海藻化工残渣的乙醇转化技术研究

1、中 国 海 洋 大 学 食品科学与工程学院牟海津 第三届水产食品贮藏加工与质量安全控制新技术研讨会 暨海洋功能食品开发应用技术交流会 研究背景研究背景 能源危机 第一代生物质第二代生物质 陆生生物质海洋生物质 粮 食 纤 维 质 海洋生物质能开发：海洋生物质能开发： Marsh gas (methane) : Macrocystis Hydrogen : Marine green microalgae Bio-ethanol : Sargassum, Ulva, Macrocystis Bio-diesel : Microalgae 国家国家藻类藻类转化产物转化产物研究现状研究现状 日本日本马

2、尾藻马尾藻车用乙醇车用乙醇07年启动生物质能源年启动生物质能源OSP项目，预计到项目，预计到2020 年实现年产年实现年产200万万L的燃料乙醇的燃料乙醇 挪威挪威褐藻褐藻 乙醇乙醇可以实现转化，但是发酵条件不成熟可以实现转化，但是发酵条件不成熟 美国美国微藻微藻生物柴油生物柴油相当于每年每英亩生产相当于每年每英亩生产138吨生物柴油吨生物柴油 西班牙西班牙绿藻绿藻生物柴油生物柴油每天从每天从2m3 的水中生产的水中生产6kg “生态石油生态石油” 海藻特征性多糖 Marine special polysaccharides Specific depolymerization Marine o

3、ligosaccharides Chemical modification Exoglycosidases hydrolysis Neutral monosaccharides Ethanol transformation carrageenan alginate 单糖组成 硫酸基 糖醛酸 内 醚 卡拉胶酶卡拉胶酶 琼胶酶琼胶酶 褐藻胶褐藻胶 裂合酶裂合酶 Cytophaga sp. MCA-2 Alteromonas sp.nov.SY37-12 Vibrio fluvialis 51064 非专一性酶非专一性酶 海藻资源作为生物能源的优势 粮食安全，土地安全 结构特征：高碳水化合物、低木质

4、素 数量充足：800万吨/年（野生和种植） 清洁能源：吸收CO2，不产生额外的温室气体排放 保护生物环境：防止赤潮、绿潮等自然灾害 海藻加工废弃物利用：变废为宝，保护环境 原料原料-褐藻胶加工废弃物褐藻胶加工废弃物 海带 浸泡 消化 稀释 过滤 固体废渣固体废渣 排放污染环境 粗纤维、粗蛋白、粗纤维、粗蛋白、 半纤维素、灰分半纤维素、灰分 Na2CO3 粉碎 乙醇转化原料 褐藻酸钠 漂浮渣漂浮渣 按干物质计，海带的工业利用率仅为30%，还有 约2/3的海带成分尚未得到利用，不但浪费了大 量的自然资源，而且还带来一系列环境污染问题 乙醇发酵乙醇发酵 Step 3 预处理预处理 稀酸稀酸 离子液体

5、离子液体 原料制备与组分分析原料制备与组分分析 Step 1 Process Step 2 酶解制备可发酵单糖酶解制备可发酵单糖 Step 4 Ethanol 半纤维素中 单糖组分 甘露糖葡萄糖岩藻糖半乳糖木糖 含量（%）34.630.917.39.97.3 漂浮渣的化学组成漂浮渣的化学组成 (% 干重干重 w/w) 化学组分化学组分 组分纤维素半纤维素木质素 含量（%）27.312.513.0 半纤维素的单糖组成半纤维素的单糖组成 (%) 设计思路设计思路 纤维素的单一利用 预处理方式的优选 纤维素和半纤维素 共利用 褐藻残渣 新型传统 稀酸/过氧化氢 CSLF Ionic liquid -

6、 AMIMCl 纤维素的有效预处理纤维素的有效预处理 半纤维素的最大降解半纤维素的最大降解 酵母菌 E. coli KO11 稀酸 生物乙醇 生物乙醇 Company Logo 水解 方法方法 H2O2 硫酸预处理 粉碎 20-80 目目 方法方法 稀硫酸稀硫酸 pH: 自然自然 & 10.0 时间时间: 6-12h H2O2 浓度浓度: 0.2-0.5 % H2O2 预处理 纤维素酶纤维素酶 半纤维素酶半纤维素酶 时间时间: 0.5-1.5h 酸浓度酸浓度: 0.0-2.5 % 温度温度: 121 C 1 预处理预处理传统预处理方法传统预处理方法 CSLF预处理（预处理（Cellulose-

7、Solvent-based Lignocellulose Fractionation ） EthanolEthanol Ethanol Ethanol 磷酸浓度 处理温度 处理时间 Bioethanol EthanolEthanol 1 预处理预处理新型预处理方法新型预处理方法 AMIMCl预处理预处理 N-烯丙基烯丙基-3-甲基咪唑氯（甲基咪唑氯（N-Ally-3-methylimidazolium chloride, AMIMCl） AMIMCl 浸没渣体 充氮气 密封 磁力搅拌 至溶解 纤维素 再生 洗涤干燥 AMIMCl 回收 反应温度 反应时间 固液比 1 预处理预处理新型预处理方法

