纖維素酶預處理玉米秸桿轉化燃料乙醇的效果研究

VoL 39 No. 1化工新型材料第39卷第1期NEW CHEMICAL MATERIALS2011年1月纖維素酶預處理玉米秸杄轉化燃料乙醇的效果研究余先純12李湘蘇3龔錚午2(1.岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎部,岳陽(yáng)414000;2.中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(cháng)沙41004;3.南華大學(xué)教務(wù)科衡陽(yáng)421002)摘要以玉米秸桿為原料,采用纖維素酶進(jìn)行預處理,然后發(fā)酵制備燃料乙醇。探討了預處理溫度、時(shí)間、酶解液用量及原料粒度對乙醇得率的影響。采用響應面法建立二次回歸模型,并對預處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化。研究結果表明:預處理能有效的促進(jìn)玉米秸桿的降解,提高乙醇的得率。在當預處理溫度為55.7℃、預處理時(shí)間為10.47h、酶解液用量為30.5U/g、原料粒度為80目時(shí),乙醇的得奉比相同條件下未進(jìn)行纖維素酶預處理的試樣提高了32.17%。關(guān)鍵詞燃料乙醇,纖維素酶預處理,響應面分析Effects of cellulase pretreatment for corn stalk to prepare fuel ethanolYu Xianchun,2 Li Xiangsu Gong Zhengw(1. Basis Department, Yueyang Vocational Technical College, Yueyang, 4140002. College of Material and Engineering, Central South University of Forestry andTechnology, Changsha 410004;3. Academic Administration, University of South China, Hengyang 421002)Abstract Fuel ethanol was made from corn stalk with cellulase pretreatment and fermentation. The effects of pre-treatment temperature time, particle size of corn stalk and dosage of cellulase on the ethanol yield were discussed. Thepretreatment process was optimized and analyzed with response surface methodology, and quadratic regression model wasfounded. The results showed that cellulase pretreatment could promote com stalk degradation and increased fuel ethanolld. The ethanol yield increased 32. 21% compared with the sample which had not pretreated, as pretreatment temperature was 55. 7C, pretreatment time was10 47h, the dosage of cellulase was 30. 5U/ g and the material particle size was 80grit.Key words fuel ethanol, cellulase pretreatment, RSM傳統的生物質(zhì)制備乙醇的工藝主要包括預處理、水解、發(fā)1實(shí)驗部分酵3個(gè)步驟。玉米秸稈主要成分為纖維素、半纖維素和木1.1原料與設備質(zhì)素,預處理的目的是降低纖維素的聚合度、結晶度,破壞木秸桿(河南鄭州農村);主要試劑均為分析純;生物酶主要質(zhì)素、半纖維素的結合層脫去木質(zhì)素等不利于發(fā)酵的成分,有:糖化酶(江蘇宏達酶制劑廠(chǎng)生產(chǎn));纖維素酶(肇東國科北增加有效比表面積2,提高乙醇的得率。