海藻进行固碳是一种重要的bergii)、孔石莼(Uπ a pertusa)、刺松藻( Codium frag-海洋生物碳汇途径。乙醇燃烧彻底、CO2排放较低ile)、小石花菜( ivaricate gelidium thallus)、龙须菜燃烧性能较好,被誉为21世纪的“绿色能源”。世界( Gracilaria lemaneiformis)和蜈蚣藻( Grateloupia fil-各国也都加快了生物燃料的研发与推广应用的步icing)等大型海藻资源。我国的生物质能开发政策伐。从理论上推测,利用我国1%的海域培养大型海为¨不与人争粮,不与粮争地”。所以利用大型海藻藻就可以产生1.3亿t乙醇,可以代替现有20%的进行生物质能是一个符合我国国情的发展方向,值石油需求,减少5.5%的二氧化碳排放1。中国煤化工收稿日期:2013-7-10基金项目:国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室开放基金课题( GCMAC1107)CNMHG作者简介:于敏(1989-),女,硕土研究生水产学杂志第27卷表2大型海藻作为生物质能源的环境和社会优势1大型海藻与传统生物质能量原料Ta.2 Environmental and social advantages of sea weed的比较productionfor biofuels优势玉米、谷物等可食用的农作物是生物乙醇和生温室气体大型海藻的培养在海洋中完成,不使用土地物柴油来源的第一代生物质原料,但是,会引起粮不增加温室气体排放食价格上涨,产品的成本高,还与食用粮食竞争土生物多样性对底生物多性的影个围明的,但是地。第二代生物质能的原料为不可食用的农作物或杂化,生物多样性有所提高农副产物,如青草、玉米秸秆等。大型海藻作为新食物价格大型海藻作为生物质能原料的价格低于其作代生物质能原料在生物燃料的可持续生产上具有为食物的价格,生物质能的利用不影响其作为食物供应的价格很好的前景。我国的海岸线长,分布着大量暖温淡水资源大型海藻生长繁殖阶段不需要淡水,制取生物带、亚热带、热带以及少数冷温带及极少数北极的燃料时需要适度的淡水大型海藻,资源十分丰富。大型海藻不仅单产高,而且不与农业争地和争水,不影响生物多样性和农2大型海藻生物质能的相关研究作物价格。利用大型海藻进行生物质能利用,可以2.1大型海藻发酵生产沼气节约能源的消耗、减少二氧化碳的排放;海带、马尾不同藻类发酵产甲烷的潜力不同,其中巨藻含藻等大型海藻生产力高,可大量吸收CNP等生源有丰富的甲烷成分但其自然资源量有限而人工养要素,在海洋生态系统的碳循环和减缓富营养化方殖依然是一个难题,如何持续不断地提供原材料是面具有重要的作用;发酵后的海藻还可以作为饲巨藻生物质能源开发中亟待解决的问题。海藻发酵料。日本濑户水产研究所的一项试验报告表明,将产甲烷是多种微生物联合作用的结果。 Nielsen和海藻发酵后作饲料添加剂可以提高鱼类和贝类对 Heike对江离( gracilaria lemaneiformis)、石莼线病毒的抵抗力这将为海藻碳汇的利用,开辟一条形硬毛藻( Chaetomorpha linum)和海带进行了厌氧新的市场道路。大型海藻与玉米、甘蔗等传统的生发酵产生沼气的实验,发现这几种海藻中,海带最物质能原料相比,具有生长快低CO排放和繁殖适合进行厌氧发酵,如果对原料进行浸渍预处理周期短等优点。 Naihao ye等8比较发现,石莼的热能大幅提高沼气的产量,如江蓠的沼气产率提高解温度低于玉米。表1为几种海藻与农业废弃物的11%,石莼提高68%,线形硬毛藻提高17%。热解温度与活化能的比较。利用大型海藻生产乙醇22大型海藻发酵生产乙醇比利用陆生植物为原料生产乙醇在环境和社会方生物质进行微生物发酵可以得到液体燃面也有很大的优势(表2)9料——乙醇。巴西和美国从包含淀粉和蔗糖的生物质中生产乙醇已经达到了顶尖的科技水平。巴表1海藻与农业废弃物的降解温度与活化能的比较西的生物乙醇产品主要以甘蔗为原料,而美国和Tab. I The comparison of degradation temperature and些欧洲国家则主要以玉米、谷物为原料。以大型海activation energy between sea weeds and agricultural by-products藻为生物质来源的生物乙醇,不需要土地作为基础,可持续生产生物燃料。 Khambhat等将做成生名称降解温度(C)活化能(KJm)参考文献物肥料后的长心卡帕藻( Kappaphycus alvarezii)残玉米秸秆200~408153.0渣进行糖化发酵,然后再用酿酒酵母发酵,乙醇的稻壳25~35079.9棉花秸秆480~63040.84l产率为还原糖的80%。这种海藻生产乙醇和生物肥向日葵秸秆300~600[12料可替代以土地为基础的生物乙醇。