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文檔簡(jiǎn)介

1、稻草秸稈的預(yù)處理及發(fā)酵乙醇的試驗(yàn)研究葉生梅許盼吉汪江林(安徽工程科技學(xué)院生物化學(xué)工程系,蕪湖241000摘要通過不同的化學(xué)試劑與“汽爆”組合處理稻草秸稈的試驗(yàn)研究,確定了有效的預(yù)處理?xiàng)l件:稻草秸稈與3%氫氧化鈉溶液(固液比W/V為15混勻,置0.15MPa(126128保溫5min,放氣。此預(yù)處理能使秸稈中木質(zhì)素去除75.58%;秸稈酶解糖化率(2%底物,0.2%纖維素酶,pH4.8,0.2m ol/L醋酸-醋酸鈉緩沖溶液, 46水解48h達(dá)82.78%;通過釀酒酵母將秸稈纖維素酶解糖化液發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇,產(chǎn)乙醇濃度達(dá)5.0%(V/V。關(guān)鍵詞稻草秸稈預(yù)處理纖維素纖維素酶發(fā)酵中圖分類號(hào):T Q92

2、0.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-0174(200906-0133-04隨著能源問題的日益突出,人們對(duì)可再生能源越來越重視,加強(qiáng)對(duì)稻草這類可再生資源的高值利用研究具有重要的戰(zhàn)略意義。稻草結(jié)構(gòu)復(fù)雜而致密,通過有效的預(yù)處理和組分分離手段將稻草原料中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等分離并分別加工成有價(jià)值的產(chǎn)品,是實(shí)現(xiàn)生物量全利用、降低成本的關(guān)鍵因素之一。而有效的預(yù)處理技術(shù)是組分分離的重要前提。已知的預(yù)處理方法有物理法、化學(xué)法、生物法等,但每種方法單獨(dú)使用預(yù)處理效果和成本都有待改進(jìn)1-5。利用化學(xué)法和“汽爆”組合預(yù)處理,通過測(cè)定稻草組分分離情況和纖維素的酶解效率,探索稻草有效預(yù)處理途徑及酶解液的乙醇

3、轉(zhuǎn)化。1材料和方法1.1材料與儀器設(shè)備稻草:蕪湖市東郊農(nóng)村,干稻草切成12cm的小段;纖維素酶:無錫市雪梅酶制劑有限公司(酶活力80I UFPA/g,預(yù)處理所用化學(xué)試劑均為分析純;釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae:實(shí)驗(yàn)室保藏。DSX-280B型高壓蒸汽滅菌鍋:上海申安醫(yī)療器械廠;722型分光光度計(jì):上海精密科學(xué)儀器有限公司;SE NC O型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海申生科技有限公司;BS-1E A型數(shù)顯震蕩培養(yǎng)箱:江蘇金壇市杰瑞爾電器有限公司;SH B-型循環(huán)水式多用真空泵:鄭州市上街華科儀器廠;SW-C J-2FD型凈化工作臺(tái):基金項(xiàng)目:安徽省教育廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20

4、03kj039收稿日期:2008-07-01作者簡(jiǎn)介:葉生梅,女,1963年出生,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,碩士,生態(tài)學(xué)蘇州凈化設(shè)備廠。1.2稻草預(yù)處理添加不同的酸或堿及過氧化氫溶于水中達(dá)到一定的濃度組合作為處理試液,稱取稻草與處理試液混合,固液比15,拌勻,置高壓蒸汽滅菌鍋0.15MPa (126128保溫一定時(shí)間,放氣。1.3預(yù)處理后稻草水浸提將預(yù)處理稻草稈50烘干,準(zhǔn)確稱取1.000g 預(yù)處理干料,加50m L蒸餾水,室溫震蕩1h,過濾,測(cè)濾液中還原糖。1.4干基失重率將預(yù)處理材料用水洗至pH7.0,50烘干,稱重。干基失重率=(材料質(zhì)量-預(yù)處理后干料重/材料質(zhì)量。1.5酶解預(yù)處理秸稈水洗至pH7.0

5、,50烘干后用粉碎機(jī)粉碎。稱取一定量粉碎后干料和纖維素酶,加入pH4.8的0.2m ol/L醋酸-醋酸鈉緩沖溶液,于45 48、120r/min進(jìn)行酶解糖化反應(yīng)一定時(shí)間,過濾,測(cè)濾液中還原糖。酶解率=(酶解產(chǎn)生的還原糖×0.9/材料質(zhì)量。1.6培養(yǎng)基麥芽汁固體培養(yǎng)基6;酒精發(fā)酵培養(yǎng)基:酶解液濃縮至還原糖含量約10%;添加2g/L(NH42S O4, 1g/L K H2PO4。1.7菌種培養(yǎng)及發(fā)酵以麥芽汁斜面上培養(yǎng)2d的酵母為菌種轉(zhuǎn)接到發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行乙醇發(fā)酵。2009年6月第24卷第6期中國(guó)糧油學(xué)報(bào)Journal of the Chinese Cereals and Oils Ass