開(kāi)發(fā)以玉米秸桿為方酶制劑有限公司生產(chǎn));酵母(廣東省湛江新天馬生物工程代表的各類(lèi)生物質(zhì)原料替代糧食制備燃料乙醇是未來(lái)解決燃有限公司生產(chǎn))。料乙醇原料成本高的有效途徑。1.2試驗方法目前,生物質(zhì)材料的預處理主要是用化學(xué)法,雖然能夠達1.2.1玉米秸稈的預處理到較好的效果,但仍存在一定的局限性,如操作危險、污染大將干燥的玉米秸桿粉碎過(guò)目篩,加入一定量的纖維素酶能耗高、對設備的耐腐蝕要求高等,近年來(lái)生物降解技術(shù)和蒸餾水在一定溫度下進(jìn)行處理一定時(shí)間后調整pH值后即因符合“綠色、環(huán)?！钡囊蠖l(fā)展迅速,但目前還未見(jiàn)有關(guān)為處理的實(shí)驗樣品纖維素酶預處理農作物秸稈制備燃料乙醇的報道。本研究采1.2.2用纖維素酶預處理玉米秸稈,以提高乙醇的得率,為今后生物中國煤化工溫,加入30U/g的纖質(zhì)材料制備燃料乙醇提供一個(gè)安全、環(huán)保的方法。維素酰CNMHG等,再用質(zhì)量分數為基金項目:湖南省教育廳科技項目(08D124)作者簡(jiǎn)介:余先純(1969-),副教授研究方向:生物質(zhì)材料與高分子材料聯(lián)系人;龔錚午,教授,研究生導師余先純等:纖維素酶預處理玉米秸桿轉化燃料乙醇的效果研究·111·26%的硫酸將pH值調至5.0。將裝有試樣的三角瓶置于恒溫36℃搖床上進(jìn)行發(fā)酵90h。將未經(jīng)過(guò)纖維素酶預處理的玉米秸桿粉在同樣的條件下進(jìn)行對比試驗乙醇的得率按照如下公式計算:乙醇得率二原料究壁線(xiàn)料到藝后醇理論值×100%(12840所2結果與討論2.1單因素試驗62在探索性實(shí)驗的基礎上考察纖維素酶預處理時(shí)間、預理溫度、原料粒度、纖維素酶的用量對乙醇得率的影響。酶液用錄g)2.1.1預處理溫度對乙醇得率的影響圖2酶液用量對乙醇得率的影響升高溫度能夠提高反應體系的活化能但太高的溫度又會(huì )使酶液失活。取玉米秸桿粉6g,加入蒸餾水和酶液使總酶3:當粒度超過(guò)80目后乙醇的得率變化較小,考慮到粉碎成量到達28U/g玉米秸桿粉在恒溫水浴振蕩器中、不同溫度下本,主張采用80目的比較合適反應8h,結果見(jiàn)圖1。由圖1可知,當溫度為45~55℃時(shí)隨著(zhù)溫度升高酶解液中的乙醇得率逐漸增加,并在55℃時(shí)得率達到84.3%;當溫度高于55℃時(shí),得率有降低的趨勢,這可能是由于高溫使部分酶失活導致預處理過(guò)程中降解的纖維素量減少所致4。原料度/日圖3原料粒度對乙醇得率的影響2.1.4預處理時(shí)間對乙醇得率的影響將原料粒度為80目的玉米秸稈,在溫度為55℃、酶液用預處理溫度/℃量為28U/g、的條件下,預處理不同時(shí)間后的試樣發(fā)酵制備乙圖1預處理溫度對乙醇得率的影響醇,預處理時(shí)間對乙醇得率的影響如圖4所示:在反應的初始階段,乙醇得率隨預處理時(shí)間的增加而迅速增加。當預處理2.1.2酶液用量對乙醇得率的影響時(shí)間為8h時(shí),乙醇的得率達到8138%;隨著(zhù)預處理時(shí)間的增酶液的用量直接關(guān)系到纖維素的降解速度、乙醇的得率加,乙醇的得率降低,10h時(shí)降低到80.11%。這是因為隨著(zhù)以及生產(chǎn)成本等問(wèn)題。在玉米秸桿中加入一定量的蒸餾水和酶化時(shí)間的增加,預處理反應體系中的部分已降解的纖維素不同量的酶液,置于溫度55℃恒溫水浴振蕩器中反應8h,結發(fā)生了自縮聚反應而減少了預處理過(guò)程中纖維素的降解果見(jiàn)圖2.由圖2可知,當酶液用量低于28Ug玉米秸桿粉量叮。因此,在本實(shí)驗條件下預處理時(shí)間選用8h時(shí),隨著(zhù)酶液用量的增加,乙醇得率明顯增加,但超過(guò)此值時(shí)乙醇的得率增加緩慢。這是因為增加酶液用量實(shí)際上是增加了酶液與秸稈粉的接觸面積,當酶液與秸稈的接觸面積達到峰值后,多余的酶液無(wú)法參與反應,因此乙醇的得率增加緩慢。