马尾藻的甘露海带192~372[13石莼1823~316148.78醇含量可达10%~20%,具有很大的应用前景海蒿子172~41420293Wargacki等利用微生物酶解法,通过整合过程直174~551接从褐藻中得中国煤化工立生0.281g海藻酸钠204~285188.113乙醇,从理论CNMH菜中糖的利用率达80%。2012年丹麦诺维信公司与卬度SEA61期于敏等:大型海藻发酵制取乙醇硏究浅析ENERGY公司达成研发协议,共同开发基于海藻生发酵生产生物乙醇中的主要关键技术。大型海藻中产生物燃料的技术。该项研究将用酶的生物催化技含有丰富的多糖,红藻的细胞壁中含有的主要多糖术,使基于海藻的碳水化合物转化成糖,经发酵生有琼胶(半乳聚糖)、卡拉胶(乳糖胶)、木聚糖及单产乙醇,用于制取燃料、精细化学品、食用蛋白质和糖甘露糖等。褐藻中含有褐藻糖胶、褐藻淀粉、褐藻肥料等。日本东京水产振兴会计划利用养殖的马纤维素。甘露醇是褐藻的共有成分,经发酵可以转尾藻属藻类,年生产乙醇400万t为乙醇。甘露醇在褐藻中的含量比较高,如马尾内田基晴在博士论文中采用多菌种混合发酵藻中甘露醇的含量可达10%~20%,具有很好的应并添加纤维素酶的方法对22种大型海藻进行了发用前景。所以,将大型海藻中的多糖进行有效地降酵实验,7d发酵结果如表3所示解,是提高乙醇产率的重要技术方向。目前提高多现阶段利用鼠尾藻发酵生产乙醇,乙醇产率最糖水解效率的方法有酶解、酸解、碱解、髙压处理高可达鼠尾藻干重的3%。鼠尾藻在我国沿海均有等。吴信等α系统硏究了海带渣中多糖的水解,发分布,藻体含气囊,适于远海养殖。鼠尾藻不仅可以现单独使用超高压技术和碱处理并不能使海带渣作为生物质能源的原料,而且可以固碳,减缓温室多糖降解,而超髙压酸解一酶解联合水解为最佳水效应,每公顷养殖的鼠尾藻毎年可吸收碳元素解方案,在最优工艺条件下海带渣多糖的水解率可1245kg,吸收氮元素126kg,换算为吸收CO24556kg,高达85.16%。因此采用多种方式联合水解是提高多吸收NO3558kg。由此可见,鼠尾藻是进行富营养化糖水解效率的新途径。海域环境修复的理想藻类。鼠尾藻还含有丰富的3.2发酵过程中参数的控制褐藻多酚、多糖类等活性物质,在医药、保健、化工除了将生物质高效降解外,发酵过程中温度、等行业中具有广泛的应用潜力。pH等参数的控制对提高乙醇产率也很重要。每种3提高乙醇产率的技术关键发酵微生物在一定的发酵条件时都有一段适宜的发酵温度范围,发酵微生物的种类不同,所含有的3.1提高多糖的水解效率酶不同,酶的作用温度也不同。有些发酵微生物,如将组成复杂的生物质高效地降解是大型海藻酿酒酵母,对于温度的变化十分的敏感,尤其是高表3不同种类的大型海藻发酵的结果Tab. 3 The fermentation of different species of sea weeds分类藻类名称初始pH7d后pH乳酸生成量(g/100mL)乙醇生成量(g/00mL)红藻门线形杉藻 Chondracanthus tenellus江蓠 Gracilaria vermiculophylla4.0+(0.31)+(0.23)长枝沙菜 Hypnea charoide6.4+(0.22)+(0.16)拟鸡毛菜 Pterocladia capillacea(0.12)+(0.08)狭枝盾果藻 Prionitis angusta3.8+(0.17)叉开盾果藻 Prionitis divaricata+(0.41)石花菜 Gelidium linoides+(0.12)弯曲江蓠 Gracilaria incurvata4.0(0.25)+(0.12)褐藻门树状团扇藻 Padina arborescens+(0.08)林氏马尾藻 Sargassum ringgoldianum5.0±(0.01)+(0.04)纺锤形鹿尾菜 Hizikia fusiformis5.4±(0.01)+(0.24)铁钉菜 Ishige okamurae4.9±(0.01)+(0.10)厚缘藻 Dilophus okamurae0.04)羽叶藻 Eisenia bicyclis4.2+(0.03)裙带菜 Undaria pinnatifida(整体,商品)+(0.38裙带菜 Undaria pinnatifida(整体).9+(0.18)+(0.07)裙带菜 Undaria pinnatifida(梗)3.5+(0.25)海带 Laminaria japonica绿藻门石莼 Ulva sp.(横滨产地1)中国煤化工0155.6石莼 Ulva sp.(横滨产地2)CNMH G(O.41)维管植物大叶藻 Zostera marina+(1.14)+(0.26)水产学杂志第27卷温,当温度超过50%℃时,不适合酿酒酵母细胞的生参考文献长,抑制了酶的反应活性。所以找到适宜的发酵温度范围,对提高发酵产物产率至关重要。