6、ociationV ol.24,N o.6Jun.2009 1.8分析方法還原糖測(cè)定采用3,5-二硝基水楊酸比色法7 (DNS法;纖維素、半纖維素、木質(zhì)素測(cè)定方法見文獻(xiàn)8;酒精含量測(cè)定采用氣相色譜法,發(fā)酵液經(jīng)微孔濾膜過濾器過濾,濾液用于氣相色譜分析乙醇濃度;色譜柱為大口徑毛細(xì)管柱,色譜型號(hào)為G C7900,采用FI D氫火焰檢測(cè)器,載氣(氮?dú)饬髁?0m L/ min,柱溫80,進(jìn)樣器和檢測(cè)器溫度200。2結(jié)果與分析2.1不同處理試劑對(duì)稻草預(yù)處理分別配制4%NaOH+2%H2O2、4%NaOH、4% NH3H2O+2%H2O2、4%NH3H2O、2%H2S O4+2% H2O2、2%H2S O4

7、、4%HCl+2%H2O2、4%HCl、2% H2O2。稱取一定量的干稻草,分別與上述溶液混合,固液比15,拌勻后,取一份4%NaOH的處理室溫放置7d,作為對(duì)比;將其余各處理樣品置0.15MPa(126 128保溫10min,放氣。處理后分別測(cè)定水浸提還原糖、失重率、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及酶解率(酶解條件:底物1%,纖維素酶0.1%,pH=4.8的0.2m ol/L醋酸-醋酸鈉緩沖溶液,于46,120 r/min酶解24h過濾,測(cè)濾液中還原糖,并計(jì)算酶解率。預(yù)處理結(jié)果見表1??梢钥闯?(1與未處理比較,添加處理試劑處理稻草,酶解率均有所提高。(2用4%NaOH拌勻稻草室溫放置7d的處理與

8、4%NaOH加熱條件下(126128保溫“汽爆”的處理效果差別明顯,可見加熱能加速破壞稻草秸稈纖維素的結(jié)晶度,使秸稈纖維結(jié)構(gòu)疏松,加速木質(zhì)素的溶解。加熱提高了秸稈的預(yù)處理效率。(3在0.15MPa的蒸汽壓力下(126128, 2%H2S O4、4%HCl處理后水提液中還原糖達(dá)到32.79mg/g,處理后秸稈中半纖維素含量最低,說明在該試驗(yàn)條件下稀酸能將原料中戊聚糖水解成單糖,而木質(zhì)素仍留在秸稈纖維素中,處理后秸稈易粉碎,但處理后材料酶解率只有29.00%;而4%NaOH 處理的結(jié)果與此相反,能有效去除秸稈中木質(zhì)素,半纖維素略有減少,這是由于一部分與木質(zhì)素相連的半纖維素隨著木質(zhì)素的溶解而從秸稈中

9、分離出來,處理后的秸稈粉碎呈絨絮狀,酶解率達(dá)86.13%,酶解效果最好。(4氨水屬于弱堿,在試驗(yàn)條件下,4%NH3H2O 對(duì)木質(zhì)素的去除有限,處理后秸稈的酶解率為29.84%,處理效果較差。(5文獻(xiàn)9-10報(bào)道的蒸汽爆破法(即在不添加化學(xué)試劑,加熱到1.5MPa蒸汽壓力下,維持4 5min,放氣的處理效果良好,在本試驗(yàn)條件下(即0.15MPa較低蒸汽壓力“汽爆”用蒸餾水代替試劑,處理后秸稈半纖維素、木質(zhì)素的量與未處理秸稈相當(dāng),酶解率只有17.15%。(6文獻(xiàn)11報(bào)道H2O2與NH3H2O或NaOH作為組合處理試劑,汽爆處理秸稈。本試驗(yàn)也對(duì)H2O2單獨(dú)處理和H2O2與其他試劑的組合處理進(jìn)行了研究

