稻草秸秆的预处理及发酵乙醇的试验研究

1、稻草秸秆的预处理及发酵乙醇的试验研究叶生梅许盼吉汪江林(安徽工程科技学院生物化学工程系,芜湖241000摘要通过不同的化学试剂与“汽爆”组合处理稻草秸秆的试验研究,确定了有效的预处理条件:稻草秸秆与3%氢氧化钠溶液(固液比W/V为15混匀,置0.15MPa(126128保温5min,放气。此预处理能使秸秆中木质素去除75.58%;秸秆酶解糖化率(2%底物,0.2%纤维素酶,pH4.8,0.2m ol/L醋酸-醋酸钠缓冲溶液, 46水解48h达82.78%;通过酿酒酵母将秸秆纤维素酶解糖化液发酵转化为乙醇,产乙醇浓度达5.0%(V/V。关键词稻草秸秆预处理纤维素纤维素酶发酵中图分类号:T Q92

2、0.6文献标识码:A文章编号:1003-0174(200906-0133-04随着能源问题的日益突出,人们对可再生能源越来越重视,加强对稻草这类可再生资源的高值利用研究具有重要的战略意义。稻草结构复杂而致密,通过有效的预处理和组分分离手段将稻草原料中的纤维素、半纤维素和木质素等分离并分别加工成有价值的产品,是实现生物量全利用、降低成本的关键因素之一。而有效的预处理技术是组分分离的重要前提。已知的预处理方法有物理法、化学法、生物法等,但每种方法单独使用预处理效果和成本都有待改进1-5。利用化学法和“汽爆”组合预处理,通过测定稻草组分分离情况和纤维素的酶解效率,探索稻草有效预处理途径及酶解液的乙醇

3、转化。1材料和方法1.1材料与仪器设备稻草:芜湖市东郊农村,干稻草切成12cm的小段;纤维素酶:无锡市雪梅酶制剂有限公司(酶活力80I UFPA/g,预处理所用化学试剂均为分析纯;酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae:实验室保藏。DSX-280B型高压蒸汽灭菌锅:上海申安医疗器械厂;722型分光光度计:上海精密科学仪器有限公司;SE NC O型旋转蒸发器:上海申生科技有限公司;BS-1E A型数显震荡培养箱:江苏金坛市杰瑞尔电器有限公司;SH B-型循环水式多用真空泵:郑州市上街华科仪器厂;SW-C J-2FD型净化工作台:基金项目:安徽省教育厅自然科学基金资助项目(20

4、03kj039收稿日期:2008-07-01作者简介:叶生梅,女,1963年出生,高级实验师,硕士,生态学苏州净化设备厂。1.2稻草预处理添加不同的酸或碱及过氧化氢溶于水中达到一定的浓度组合作为处理试液,称取稻草与处理试液混合,固液比15,拌匀,置高压蒸汽灭菌锅0.15MPa (126128保温一定时间,放气。1.3预处理后稻草水浸提将预处理稻草秆50烘干,准确称取1.000g 预处理干料,加50m L蒸馏水,室温震荡1h,过滤,测滤液中还原糖。1.4干基失重率将预处理材料用水洗至pH7.0,50烘干,称重。干基失重率=(材料质量-预处理后干料重/材料质量。1.5酶解预处理秸秆水洗至pH7.0

5、,50烘干后用粉碎机粉碎。称取一定量粉碎后干料和纤维素酶,加入pH4.8的0.2m ol/L醋酸-醋酸钠缓冲溶液,于45 48、120r/min进行酶解糖化反应一定时间,过滤,测滤液中还原糖。酶解率=(酶解产生的还原糖×0.9/材料质量。1.6培养基麦芽汁固体培养基6;酒精发酵培养基:酶解液浓缩至还原糖含量约10%;添加2g/L(NH42S O4, 1g/L K H2PO4。1.7菌种培养及发酵以麦芽汁斜面上培养2d的酵母为菌种转接到发酵培养基进行乙醇发酵。2009年6月第24卷第6期中国粮油学报Journal of the Chinese Cereals and Oils Ass

