酶法降解玉米芯以制备燃料乙醇的研究

广东技术师范学院学报(自然科学)2014年第7期Journal of Guangdong Polytechnic Normal UniversityNo7,2014酶法降解玉米芯以制备燃料乙醇的研究李永莲1,刘文锋2,阳元娥1(1广东轻工职业技术学院,广东广州510300;2广东工业大学,广东广州510006)摘要:目的:研究酶法降解玉米芯的最佳工艺和酵母菌发酵的最佳工艺.方法:采用纤维素酶对玉米芯进行酶解,采用酵母菌对酶解液进行发酵.结果:晦解条件:纤维素酶0.6nL,pH值为5~6,温度40, Tween-80添加量为1%,微量元素的添加量为0.5%,晦解48h后还原糖浓度达到最大值;发酵条件:活化后酵母菌的接种量40mL,发酵温度30℃,发酵36h后,乙醇产量的最高.结论:在较佳的酶解和较佳的发酵条件下,可显著提高晦解率和发酵率关键词:玉米芯;纤维素酶;预处理;酶解;发酵中图分类号:TQ223文献标识码:A文章编号:1672-402X(2014)07-0047-05随着社会的发展,人类对能源的需求越来越多化石燃料不可再生、储存量越来越少,远远1材料和方法不能满足人类的需求;而且化石燃料对环境污1.1材料和仪器染较大,对人类的生存环境造成威胁所以迫切玉米芯:购自广西桂林,过60目筛后放置需要开发可再生能源.乙醇是环保、清洁、支持烘箱,75℃烘24h至水分含量恒定,待用汽油充分燃烧的液体燃料,可通过生物质发酵液体纤维素酶:购自诺维信公司得到,是最有发展前景的可再生能源.生物质可酿酒酵母:购自安琪酵母股份有限公司再生、种类很多,世界上每年产生物质的量很酵母活化培养基:酵母膏10g,蛋白胨20g大,已成世界第四大能源目前我国用来发酵生葡萄糖20g,蒸馏水1000nL产燃料乙醇的生物质主要是玉米、小麦等粮食仪器:立式压力蒸汽灭菌器(江阴滨江医疗作物,对于中国人多、地少、粮食紧张的现状很设备厂);T-6紫外-可见分光光度计(北京普析不利我国的植物纤维资源极其丰富,农作物废通用仪器有限公司);电热恒温鼓风干燥箱(上弃物很多,比如玉米芯,大多被燃烧处理或者丢海精宏实验设备有限公司);GC90气相色谱弃,环境污染大如果将这些纤维原料通过生物仪(上海科创色谱仪器有限公司)或化学技术降解为葡萄糖,然后进一步发酵制12酶解的影响因素研究备成乙醇,对开发新能源和保护环境具有重要1.2.1温度的影响的现实意义我国玉米年产量居世界第二,每年称取玉米芯10g,置于锥形瓶中,加入被废弃的玉米芯量很大,如果利用玉米芯发酵120mL蒸馏水,用NaOH溶液调节pH值至5,设生产燃料乙醇则经济又环保,具有重要的社会计2个重复,加入纤维素酶06mL,分别置于不效益1本文以玉米芯为原料,利用纤维素酶对同温度:25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃,其进行酶解,对酶解过程的影响因素和发酵过100ad/min的恒温摇床中培养48h程的影响因素进行了研究,以探究玉米芯进行1.2.2pH的影响发酵燃料乙醇的可行性和经济性称取玉米芯10g,置于锥形瓶中,加人收稿日期:2014-04-20基金项目:广东省2006科技攻关项目[2006B13501002]资助作者简介:李永莲(1985-),女,广东轻工职业技术学院研究实习员.研EYH中国煤化工能源化研究通讯作者:阳元娥(1974-),女,广东轻工职业技术学院副教授.研究方CNMH(化研究李永莲,刘文锋,阳元娥:酶法降解玉米芯以制备燃料乙醇的研究第7期120mL蒸馏水,设计2个重复,加入纤维素酶13.3酵母用量的影响0.6mL,调节到不同的pH:2、3、45、6、7、8,然在酶解液中加入活化后的酵母菌液20、30、后置于40℃,100rad/min的恒温摇床中培养40、50、60、70mL,密封,分别置于发酵温度为48h,每隔4h取样1.mI35℃、100rad/min的恒温摇床中发酵48h,停止发12.3纤维素酶液用量的影响酵,过滤除渣,精馏滤液后,气相色谱进行乙醇称取玉米芯10g,置于锥形瓶中,加入产量检测120mL蒸馏水,用NaOH溶液调节pH值至5,设计2个重复,加入纤维素酶:0、0.2,04.063实验结果与讨论0.8、1mL,然后置于40℃,100rad/min的恒温摇3.1酶解过程的影响因素床中培养48h3.1.1温度对酶解的影响124时间的影响温度对酶促反应的影响主要有两个方面:称取玉米芯10g,置于锥形瓶中,加入(1)影响酶的热变性失活作用,也就是影响酶蛋120mL蒸馏水,用NaOH溶液调节pH值至5,白的稳定性;(2)影响Vmax和底物、抑制剂、激设计2个重复,加人纤维素酶0.6mL,置于活剂或辅酶与酶的结合等酶促反应有最适温40℃,100rad/rmin的恒温播床中培养,培养72h,度,在最适温度范围内,酶促反应速度最大、作每隔6h取样1mL用效果最好,酶的活性最高、最稳定,但是低于或2.5非离子表面活性剂 Tween-80的影响高于最适温度,则酶的活性较低或者被破坏.(21称取玉米芯10g,置于锥形瓶中,加人纤维素酶以羧甲基纤维素钠(CMC-Na)为底物120mL蒸馏水,用NaOH溶液调节pH值至的最适温度分别为45-60℃.