木质纤维素制燃料乙醇的预处理研究

2012年3月臻色科技Journal of Green Science and Technology第3期木质纤维素制燃料乙醇的预处理研究徐超,关东明,朱汉青,吴涛,陈超正(中国矿业大学化学与环境工程学院,北京100083)摘要:指出了劊做乙醇的过程中,对玉米芯预处理条件的探究是整个实验的重要环节。采用酸水解法,通过正交试验,得出了玉米芯水解得到木糖过程中的最适溫度为119.8℃、时间为90min、硫酸浓度1.16%、固液比为1:10等条件,且提高玉米芯的利用奉最终为0.30g/g关键词:木质纤维素;预处理;酸水解法;发酵乙中图分类号:TS261.7文献标识码:A文章编号:1674-9944(2012)03-0280-041引言成乙醇5。随着经济的发展,环境问题以及能源紧缺问题我国燃料乙醇产业起步较晚,但发展迅速,2006日趋严峻,寻找可再生能源已经成为缓解化石燃料年我国燃料乙醇的产量达到144万t,成为世界第3短缺和控制大气中CO2浓度的重要途径。作为大燃料乙醇生产国。由于乙醇等生物燃料产量的大种清洁能源,有“绿色石油”和“液体黄金”之称的乙幅增加,已导致了世界粮食价格的大幅上涨。美国醇有其独特的优越性。乙醇与汽油相比,能够增加作为全球最大的粮食乙醇生产与应用国,近年来加氧的含量燃烧时使碳氢化合物更加充分氧化,从而大了对纤维素乙醇发展的支持力度。减少排放到大气中的芳烃类化合物及一氧化碳量.同时将一些农作物秸秆和含纤维素质的作物3木质纤维素的预处理通过一定的方法转换为人类所需的能源,也是一项木质纤维素价廉、可再生资源丰富。将这物变废为宝的重大工程。其中通过稀酸水解木质纤维质转化为葡萄糖、木糖等可发酵性糖,被认为是乙醇素来生产燃料乙醇已受到了国内外广泛的关注。生产中极具前景的一个途径。它经过水解可以制得2燃料乙醇生产的国内外研究进展单糖,单糖经微生物发酵可进一步供生产低聚糖、细胞蛋白、酒精和有机酸等有机原料和燃料,可以取纤维素制乙醇在19世纪即已提出,方法是把代目前的淀粉原料发酵生产的各种产品,是化石资纤维素水解为单糖,再把单糖发酵成乙醇。但该工源等不可再生能源的有效替代品。木质纤维素的开艺虽然原料价格便宜,生产成本却很高,随着以石油发利用早已引起人们的广泛重视,但其利用率仅为原料的合成乙醇大量生产,这类工厂大都关闭。1%左右,木质纤维素资源现多作为燃料、织物、饲在20世纪石油危机后,西方国家又开始重视纤维料、食品、药品、肥料等,这不仅利用率低而且造成环素制乙醇的技术。第一个燃料乙醇项目一ProA-境污染,因此纤维素资源作为能源物质开发具有很cool于1975年诞生在巴西,1978年美国、加拿大也大前景。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木开展了类似的项目。目前开展此项目最为活跃的国质素组成。家是美国和巴西,这两个国家乙醇产量约占全球乙在植物组织中木质素与半纤维素以共价键形式醇总产量的70%以上。欧洲各国也对发展生物燃结合,并将纤维素分子包埋其中,形成一种坚固的天料表现出极大兴趣,开始加大力度进行研究、推广和然屏障,使一般徵生物很难进入使其降解。木质纤使用乙醇汽油维素原料生产燃料乙醇的过程主要包括预处理、糖有着丰富甘蔗资源的巴西,利用甘蔗作为原料化、发酵等,其预处理是生物转化的关键步骤,影响发展燃料乙醇产业,目前年产1400t纤维素乙醇,整个纤维素酒精生产过程。因此高效、便捷的预处几乎全部作为汽车燃料使用。美国已于2008年理技术是木质纤维素原料生产燃料乙醇的关键所成为全球最大的纤维素乙醇生产国。美国政府发布在。预处理的目的是使纤维素与木质素、半纤维素多条目标和激励政策,用以促进纤维素乙醇的生产,等分离,使纤维素内部氢键打开,使结晶纤维素成为位于佛罗里达州的柑橘和亚热带产品实验室与其合无定型中国煤化工分-1,4一糖苷作伙伴可再生醇类公司联合研发了一种替代过程,键,降低CNMHG的结构破坏纤维采用酶催化将这类残渣转化成糖类糖类再发酵生素一木质冢半维系乙间时连接,降低纤维素的收稿日期:222作者简介:徐超(199-),男,陕西延安人,中国矿业大学(北京)生物工程专业学生数据徐超等:木质纤维素制燃料乙醇的预处理研究工程技术结晶度以及提高基质的孔隙率常用的预处理方法的颗粒,烘干并测其含水量可分为物理法、化学法、物理化学结合法和生物法44.2玉米芯含水量测定大类。