6、ociationV ol.24,N o.6Jun.2009 1.8分析方法还原糖测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法7 (DNS法;纤维素、半纤维素、木质素测定方法见文献8;酒精含量测定采用气相色谱法,发酵液经微孔滤膜过滤器过滤,滤液用于气相色谱分析乙醇浓度;色谱柱为大口径毛细管柱,色谱型号为G C7900,采用FI D氢火焰检测器,载气(氮气流量40m L/ min,柱温80,进样器和检测器温度200。2结果与分析2.1不同处理试剂对稻草预处理分别配制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。称取一定量的干稻草,分别与上述溶液混合,固液比15,拌匀后,取一份4%NaOH的处理室温放置7d,作为对比;将其余各处理样品置0.15MPa(126 128保温10min,放气。处理后分别测定水浸提还原糖、失重率、纤维素、半纤维素、木质素及酶解率(酶解条件:底物1%,纤维素酶0.1%,pH=4.8的0.2m ol/L醋酸-醋酸钠缓冲溶液,于46,120 r/min酶解24h过滤,测滤液中还原糖,并计算酶解率。预处理结果见表1。可以看出:(1与未处理比较,添加处理试剂处理稻草,酶解率均有所提高。(2用4%NaOH拌匀稻草室温放置7d的处理与

8、4%NaOH加热条件下(126128保温“汽爆”的处理效果差别明显,可见加热能加速破坏稻草秸秆纤维素的结晶度,使秸秆纤维结构疏松,加速木质素的溶解。加热提高了秸秆的预处理效率。(3在0.15MPa的蒸汽压力下(126128, 2%H2S O4、4%HCl处理后水提液中还原糖达到32.79mg/g,处理后秸秆中半纤维素含量最低,说明在该试验条件下稀酸能将原料中戊聚糖水解成单糖,而木质素仍留在秸秆纤维素中,处理后秸秆易粉碎,但处理后材料酶解率只有29.00%;而4%NaOH 处理的结果与此相反,能有效去除秸秆中木质素,半纤维素略有减少,这是由于一部分与木质素相连的半纤维素随着木质素的溶解而从秸秆中

9、分离出来,处理后的秸秆粉碎呈绒絮状,酶解率达86.13%,酶解效果最好。(4氨水属于弱碱,在试验条件下,4%NH3H2O 对木质素的去除有限,处理后秸秆的酶解率为29.84%,处理效果较差。(5文献9-10报道的蒸汽爆破法(即在不添加化学试剂,加热到1.5MPa蒸汽压力下,维持4 5min,放气的处理效果良好,在本试验条件下(即0.15MPa较低蒸汽压力“汽爆”用蒸馏水代替试剂,处理后秸秆半纤维素、木质素的量与未处理秸秆相当,酶解率只有17.15%。(6文献11报道H2O2与NH3H2O或NaOH作为组合处理试剂,汽爆处理秸秆。本试验也对H2O2单独处理和H2O2与其他试剂的组合处理进行了研究

10、,结果表明,H2O2单独处理对纤维素各组分几乎无影响,酶解率也只有27.18%;由于H2O2为较强的氧化剂,对秸秆具有漂白作用,经H2O2处理后的秸秆为米黄色,不加H2O2的处理秸秆为黄褐色。H2O2与表1不同处理试剂对稻草预处理的影响处理水浸提还原糖/mg/g干基失重率/%纤维素/%半纤维素/%木质素/%酶解率/%未处理稻草 1.45 1.536.2422.8111.679.46室温处理7d(对照 2.3237.858.4519.90 6.1265.56蒸馏水 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中国粮油学报2009年第6期 NaOH、NH3H2O、HCl、H2S O4的组合试剂处理效果与不添加H2O2的各试剂单独处理比较,处理后秸秆的纤维素、半纤维素、木质素组分含量相当,酶解率略有提高。考虑到秸秆的预处理成本,以不添加H2O2为宜。结果表明,在本试验条件下,NaOH对木质素的去除较彻底,4%NaOH加热“爆破”处理秸秆的酶解率达86.13%以上,是理想的稻草秸秆预处理剂。2.2不同浓度NaOH溶液预处理效果配制1%、2%、3%、4%、8%NaOH溶液,稻草与处理液的固液比15,0.15MPa压力(126128保温10min,放气,处理后分别测定失重率和酶解率(

13、酶解条件与2.1相同。测定结果见表2。表2不同浓度NaOH对稻草预处理的影响/% NaOH1%2%3%4%8%失重率19.533.943.644.948.7酶解率42.0260.1083.9586.1389.45从表2可以看出,随着NaOH浓度增加,失重率、酶解率提高。3%、4%NaOH处理效果相差不大;从经济成本出发,可选取3%NaOH处理。2.3保温时间对稻草预处理的影响取3%NaOH为处理液,稻草与处理液的固液比15,0.15MPa(126128处理,保温时间分别为2、5、8、10、15min,放气,另作一室温放置7d的处理对比,分别测定处理后秸秆的失重率、酶解率(酶解条件:底物2%,0