如图1可见,纤维设计2个重复,加人纤维素酶0.6mL,添加素酶以玉米芯为底物的温度为40~50℃时,还原Tween-80:0、0.5%、1%、2%、3%(体积分数),置糖含量较髙,温度继续升高,还原糖含量降低,于40℃,100rad/min的恒温摇床中培养48h原因可能是温度过高,部分纤维素酶活性被抑2.6微量元素的影响制综合考虑实际情况,选定实验温度40℃.称取玉米芯10g,置于锥形瓶中,加人120mL蒸馏水,用NaOH溶液调节pH值至5.0,设计2个重复,加人纤维素酶0.6mL,加人含882g/ L ZnSO47H2O、1.44g/ L Enso4.H2O、0.5g/LCoCl26H4O、1.05g/LFeO,7H的微量元素溶25液:0、0.2%、0.5%、1.0%、15%(体积分数),置于40℃,100rad/min的恒温摇床中培养48h1.3发酵的影响因素研究1.3.1温度的影响在酶解液中加入活化后的酵母菌液40mL,45505560温度/℃密封,分别置于发酵温度为25℃、30℃、35℃图1温度对酶解的影响40℃、45℃、50℃,100rad/min的恒温摇床中发酵48h,停止发酵,过滤除渣,精馏滤液后,气相色3.1.2pH对酶解的影响谱进行乙醇产量检测.pH值对酶促反应的影响很大,过酸、过碱均13.2时间的影响可改变酶的空间构象,使酶发生可逆或不可逆在酶解液中加入活化后的酵母菌液40mL,失活;还能影响酶分子上氨基酸侧链的解离状密封,分别置于发酵温度为35℃、100ad/min的态,在最适pH值下,酶的催化能力最高由图2恒温摇床中发酵72h,每隔12h取样检测乙醇产可知,纤维素酶的最适pH值为5-6率,停止发酵,过滤除渣,精馏滤液后,气相色谱3.1.3H中国煤化工影响进行乙醇产量检测纤维刻CNMHG有效降低纤维第7期李永莲,刘文锋,阳元娥:酶法降解玉米芯以制备燃料乙醇的研究3.1.4时间对酶解的影响由图4可见,6~48h范围内,随着时间的增加,纤维素酶与玉米芯充分接触,还原糖含量随禦时间的增加而增加,其后继续延长时间,还原2.5糖含量不再增加,反而略有下降.其原因可能是:(1)酶促反应到一定时间,纤维素酶与底物玉米芯的结合已饱和;(2)随着时间的延长,纤维素酶的活性出现钝化现象因此,酶解时间以48h为宜这与赵晶等人3的研究成果基本是致的pH3.1.5非离子表面活性剂 Tween-80对酶解图2pH值对酶解的影响的影响素酶的成本是酶解过程中重要的环节.研究了孙付保4等人研究发现添加 Tween-80等非不同纤维素酶用量对玉米芯酶解效果的影响.离子性表面活性剂能显著提高底物对纤维素酶如图3可见纤维素酶的催化反应速度开始随着的亲和力,提高木质纤维素的酶解得率,其作用纤维素酶用量的增加而加快,但是当纤维素酶用机理可能是 Tween-80等非离子性表面活性剂量到一定时,继续增加用量,酶解得率增加趋于能吸附在木质素表面,从而减少木质素对纤维平缓,甚至有所下降,原因可能是当纤维素酶用素酶的吸附,这样减少纤维素酶的损失,使得纤量过大时,底物的量不够,反而降低酶解得率,抑维素酶能与纤维素作用充分,酶解效率提高实制酶解反应因此纤维素酶用量最佳是:0.6mL.验研究了非离子表面活性剂 Tween-80对酶解的影响,结果发现可以促进酶解.由图5可知,当Twen-80添加量到1%时,进一步添加Twen-80,还原糖浓度几乎不再变化.从经济角度来考虑, Tween-80添加量为1%较为适合0.2纤维素霉用量/mL图3纤维紊用量对薛解的影响Tween-80/%6图5对酶解的影响倒253.1.6微量元素对酶解的影响微量元素能促进酶解反应的进行.由图6可知,在酶解反应添加微量元素,还原糖含量增加,其中加入量为0.5%微量元素时酶解得率达到最大Tony等人5报道,微量元素对酶解有61218243036424854定的促进作用.本实验加入微量元素进行研究发时间h现,加入中国煤化工1提高还原糖浓4时间对酶解的影响度,当微量HCNMH端时,还原糖浓50李永莲,刘文锋,阳元娥:酶法降解玉米芯以制备燃料乙醇的研究第7期度最高,继续增大微量元素的添加量,还原糖浓乙醇产量不再增长,继续发酵,部分乙醇挥发因度几乎不增大甚至稍微降低此产量出现下降菜1.5微量元素用量%时间h图6微量元对酶解的影响图8时间对发酵的影响3.2发酵过程的影响因素323酵母接种量对发酵的影响3.21温度对发酵的影响由图9所示,乙醇产量开始随着酵母接种在乙醇发酵过程中,其中的一个关键因素量的增加而增大,当酵母接种量到40mL时,继是温度由图7可知,温度维持在30~35℃范围续增加酵母接种量乙醇产量反而降低.其原因内发酵效果最佳原因可能是:(1)酵母的生长是:酵母接种量过大时,发酵液中酵母菌细胞密和作用有一个最佳温度,温度过高或过低,酵母度也大,繁殖消耗了过多的还原糖,所以导致乙的活性会降低;(2)温度过高的时候,更利于与醇产量低酵母菌竞争葡萄糖的乳酸菌的生长;(3)温度的升高会使得发酵过程中部分乙醇挥发.综合考虑,选定30℃为发酵温度002酵母接种量mL图9酵母接种量对发酵的影响温度/℃4结论图7温度对发酵的影响(1)酶解条件:纤维素酶0.6mL,pH值为3.22时间对发酵的影响5-6,温度40℃, Tween-80添加量为1%,微量元如图8所示,发酵时间为36h左右时,乙醇素的添加量为0.5%,酶解48h后还原糖浓度达产率达到最高值,随着发酵时间的延长,乙醇产到最大值率不再增长,显平缓趋势,逐渐慢慢下降.