本文主要介绍化学法中的酸水解法测得试验所用玉米芯含水率为5.3%(表1)木质纤维素来源于木材、于草、林业废料、农业表1玉米芯含水量废料和纸制品废料等,主要成分包括纤维素(40%烘干前质量/g39.242.1441.7247.5938.640.7341.5142.3250%)、半纤维素(25%~30%)和木质素(10~烘于后质量/g38.6741.6241.1947.0738.0940.1840.9841.7920%)。在不同的原料中,这3种成分的组成不0.530.520.530.520,510.550,530.53同。在农作物废料玉米芯中纤维素含量约占45%,半纤维素约占35%,质素约占15%9。4.3玉米芯水解纤维素是D一葡萄糖以B-1,4糖苷键组成的4.3.1水解液的制备大分子多糖,分子式为(CH1O3)n,其纤维聚合度n称取20.0g粉碎后的玉米芯颗粒,按固液比1:由200~200kDa不等。半纤维素是一种分子量较10(w/v)比例加入到盛有1%(v/y)稀硫酸的小的带有支链的多聚糖,相对来说聚合程度较低,500mL三角瓶中,浸泡过夜,在120℃灭菌锅中水解般不大于200kDa。其结构单元包括戊糖基、已糖基、糖酸基和乙酰基,其中的戊糖主要为木糖和阿拉4.3.2水解后玉米芯的处理方法伯糖。除了半乳糖组成的半纤维素以β-1,3糖苷将玉米芯水解液冷却液抽滤得半纤维素水解液键连接,半纤维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值为7,用键0)。木质素是具有网状空间立体结构的高分子DNS法测定样品中木糖含量,利用540mm光长测芳香族化合物,由4种醇单体(对香豆醇、松柏醇、5其吸光度,根据标准曲线回归方程计算出样品木糖羟基松柏醇、芥子醇)的苯丙烷基单元通过醚键和浓度碳一碳键连接而成。4.3.3木糖标准曲线的绘制木质纤维素经过预处理(包括粉碎处理、水处木糖吸光度标准曲线见图1,不同浓度的木糖理、碱处理、稀酸处理、蒸汽爆破处理和氨处理等方溶液对540m光长的吸光值见表2。法),使其结构变得松散,再通过水解产生可被微生物利用于发酵的单糖。木质纤维素的水解方法包括化学法和生物法(酶法)等1,其中以稀酸水解法应用得较为广泛。稀酸水解法具有快速、廉价、易于操作的优点,但是会产生较多的副产物121。通常,该y=57.357x+0.8021方法是通过木质纤维素原料与无机酸如硫酸、盐酸R2=0.9972混合,并经120~200℃的高温处理完成3141。4实验方案0.24.1玉来芯半纤维素水解吸光度4.1.1玉米芯预处理图1木糖吸光度标准曲线将玉米芯用机械粉碎法预处理得到20~30目表2不同浓度的木糖溶液对540nm光长的吸光值管号空白含糖总量/mg1.41g/木糖标准液/mL0蒸馏水/mL21.61.41.20,8DNS试剂/mL2加热沸水浴中加热5min冷却立即用流动的冷水冷却蒸馏水吸光值(540)0.10500,23750.400.57251中国煤化工4.4玉米芯水解后木糖得率的计算4.5玉米芯CNMH化试验通过对玉米芯半纤维素水解液中木糖含量进行在一定的粒径条件下,玉米芯中半纤维素的水测定,确定每克干重玉米芯木糖得率,即木糖g/干解主要受水解温度、时间、酸浓度、固液比4个因素重玉米芯g的影响。所以本课题从水解温度、时间、硫酸浓度2812012年3月绿色科技第3期固液比4个因素做正交试验研究其对玉米芯半纤维对木糖产率影响最大,其主要原因是:在玉米芯半纤素水解的影响。玉米芯半纤维素水解产物中木糖为维素酸水解的过程中,随着水解的进行,半纤维素中主要单糖产物,因此以下试验主要以其中木糖含量的戊聚糖逐步水解成木糖,但随着水解生成的木糖为主要检测标准的量的增多,再延长水解反应时间,则水解生成的木表3玉米芯半纤维素水解条件正交优化试验糖又会进一步反应降解成糠醛等副产物,导致最终w)%液比吸光值木糖浓度因素温度时向浓度木糖的量的减少,所以采用水解时间90min是合适试验11050.50.51:200.485028.