10、,結(jié)果表明,H2O2單獨(dú)處理對(duì)纖維素各組分幾乎無影響,酶解率也只有27.18%;由于H2O2為較強(qiáng)的氧化劑,對(duì)秸稈具有漂白作用,經(jīng)H2O2處理后的秸稈為米黃色,不加H2O2的處理秸稈為黃褐色。H2O2與表1不同處理試劑對(duì)稻草預(yù)處理的影響處理水浸提還原糖/mg/g干基失重率/%纖維素/%半纖維素/%木質(zhì)素/%酶解率/%未處理稻草 1.45 1.536.2422.8111.679.46室溫處理7d(對(duì)照 2.3237.858.4519.90 6.1265.56蒸餾水 2.4111.340.9621.1710.2317.154%NaOH+2%H2O2 3.0846.970.8816.11 1.718

11、6.884%NaOH 2.2245.969.8315.39 1.7586.134%NH3H2O+2%H2O2 2.0514.557.7220.158.0930.214%NH3H2O 2.0213.855.6821.348.1229.842%H2S O4+2%H2O232.7937.756.9113.1511.3627.502%H2S O432.4536.956.6713.6511.4027.064%HCl+2%H2O235.2338.657.3613.1411.3529.284%HCl35.1138.357.2113.4511.3929.002%H2O2 1.48 6.240.9722.311

12、.4527.18 431中國(guó)糧油學(xué)報(bào)2009年第6期 NaOH、NH3H2O、HCl、H2S O4的組合試劑處理效果與不添加H2O2的各試劑單獨(dú)處理比較,處理后秸稈的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組分含量相當(dāng),酶解率略有提高??紤]到秸稈的預(yù)處理成本,以不添加H2O2為宜。結(jié)果表明,在本試驗(yàn)條件下,NaOH對(duì)木質(zhì)素的去除較徹底,4%NaOH加熱“爆破”處理秸稈的酶解率達(dá)86.13%以上,是理想的稻草秸稈預(yù)處理劑。2.2不同濃度NaOH溶液預(yù)處理效果配制1%、2%、3%、4%、8%NaOH溶液,稻草與處理液的固液比15,0.15MPa壓力(126128保溫10min,放氣,處理后分別測(cè)定失重率和酶解率(

13、酶解條件與2.1相同。測(cè)定結(jié)果見表2。表2不同濃度NaOH對(duì)稻草預(yù)處理的影響/% NaOH1%2%3%4%8%失重率19.533.943.644.948.7酶解率42.0260.1083.9586.1389.45從表2可以看出,隨著NaOH濃度增加,失重率、酶解率提高。3%、4%NaOH處理效果相差不大;從經(jīng)濟(jì)成本出發(fā),可選取3%NaOH處理。2.3保溫時(shí)間對(duì)稻草預(yù)處理的影響取3%NaOH為處理液,稻草與處理液的固液比15,0.15MPa(126128處理,保溫時(shí)間分別為2、5、8、10、15min,放氣,另作一室溫放置7d的處理對(duì)比,分別測(cè)定處理后秸稈的失重率、酶解率(酶解條件:底物2%,0

14、.3%纖維素酶,pH4.8的0.2m ol/L 醋酸-醋酸鈉緩沖溶液,于46、120r/min進(jìn)行酶解糖化,酶解60h,過濾,測(cè)濾液中還原糖,并計(jì)算酶解率、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組分含量。測(cè)定結(jié)果見表3。室溫放置7d的處理與本試驗(yàn)加熱條件下(126128保溫2min的處理效果相當(dāng),可見加熱能加速破壞稻草秸稈纖維素的結(jié)晶度,使秸稈纖維結(jié)構(gòu)疏松,加速木質(zhì)素的溶解。從表3可看出,保溫時(shí)間由5到15min,木質(zhì)素的去除變化不大,保溫5min木質(zhì)素的去除率達(dá)75.58%。加熱保溫5min,在試驗(yàn)條件下酶解率達(dá)82.78%,所以保溫時(shí)間可選取5min。表3保溫時(shí)間對(duì)稻草預(yù)處理的影響/%保溫時(shí)間/m in

15、失重率纖維素半纖維素木質(zhì)素酶解率237.963.3921.19 5.8167.96 539.563.5718.12 2.8582.78 841.965.9118.32 2.7583.26 1043.666.8818.55 2.0883.95 1543.971.3118.54 1.8186.61室溫7d(對(duì)照36.557.9820.45 6.9069.262.4利用酵母發(fā)酵酶解液產(chǎn)生乙醇取3%NaOH為處理液,稻草與處理液的固液比15,126128處理5min,放氣,纖維素材料水洗至中性,50烘干,粉碎,加纖維素酶糖化,酶解條件(底物2%,0.3%纖維素酶,用稀HCl調(diào)pH至4.8,于46,12