pH对发酵[1]任小波吴园涛向文洲,等海洋生物质能研究进展及其液中各种酶的活性影响很大,pH过高或过低都影发展战略思考[J地球科学进展,2009,24(4):403-409响酶和微生物的活性而抑制发酵,除了以上提到的[2 Naira Quintana, Frank Van der Kooy, Miranda D, et al. Re-影响因素外,发酵时间也影响最终产物的生成,如newable energy from Cyanobacteria: energy production op-timization by metabolic pathway engineering[J]. Appl Mi-果发酵时间太短,微生物还没有大量进入发酵期,robiol biotech.01.91(3):471-490营养物质没有被充分利用。而如果发酵时间过长,[3] Chisti. Biodiesel from microalgae. Biotechnol adv,2007,则会产生一些发酵副产物,而且酶的活性也会下25(3):294-306.降,最终导致发酵产物产率下降。[4 Chisti Y. Biodiesel from microalgae beats bioethanol [J]3.3发酵副产物对乙醇产率的抑制Trends Biotechnol. 2008. 26(3): 126-131发酵产物对于发酵微生物会产生产物抑制机5 Griffiths M J and Harrison S T L. Lipid productivity as a制,如利用酿酒酵母发酵生产乙醇时,当乙醇的浓key characteristic for choosing algal species for biodiesel度达到5%以后,开始抑制酿酒酵母细胞的生长。production[ J ]. J Appl Physiol, 2009, 21(5 ) 493-507[6 Mata T M, Martins A A, Caetano N S. Microalgae fo些发酵副产物如甘油、甲醇、CO2等,不仅抑制发酵biodiesel production and other applications: a review [J微生物,而且会降低乙醇的产量。甘油是乙醇生产Renew Sustain Energ Rev, 2010, 14(1): 217-232.过程的主要副产物,它的生成会消耗4%~10%的总[7]张平远海藻发酵饲料可提高鱼贝抵抗力J世界农业,碳源。所以,降低发酵副产物的产量也是提高乙醇2007(8)产率的关键之[8 Ye N, Li D, Chen L, et al. Comparative studies of the py-34其它方法lytic and kinetic characteristics of maize straw and the还可以通过基因工程技术,在基因水平上对藻seaweed Ulva pertusa[ J] PLOS ONE, 2010, 5(9):e12641类的基因做修饰来提高海藻发酵时产生生物燃料[9 Adam D Hughes, Maeve S Kelly, Kenneth D Black, et al.的产率。另有研究发现,乳酸杆菌发酵后的海带Biogas from macroalgae: is it time to revisit the ideaBiotechnology for Biofuels, 2012, 5(1): 86富含丰富的y-氨基酪酸,可以减缓酒精积累带来[10 Sharma a and raoT R. Kinetics of pyrolysis of rice husk的毒害作用。[J. Bioresource Technology, 1999, 67(1): 53-59展望[11 Xiu S, Li Z, Liristics ofbiomassat flash heatingrate[J). Fuel, 2006, 85(5 ) 664-670我国拥有得天独厚的海洋资源,要充分合理地12] Zabaniotou A a, KantarelisE K, Theodoropoulos D C开发利用,造福子孙后代。随着化石燃料的逐渐枯Sunflower shells utilization for energetic purposes in an竭,相信在不久的将来生物质能来源的燃料或其它tegrated approach of energy crops: Laboratory study py-形式的燃料可能会取代化石燃料在当今社会中的rolysis and kinetics[J ]. Bioresource Technology, 2008, 99地位。目前需要解决的技术难题为提高大型海藻中[131iDM. Chen L M,yix.eal. Pyrolytic characteristic多糖的水解率,以满足提高乙醇产量的需求。