的试验210111100.436525.8384表3中正交试验得到的最优组合中固液比为1试验31051.53:200.555332.6524:5,但在实际操作中较大的固液比会产生大量滤渣试验410520.707940.4051试验51100.53:200.510830.1001且需要多次洗涤滤渣造成水解液中木糖浓度降低,试验61101l:s0.4883这会增加下一步半纤维素水解液浓缩动能消耗,故试验71101.520.202712.42841:100.413224.5020在实际操作中选择液固比1:10更为合适。综上所试验91150,550.70241.0839述玉米芯适宜的水解条件为温度120℃、时间试验101153:200.675739,558290min、硫酸浓度1%、固液比1:10。1:100,417524.7486试验121151:200.230714,0344试验131200.5l:100.388523.0853参考文献:试验14120·11.5[1] Quintero J A, Montoya M 1, Sanchez O J, et al. Fuelethanol pre试验151201,51:50.742843.4069试验1613:200.591834.7460duction from sugarcane and corn: Comparativeanalysis for a Co-lombian case[J]. Energy, 2008, 33: 385-399[2]许庆利,蓝平,隋森,等,木质纤维素生产燃料乙醇的研究进5结果与讨论展[.化工进展,2009(4):1906~1907[3]马现刚,徐恒泳,李文钊.木质纤维素生产燃料乙醇的研究进展J].天然气化工,2008(7):60~61稀酸水解木质纤维素的工艺较简单,原料处理4]肖波,周英彪李建芬,生物质能循环经济技术[M北京化时间短,污染小,技术相对成熟1。通过稀酸对玉学工业出版社,2006米芯半纤维素进行水解可以使半纤维素水解的比较5李水涛纤维素水解生产乙醇的研究进展[门].应用能源技术彻底,并且经稀酸水解处理后,纤维素的平均聚合度2010(8):13~14,下降,对后续的纤维素的酶解有明显的促进作用67吉延,陈晓群蒋朱克,等木质纤维素的预处理及应用]食品工程·技术,2010(10):118~119但稀酸水解的温度较高,水解过程中,生成了较多的[]王敏,王倩,吴荣荣木质纤维素生产燃料乙醇预处理技术对发酵有抑制作用的副产物。这些副产物极大地影研究进展[].衡水学院学报,2010(10):106~107响了半纤维素水解液的发酵性能,导致乙醇发酵总[8] Sanchez c. Lignocellulosic residues; Biodegradation and bicc成本的居高不下。因此对半纤维素进行有效的预处version by fungi[J]. Biotechnol Adv, 2009(27): 185-194理对于提高半纤维素水解液的发酵性能至关重[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:玉米芯半纤维素酸水解制备木糖carbohydrates[M]. New York: Academic.1970影响木糖产率的主要因素有液固比硫酸浓度、水解[11 Olsson I,Hahn-H, gerda B, Fermentation of lignocellulosic温度和水解时间。为了确定适宜的玉米芯半纤维素hydrolysates for ethanol production[J]. Enzyme Microb Techn酸水解工艺,取20~30目的玉米芯颗粒与不同浓度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,在不同温度下水解反应不同时间,losics and their pretreatments for enzymatic hydrolysis [J].设计L16(44)正交试验场,以水解液中木糖浓度为Adv. Biochem. Eng, 1982(23): 158-187指标考察玉米芯半纤维素酸水解工艺。