8、新型预处理方法 Company Logo 预处理方法I: H2O2预处理 Reducing sugar Glucose H2O2 pretreatment Analysis of hydrolysates Enzymatic hydrolysis 预处理方法II: 稀酸预处理 Company Logo 还原糖 Ocean University of China 优化结果：0.1%硫酸体系， 121反应1 h Sulfuric acid Pretreatment Analysis of hydrolysates Enzymatic hydrolysis 葡萄糖 预处理方法II: 稀酸预处理 褐藻

9、残渣经不同浓度的硫酸或盐酸水解后剩余固形物组分分析 预处理方法II: 稀酸预处理 2%硫酸或盐酸酸解褐藻残渣溶出物气相色谱图 A: 标准品 B: 2% H2SO4酸解褐 藻残渣溶出物直接衍生 化气相分析 C: 2% HCl酸解褐藻残 渣溶出物直接衍生化气 相分析 D: 2% H2SO4酸解褐 藻残渣溶出物TFA水解 后气相分析 E: 2% HCl酸解褐藻残 渣溶出物TFA水解后气 相分析 实现纤维素和半纤维素的共利用 预处理方法II: 稀酸预处理 海藻废渣或低值海藻 2%硫酸预处理 纤维素结晶度降低半纤维素最大化溶出 酶解：纤维素酶+二糖酶 酵母菌发酵基因工程菌K011发酵 甘露糖、木糖 乙醇

10、 图图 图 图图 预处理方法III: CSLF预处理 优化结果：85%磷酸浸没褐藻残渣， 于50反应60 min 预处理方式预处理方式油浴加热油浴加热微波辅助微波辅助 HSO3-pmim HSO4 辅助催化辅助催化 HSO3-pmim pTSA 辅助催化辅助催化 视觉评价视觉评价完全溶解 明显颗粒物 未溶解明显颗粒物未溶解明显颗粒物未溶解 气味评价气味评价温和气味刺激性气味较低刺激性气味较低刺激性气味 可回收性可回收性较易较易难难 AMIMCl 预处理的不同方式的特点 预处理方法IV: AMIMCl预处理 AMIMCl预处理中反应温度对褐藻残渣葡萄糖产率的影响 预处理方法IV: AMIMCl预

11、处理 AMIMCl预处理中反应时间对褐藻残渣葡萄糖产率的影响 预处理方法IV: AMIMCl预处理 AMIMCl预处理中反应的固液比对褐藻残渣葡萄糖产率的影响 预处理方法IV: AMIMCl预处理 优化结果： 固液比1:10，80下反应2 h 稀酸预处理和AMIMCl预处理褐藻残渣的扫描镜像 未处理样品稀硫酸处理样品AMIMCl处理样品 预处理方法的选择：扫描电镜分析 不同处理的褐藻残渣的X射线衍射（XRD）图谱 A 未处理样品 B 稀硫酸预处理样品 C AMIMCl预处理样品 14.8 16.3 22.6 20.3 21.2 预处理方法的选择：X射线衍射分析 褐藻残渣纤维素利用褐藻残渣纤维素

12、利用预处理方法的选择预处理方法的选择 小结：小结： 预处理方法预处理方法稀酸预处理稀酸预处理CSLF预处理预处理 AMIMCl 预处理预处理 对酶解效果对酶解效果 影响影响 较好较好最好 实验室水平实验室水平 可行性可行性 操作简易程序繁琐操作较简易 实验室水平实验室水平 可行性可行性 操作简易程序繁琐操作较简易 工业应用工业应用 现状现状 设备要求高 一体化、循环性 好 循环性好 2 酶解 酶解时间酶解时间 酵母菌发酵方式的研究酵母菌发酵方式的研究 分步糖化发酵 (Separate hydrolysis and fermentation, SHF )： 酶解96h后补充营养盐开始发酵 同步糖

13、化发酵 (Simultaneous saccharification and fermentation, SSF )： 需要筛选耐高温菌种 半同步糖化发酵 (Semisimultaneous saccharification and fermentation, SSSF)： 酶解24h后发酵 啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae ）SC、SY Escherichia coli K011 发酵菌种发酵菌种 3 乙醇发酵 不同发酵方式对酵母菌利用褐藻残渣产乙醇的影响 酵母菌发酵方式的研究酵母菌发酵方式的研究 3 乙醇发酵 Escherichia coli K011对单糖的发酵情况 不同温度对E. coli K011发酵木糖的影响 E. coli K011 24h转化 其它单糖的能力 Escherichia coli K011对单糖的发酵情况 所试验酵母菌对葡萄糖以外单糖的发酵能力较差，仅能够对甘露糖 和半乳糖进行低水平发酵； 同步糖化发酵（SSF）具有提高乙醇转化率和缩短发酵时间的优势， 实现褐藻残渣纤维素乙醇转化率 48.00%。 对于E. coli K011，可实现对多种单糖的发酵，特别是甘露糖、木 糖、半乳糖