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, MacrocystisBio-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尾藻马尾藻车用乙醇车

2、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 polysaccharidesSpecific depolymerizationMarine oligosaccharidesC

3、hemical modificationExoglycosidases hydrolysisNeutral monosaccharidesEthanol transformationcarrageenanalginate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.SY37-12Vibrio 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、低木质素 数量充足：800万吨/年（野生和种植） 清洁能源：吸收CO

4、2，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离子液体原料制备与组分分析原料制备与组分分析 Step 1ProcessStep 2酶解制备可

5、发酵单糖酶解制备可发酵单糖 Step 4Ethanol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CSLFIonic liquid - 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

6、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: 6-12hH2O2 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 C1 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-Solvent-based Lignocellulose Fractionation ）EthanolEthanolEthanolEthanol磷酸浓度处理温度处理时间Bioe

7、thanolEthanolEthanol1 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新型预处理方法Company Logo预处理方法I: H2O2预处理Reducing sugarGlucose H2O2 pretreatment Analysis of hydrolysates Enzymatic hy

8、drolysis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

9、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-pmimpTSA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

10、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

11、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14.816.322.620.321.2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

12、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