表3结果表13 Grethlein H E, Converse A O. Common aspects of acid pre-明,以上4个因素对木糖产量的影响大小顺序为:水hydrolysis and steam explosion for pretreating wood[J].Biore-sour Technol, 1991(36):77-82解时间>硫酸浓度>水解温度>液固比。最优水解C143 Torget R, Hsu T A, Two-temperature dilute acid prehydroly条件为温度120℃、时间90min、硫酸浓度1%、固液sis of hardwood xylan using a percolation process[J]. Appl Bio-比1:5,在此条件下玉米芯半纤维素水解液中木糖chem Biotechnol, 1994(45/46):5-23.得率为0.30g/g。[15]杨晓峰.利用玉米芯半纤维素水解液发酵 Candida shehatae产在正交试验考察的酸水解4因素中,水解时间乙醇中国酿造,2010(6):90~91,中国煤化工CNMHG方数据綠色科技202年3月Journal of green Science and Tech第3期冷库中低温细菌的分离及鉴定邹吴(丽水职业技术学院环境工程分院,浙江丽水323000)摘要:从来自冷库中的样品中共筛选分离出5株低温細菌。对分离的低溫细菌进行了分类鉴定,主要进行了生理、生化特性分析,对其中的2株细菌作了16 SrNA测序并通过 BLAST比对进行了鉴定。生化鉴定结果表明:所有分离到的低温细菌均为革兰氏阴性菌。经16 S rDNA鉴定的3株低温细菌全部为假单孢菌属的菌株。关键词:冷适应性细菌;分离;鉴定中图分类号:S567.9文献标识码:A文章编号:16749944(2012)03-0283-031引言开,它们对自然界的基本循环有重要贡献,如碳、氮、嗜冷微生物,又称嗜冷菌,是指一类最适生长温硫、磷等元素的循环。已知的嗜冷固氮根瘤菌,能够度低于15℃,最高生长温度低于20℃和最低生长温产生某些降解大分子(如蛋白质、碳水化合物)以及度在0℃以下的细菌、真菌和藻类的微生物(。低分子量的环境污染物的胞外酶。这些嗜冷微生物部分虽然能在0℃下生长,但最适生长温度为20不仅在有机碳的再循环,而且在处理非天然的和人40℃的微生物,则只能称耐冷微生物(2,易从不稳定造的化合物中,都起了巨大的作用,是保持全球生态的低温环境中分离得到,如冷水或土壤中。按照平衡必不可少的角色Morita的定义可将冷适应微生物分成两类,即嗜冷生物圈大部分(约80%以上)温度在20℃以下微生物( psychro phil)和耐冷微生物( psychro-而低温微生物是指最适生长温度小于20℃的微生grants,又称适冷微生物一 psychrotrophs)。嗜冷微物,因此,分离鉴定能分解蛋白质淀粉、纤维素等物生物是指最适生长温度为15℃,最高生长温度低于质的低温细菌,不仅可对微生物多样性进行研究,还20℃的微生物。而耐冷微生物通常指不能在0℃生将具有一定的实际应用价值。长,但能在3~5℃生长,其最适和最大生长温度在本文利用经典微生物学方法,对职业技术学院肉制20℃以上的微生物。为了简单起见,从广义上讲,也品保藏冷库中的低温微生物进行纯培养分离和研究常用冷适应微生物(cold- adapted microorgan2材料和方法ism)这个词表示这两个类群嗜冷微生物能在土壤、海洋、河流以及植物和冷2.1材料血动物的体内等环境中找到。在自然环境中,没有2.1.1菌株来源哪个基本的物质循环能与嗜冷微生物的代谢活动分样品采集自职业技术学院肉制品保藏冷库收稿日期:201202-24作者简介:邹吴(1957—),男,浙江武义人,实验师,主要从事林业栽培技术教学与推广工作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中国煤化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