16、0r/min進(jìn)行酶解糖化,酶解60h酶解反應(yīng)液離心(3500r/min,15min上清液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至還原糖濃度約10%,115滅菌20m in,接種酵母30發(fā)酵48h,測(cè)定發(fā)酵液中酒精含量為5.0%(V/V。2.5木質(zhì)素的初步分離用氫氧化鈉溶液加熱處理稻草,能有效地去除木質(zhì)素,預(yù)處理后的秸稈需要水洗至中性,水洗液中由于木質(zhì)素溶于堿液,而使溶液呈黑色,若能將黑液中的成分(主要為木質(zhì)素回收利用,既能避免環(huán)境污染,又使秸稈組分得到充分利用。在試驗(yàn)2.4條件下,10g稻草經(jīng)預(yù)處理,用200m L水浸提得到的黑液(pH11在磁力攪拌下滴加1.0m ol/L HCl溶液至pH 2.5,有大量的絮狀沉淀(

17、為堿木素,將沉淀靜置24h,沉淀體積為62m L。堿木質(zhì)素的資源化利用有待進(jìn)一步研究。3結(jié)論將豐富的秸稈資源通過生物轉(zhuǎn)化得到酒精等能源物質(zhì)是當(dāng)前國(guó)際研究的熱點(diǎn)。鑒于天然木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)和成分的高度復(fù)雜性,如何經(jīng)濟(jì)有效地使木質(zhì)纖維素各組分分離并分別轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品是將其產(chǎn)業(yè)化的前提。目前較成熟的方法是采用稀酸水解,但需高溫高壓,酸對(duì)設(shè)備要求高,成本較高;通過酸堿處理比較,發(fā)現(xiàn)稀堿液(3%4%NaOH在較低溫度(126128下對(duì)稻草的組分分離效果好,對(duì)設(shè)備要求低;且由于堿去除難以生物降解的木質(zhì)素,使預(yù)處理后的物料酶解率高,有利于秸稈生產(chǎn)燃料酒精等的生物轉(zhuǎn)化。參考文獻(xiàn)1侯霖,薛冬樺,李濤,等.玉米秸稈

18、預(yù)處理及水解生成可發(fā)酵性糖J.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2007(1:32 -342許鳳,孫潤(rùn)倉,詹懷宇.木質(zhì)纖維原料轉(zhuǎn)化燃料乙醇的研究進(jìn)展J.纖維素科學(xué)與技術(shù),2004(1:47-563M oniruzzaman M.Saccharification and alcohol fermentation ofsteam-exploded rice strawJ.Biores ource T echnology,1996(55:111-1174趙玉萍.稻殼對(duì)綠色木霉產(chǎn)纖維素酶的影響J.中國(guó)糧531第24卷第6期葉生梅等稻草秸稈的預(yù)處理及發(fā)酵乙醇的試驗(yàn)研究 油學(xué)報(bào),2006,21(6:18-21

19、5熊素敏,朱永義,左秀鳳,等.稻殼酶解制備還原糖的研究J.中國(guó)糧油學(xué)報(bào),2006,21(6:14-176沈萍,范秀容,李廣武.微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)M.北京:高等教育出版社,1999:2157張龍翔,張庭芳,李令媛.生化實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)M.北京:高等教育出版社,1997:1-38王玉萬,徐文玉.木質(zhì)纖維素固體基質(zhì)發(fā)酵物中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的定量分析J.微生物學(xué)通報(bào),1987, 14(2:81-839陳洪章,李佐虎.纖維素原料微生物與生物量全利用J.生物技術(shù)通報(bào),2002(2:25-2910羅鵬,劉忠.蒸汽爆破法預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料的研究J.林業(yè)科技,2005,30(3:53-5611楊雪霞,陳洪章,

20、李佐虎.玉米秸稈氨化汽爆處理及其固態(tài)發(fā)酵J.過程工程學(xué)報(bào),2001(1:86-89.Pretreatment for Ethanol Fermentation of Rice StrawY e ShengmeiXu PanjiWang Jianglin(Department.of biochemical Engineering,Anhui University of T echnology and Science,Wuhu241000AbstractAn effective pretreatment advantageous for the ethanol fermentation of rice straw was studied.The deter2 mined pretreatment procedure is as follows:blending rice straw and3%NaOH in s olid/liquid ratio of15(w/v,insu2 lating for5min at0.15MPa(126128,deflating.Results show:Through this pretreatment75.58%lignin in the straw can be rem oved.The enzymatic saccharification r

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