14、.3%纤维素酶,pH4.8的0.2m ol/L 醋酸-醋酸钠缓冲溶液,于46、120r/min进行酶解糖化,酶解60h,过滤,测滤液中还原糖,并计算酶解率、纤维素、半纤维素和木质素组分含量。测定结果见表3。室温放置7d的处理与本试验加热条件下(126128保温2min的处理效果相当,可见加热能加速破坏稻草秸秆纤维素的结晶度,使秸秆纤维结构疏松,加速木质素的溶解。从表3可看出,保温时间由5到15min,木质素的去除变化不大,保温5min木质素的去除率达75.58%。加热保温5min,在试验条件下酶解率达82.78%,所以保温时间可选取5min。表3保温时间对稻草预处理的影响/%保温时间/m in

15、失重率纤维素半纤维素木质素酶解率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室温7d(对照36.557.9820.45 6.9069.262.4利用酵母发酵酶解液产生乙醇取3%NaOH为处理液,稻草与处理液的固液比15,126128处理5min,放气,纤维素材料水洗至中性,50烘干,粉碎,加纤维素酶糖化,酶解条件(底物2%,0.3%纤维素酶,用稀HCl调pH至4.8,于46,12

16、0r/min进行酶解糖化,酶解60h酶解反应液离心(3500r/min,15min上清液旋转蒸发浓缩至还原糖浓度约10%,115灭菌20m in,接种酵母30发酵48h,测定发酵液中酒精含量为5.0%(V/V。2.5木质素的初步分离用氢氧化钠溶液加热处理稻草,能有效地去除木质素,预处理后的秸秆需要水洗至中性,水洗液中由于木质素溶于碱液,而使溶液呈黑色,若能将黑液中的成分(主要为木质素回收利用,既能避免环境污染,又使秸秆组分得到充分利用。在试验2.4条件下,10g稻草经预处理,用200m L水浸提得到的黑液(pH11在磁力搅拌下滴加1.0m ol/L HCl溶液至pH 2.5,有大量的絮状沉淀(

17、为碱木素,将沉淀静置24h,沉淀体积为62m L。碱木质素的资源化利用有待进一步研究。3结论将丰富的秸秆资源通过生物转化得到酒精等能源物质是当前国际研究的热点。鉴于天然木质纤维素的结构和成分的高度复杂性,如何经济有效地使木质纤维素各组分分离并分别转化为有用产品是将其产业化的前提。目前较成熟的方法是采用稀酸水解,但需高温高压,酸对设备要求高,成本较高;通过酸碱处理比较,发现稀碱液(3%4%NaOH在较低温度(126128下对稻草的组分分离效果好,对设备要求低;且由于碱去除难以生物降解的木质素,使预处理后的物料酶解率高,有利于秸秆生产燃料酒精等的生物转化。参考文献1侯霖,薛冬桦,李涛,等.玉米秸秆

18、预处理及水解生成可发酵性糖J.长春工业大学学报(自然科学版,2007(1:32 -342许凤,孙润仓,詹怀宇.木质纤维原料转化燃料乙醇的研究进展J.纤维素科学与技术,2004(1:47-563M oniruzzaman M.Saccharification and alcohol fermentation ofsteam-exploded rice strawJ.Biores ource T echnology,1996(55:111-1174赵玉萍.稻壳对绿色木霉产纤维素酶的影响J.中国粮531第24卷第6期叶生梅等稻草秸秆的预处理及发酵乙醇的试验研究 油学报,2006,21(6:18-21

19、5熊素敏,朱永义,左秀凤,等.稻壳酶解制备还原糖的研究J.中国粮油学报,2006,21(6:14-176沈萍,范秀容,李广武.微生物学实验M.北京:高等教育出版社,1999:2157张龙翔,张庭芳,李令媛.生化实验方法和技术M.北京:高等教育出版社,1997:1-38王玉万,徐文玉.木质纤维素固体基质发酵物中半纤维素、纤维素、木质素的定量分析J.微生物学通报,1987, 14(2:81-839陈洪章,李佐虎.纤维素原料微生物与生物量全利用J.生物技术通报,2002(2:25-2910罗鹏,刘忠.蒸汽爆破法预处理木质纤维素原料的研究J.林业科技,2005,30(3:53-5611杨雪霞,陈洪章,

20、李佐虎.玉米秸秆氨化汽爆处理及其固态发酵J.过程工程学报,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