其作(2)发酵条件:活化后酵母菌的接种量用机制是:乙醇产量开始随着发酵时间的增长40mL,发酵温度30℃,发酵36h后,乙醇的最高而增加,但是当乙醇产量达到一定后,发酵液中产量可达中国煤化工值0.51g/g葡乙醇密度过高反而会不利于酵母的生长,导致萄糖相比较HCNMHG第7期李永莲,刘文锋,阳元娥:酶法降解玉米芯以制备燃料乙醇的研究51参考文献:乙醇的研究[J].林产化学与工业,2007,27(4):-10[4]孙付保,娄秀平,洪嘉鹏,等非离子表面活性剂对[]李永莲.玉米芯预处理工艺及制备燃料酒精的研究木质纤维素酶解的促进作用[J].化工进展,2011,30[D]广东工业大学,2011(12):719-2723[2]任天宝,邱盼,任秀娟,等蒸汽爆破预处理玉米芯[5] Tony Eriksson, Johan Borjesson, Folke Tjemeld. Mecha及其酶解工艺研究[J].可再生能源,2012,30(5):nism of surfactant effeet in enzymatic hrolysis of lignoeellulose. Enzyme Microb Technol, 2002, 31: 53-364[3]赵晶,陈明,张靖方,等.酶法糖化玉米芯发酵生产[责任编辑:刘向红]Research on Enzymatic Degradation of Corncob for Produce Bio-ethanolLI Yong-lian', LIU Wen-feng, YANG Yuan-e'(l Guangdong Industry of Technical College, Guangzhou 510300;2. Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006)Abstract: Objective: To study the best enzymatic degradation of corncob and optimum yeast fermentationprocess. Methods: The core of cellulase on the fermentation of corn, yeast hydrolyzate used for fermentation. Result:Hydrolysis conditions: cellulase 0.6mL, pH: 5.0-6.0 temperature 40C, Tween-801%, trace elements.5%, time8h; fermentation conditions: yeast inoculum 40mL, fermentation temperature 30C, time 36h, then ethanolproduction was highest. Conclusion: Better digestion and better fermentation conditions can significantly increasethe rate of hydrolysis rate and fermentation rateKey words: corncob; cellulase; pretreatment; hydrolysis; fermentation(上接第18页)Study of Pure Tin Weldable Coating in MLCCLOU Hong-taoGuangdongLingguang New MaterialCo., Ltd, zhaoqing 526020)Abstract: In view of the lead-free tendency at home and abroad, the advantages and disadvantages of varioussimple tin alloy weldable coating was compared, the research direction of pure tin solder plating additive was putforword, anda pure tin electroplatingadditive was developed. Finally from the appearance, resistance welding, wet-ting effect, accelerated oxidation, end force etc, the Sn-Pb coating and pure tin plating were compared. In additionin this paper, the properties of various solder paste were compared. The result shows that various properties of puretin plating is not weaker than that of Sn-Pb coating, some better than Sn中国煤化工Key words: MLCC; Sn-Pb plating; lead-freepure tin plating; pureCNMHG