鼠尾and kinetics of two brown algae and sodium alginate[ J藻等大型海藻是海底树林,对于维持海洋生态环境Bioresource technology, 2010, 101(18): 7131-7136的平衡具有重大的意义,大量收割对海洋生态系统14]LiDM, Chen L m, Zhaoj s,etal. Evaluation of the py也有影响,所以提高鼠尾藻等大型海藻的人工育苗rolytic and kinetic characteristics of Enteromorpha prolif-技术,使其大量进行远海养殖对于大型海藻的生物era as a source of renewable bio-fuel from the yellow sea质能发展极其重要。我国在大型海藻栽培和养殖的of China[J]. Chemical Engineering Research and desig某些方面达到国际领先水平,积累了一批具有高产10,88(5-6):647-652能前景的藻种资源,储备了有关技术和人才,成为[15] Nielsen h B and Heiske S. anaerobic digestion ofcH中国煤化工hibition我国发展大型海藻生物质能的基础,也是我国发2011,64(8)展大型海藻生物质能的优势1723-1CNMHG1期于敏等:大型海藻发酵制取乙醇硏究浅析59·[l6]丁兰平,黄冰心,谢艳齐中国大型海藻研究现状及存[22]赵冬至,马志华,关春江,等中国典型海域赤潮灾害发在的问题[J生物多样性,2011196):798-804生规律[M]海洋出版社,北京,2010:30217] Khambhat Y, Mody K, Gandhi Mr,etal. Kappaphycus[23]陈姗姗,潘诗翰,董蓉.褐藻燃料乙醇研究进展及其应alvarezii as a source of bioethanol [J].Bioresour Technol用前景[J]中国酿造,2011(4:11-152012,103(1):180-18[24]吴信,王志朋,付晓婷,等.利用海带渣制备燃料乙醇关键[18 Wargacki A J, Leonard E, Win M N, et al. An engineered技术的研究[Z].[2012-12-11中国科技论文在线,htpmicrobial platform for direct biofuel production from brownvww paper.edu. cn/releasepaper/content/201212-196macroalgae[ J]. Science, 2012, 335(6066 ): 308-3[25 Randor Radakovits, Robert E Jinkerson, A l Darzins, et al[19]邵秀永.焦炉煤气的回收与利用现状及发展方向[J]Genetic engineering of algae for enhanced biofuel produc-河北化工,201235(2):14-15tion[ J]. Eukaryotic Cell, 2010, 9(4): 486-501[20]滕利平,关春江林风翱日本对大型海藻发酵制取乙[26] Chaj y, Jeong jJ, Yang H j,etal. Effect of fermented sea醇的研究[J现代渔业信息,2009,24(9):23-24.tangle on the alcohol dehydrogenase and acetaldehyde de-[21 Motoharu UCHIDA. Studies on lactic acid fermentation ofhydrogenase in Saccharomyces cerevisiae[ J.J. Microbiolseaweed [J]. Bulletin of Fisheries Research Agency, 2005biotechnol,2011,21(8):791-79514:21-85《中国渔业质量与标准》征订启事《中国渔业质量与标准》是由农业部主管、中国水产科学研究院主办的学术刊物本刊宗旨是:刊载我国渔业领域质量安全和标准等方面的政策法规、技术资讯及研究成果,搭建渔业质量与标准工作沟通交流的平台,提高渔业质量和标准水平,促进渔业可持续发展。主要收录水产品质量安全研究和标准硏究等方面的具有创新性和学术价值的硏究论文、综述等。内设栏目包括质量安全监管、标准硏究、风险评估、检验与检测、质量认证、环境质量、生产过程质量、产品质量、病害与渔药等。本刊现为双月刊,大16开,每逢双月出版,自办发行,每期定价18元,全年价108元,加邮费全年定价共计120元。凡需订阅本刊者,可直接与编辑部联系征订。本刊地址:北京丰台区永定路南青塔150号《中国渔业质量与标准》编辑部邮编:100141电话:010-68690728联系人:孟娣热忱欢迎广大读者征订本刊,并向关心、关注本刊发長的广大作者、读者致以衷心的感谢!《中国渔业质量与标准》编辑部中国煤化工CNMHG

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