稻草秸稈的預處理及發(fā)酵乙醇的試驗研究

1、稻草秸稈的預處理及發(fā)酵乙醇的試驗研究葉生梅許盼吉汪江林(安徽工程科技學院生物化學工程系,蕪湖241000摘要通過不同的化學試劑與“汽爆”組合處理稻草秸稈的試驗研究,確定了有效的預處理條件: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5.0%(V/V。關(guān)鍵詞稻草秸稈預處理纖維素纖維素酶發(fā)酵中圖分類號:T Q92

2、0.6文獻標識碼:A文章編號:1003-0174(200906-0133-04隨著能源問題的日益突出,人們對可再生能源越來越重視,加強對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)復雜而致密,通過有效的預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值的產(chǎn)品,是實現(xiàn)生物量全利用、降低成本的關(guān)鍵因素之一。而有效的預處理技術(shù)是組分分離的重要前提。已知的預處理方法有物理法、化學法、生物法等,但每種方法單獨使用預處理效果和成本都有待改進1-5。利用化學法和“汽爆”組合預處理,通過測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,預處理所用化學試劑均為分析純;釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae:實驗室保藏。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:上海精密科學儀器有限公司;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:基金項目:安徽省教育廳自然科學基金資助項目(20

4、03kj039收稿日期:2008-07-01作者簡介:葉生梅,女,1963年出生,高級實驗師,碩士,生態(tài)學蘇州凈化設(shè)備廠。1.2稻草預處理添加不同的酸或堿及過氧化氫溶于水中達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保溫一定時間,放氣。1.3預處理后稻草水浸提將預處理稻草稈50烘干,準確稱取1.000g 預處理干料,加50m L蒸餾水,室溫震蕩1h,過濾,測濾液中還原糖。1.4干基失重率將預處理材料用水洗至pH7.0,50烘干,稱重。干基失重率=(材料質(zhì)量-預處理后干料重/材料質(zhì)量。1.5酶解0.9/材料質(zhì)量。1.6培

5、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)基進行乙醇發(fā)酵。2009年6月第24卷第6期中國糧油學報Journal of the Chinese Cereals and Oils Ass ociationV ol.24,N o.6Jun.2009 1.8分析方法還原糖測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法7 (DNS法;纖維素、半纖維素、木質(zhì)素測定方法見文獻8;酒精含量測定采用氣相色譜法,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

6、;色譜柱為大口徑毛細管柱,色譜型號為G C7900,采用FI D氫火焰檢測器,載氣(氮氣流量40m L/ min,柱溫80,進樣器和檢測器溫度200。2結(jié)果與分析2.1不同處理試劑對稻草預處理可以看出:(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到32.79mg/

7、g,處理后秸稈中半纖維素含量最低,說明在該試驗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分離出來,處理后的秸稈粉碎呈絨絮狀,酶解率達86.13%,酶解效果最好。(4氨水屬于弱堿,在試驗條件下,4%NH3H2O 對木質(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9-10報道的蒸汽爆破法(即在不添加化學試劑,加熱到1.5MPa蒸汽壓力下,維持4 5min,放

8、氣的處理效果良好,在本試驗條件下(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,酶解率只有17.15%。(6文獻11報道H2O2與NH3H2O或NaOH作為組合處理試劑,汽爆處理秸稈。本試驗也對H2O2單獨處理和H2O2與其他試劑的組合處理進行了研究,結(jié)果表明,H2O2單獨處理對纖維素各組分幾乎無影響,酶解率也只有27.18%;由于H2O2為較強的氧化劑,對秸稈具有漂白作用,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不同處理試劑對稻草預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

9、/%木質(zhì)素/%酶解率/% 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,酶解率略有提高?？紤]到秸稈的預處理成本,以不添加H2O2為宜。結(jié)果表明,在本試驗條件下,NaOH對木質(zhì)素的去除較徹底,4%NaOH加熱“爆破”處理秸稈的酶解率達86.13%以上,是理想的稻草秸稈預處理劑。2.2不同濃度NaOH溶液預處理效果配制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,處理后分別測定失重率和酶解率(酶解條件與2.1相同。測定結(jié)

10、果見表2。表2不同濃度NaOH對稻草預處理的影響/% NaOH1%2%3%4%8%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)濟成本出發(fā),可選取3%NaOH處理。2.3保溫時間對稻草預處理的影響表3保溫時間對稻草預處理的影響/%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46,120r/min進行酶解糖化,酶解60h酶解反應液離心(3500r/min,15min上清液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至還原

11、糖濃度約10%,115滅菌20m in,接種酵母30發(fā)酵48h,測定發(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2.4條件下,10g稻草經(jīng)預處理,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(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一步研究。3結(jié)論將豐富的秸稈資

12、源通過生物轉(zhuǎn)化得到酒精等能源物質(zhì)是當前國際研究的熱點。鑒于天然木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)和成分的高度復雜性,如何經(jīng)濟有效地使木質(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下對稻草的組分分離效果好,對設(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1侯霖,薛冬樺,李濤,等.玉米秸稈預處理及水解生成可發(fā)酵性糖J.長春工業(yè)大學學報(自然科學版,2007(1:32 -342許鳳,孫潤倉,詹懷

13、宇.木質(zhì)纖維原料轉(zhuǎn)化燃料乙醇的研究進展J.纖維素科學與技術(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.稻殼對綠色木霉產(chǎn)纖維素酶的影響J.中國糧531第24卷第6期葉生梅等稻草秸稈的預處理及發(fā)酵乙醇的試驗研究 油學報,2006,21(6:18-215熊素敏,朱永義,左秀鳳,等.稻殼酶解制備還原糖的研究J.中國糧油學報,2006,21(6:14-176沈

14、萍,范秀容,李廣武.微生物學實驗M.北京:高等教育出版社,1999:2157張龍翔,張庭芳,李令媛.生化實驗方法和技術(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.微生物學通報,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,2002(2:25-2910羅鵬,劉忠.蒸汽爆破法預處理木質(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,李佐虎.玉米秸稈氨化汽爆處理及其固態(tài)發(fā)酵J.過程工程學報,2001(1:86-89.Pretreatmen

15、t 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 pr

16、ocedure 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 rate of the pretreated rice straw reaches82.78%at the fol

17、lowing condition:substrate2%,cellulase0.2%,pH4.8,0.2m ol/L H Ac-NaAc buffer s olution,tem perature46,hydroly2 sis time48h.The brew yeast Saccharomyces cerevisiae can grow on the saccharified liquid and convert the sugar into ethanol,producing ethanol liquid in concentration5.0%(V/V.K ey w ordsrice straw,pretreatment,cellulose,cellulase,fermentation國務院:采取大宗農(nóng)產(chǎn)品收儲等8措施穩(wěn)定農(nóng)業(yè)