2.1.3原料粒度對乙醇得率的影響原料粒度對乙醇得率的影響主要是由于機械粉碎可以破壞木質(zhì)素、半纖維素與纖維素的結合層降低三者的結晶度中國煤化工改變纖維素的結晶構造,有利于糖苷鍵斷裂5,從而增加預處THsCNMHG理體系中纖維素的降解量,同時(shí),粒度變小會(huì )使得與酶液的接觸面增大,從而增加乙醇的得率預處理時(shí)間h分別取粒度為40、60、80、100和120目經(jīng)過(guò)預處理的玉圖4預處理時(shí)間對乙醇得率的影響米秸桿粉在其它條件相同的情況下進(jìn)行對比試驗,結果見(jiàn)圖·112化工新型材料第39卷2.2響應面分析2.2.1響應面法試驗設計為了使水解工藝更加科學(xué)在單因素試驗的基礎上,根據Box-Behnken設計原則選擇預處理溫度時(shí)間和酶液用量等3個(gè)對玉米芯液化影響較大的因素以乙醇的得率為響應值,設計3因素3水平試驗來(lái)進(jìn)行響應面分析,如表1所示表1響應面試驗設計中的水平和編碼變量編碼編碼水平預處理溫度酶液用量U/g102預處理時(shí)間/h2.2.2多元回歸模型分析與驗證圖5預處理時(shí)間、溫度和酶液用量對乙醇得率根據試驗結果運用 Design-Expert7.1.6軟件進(jìn)行二次影響的三維響應面圖多元回歸分析,得到二次多元回歸方程:Y=37.1880.773.69A+3.38B+1.03C+1.45AB+0.97AC-0.77BC-9在本實(shí)驗條件下,通過(guò)對回歸方程求解得最優(yōu)工藝條件:31A2-6.30B2-3.11C預處理溫度為55.7℃、預處理時(shí)間為10.47h、酶液用量為同時(shí)得到如表2所示的模型與方差,其中模型的P值30.5U/g,反應體系中乙醇的得率為8.67%,在此工藝條件0.000.05,表現為顯著(zhù),而失擬項表現為不顯著(zhù),R為下,進(jìn)行驗證性試驗,三次實(shí)驗乙醇的平均得率為79.53%,與0.9553接近1這表明模型與實(shí)際情況基本吻合。且A2、B理論計算值非常接近和C2的系數均為負值,表明有最優(yōu)值3結論表2模型與方差用玉米秸稈制備燃料乙醇纖維素酶的預處理有利于提來(lái)源平方和自由度均方F值Prob>F顯著(zhù)性高乙醇的得率。預處理溫度、時(shí)間和酶液的用量等三因素對模型673.7974.8611.870.0070顯著(zhù)乙醇的得率影響較大,通過(guò)工藝優(yōu)化后,在預處理溫度為殘差31.5356.3155.7℃、預處理時(shí)間為10.47h酶液用量為30.5U/g的條件失擬項30.31310.1016.550.0575不顯著(zhù)下,燃料乙醇的得率比未經(jīng)過(guò)預處理的試樣提高了32.17%R2:0.9553參考文獻模型的響應面三維圖見(jiàn)圖5溫度、時(shí)間和酶液用量等三1]李陽(yáng),孫巖峰,張玉蒼玉米秸桿制乙醇預處理新工藝—“液因素的交互作用對反應體系中乙醇含量的影響非常明顯:隨化技術(shù)”[J食品科技,2009,34(9)123-127著(zhù)預處理溫度和時(shí)間的增加,乙醇的得率隨之增加,但在55℃[2]朱振興聶俊華,顏涌捷木質(zhì)纖維素生物質(zhì)制取燃料乙醇的化附近出現下降;而隨著(zhù)預處理時(shí)間的延遲和酶液用量的增學(xué)預處理技術(shù)[].化學(xué)與生物T程,2009,9(26):114[3] Rabinovich M L, Melnik M S. Bolobova A V. Microbial cellu-乙醇的得率不斷提高,在酶液用量為28U/g左右時(shí)達到峰lases( Review)[J]. Applied Biochemistry and microbiology值,繼續增加酶液的量,乙醇得率增加的趨勢減緩。同時(shí),圖52002,38(4):355-373.中也顯示,當酶液用量一定時(shí),過(guò)高的溫度又會(huì )導致乙醇得率[4]余興蓮,王麗,徐偉民纖維素酶降解纖維素機理的研究進(jìn)展降低。這可以解釋為:在較低溫度下,反應體系的活性較低].寧波大學(xué)學(xué)報,2007,1(20):7982.升高溫度和延長(cháng)反應時(shí)間可以提高反應體系的活化能并可[5]周建羅學(xué)剛蘇林纖維素酶法水解的研究現狀及展望[門(mén)化抑制一些副反應的發(fā)生,但較高的溫度和較長(cháng)的時(shí)間會(huì )使反工科技,2006,14(2):5156應體系中的副反應加速同時(shí)酶液在較高的溫度下又會(huì )失去6]靳振江纖維素酶降解纖維素的研究進(jìn)展U廣西農業(yè)科學(xué)活性,同樣降低酶解效果。此外,增加酶液用量實(shí)際上是增加2007,38(2):127-129.了酶液與玉米秸稈的接觸面積,從而能提高了乙醇的得率收稿日期:20100402但當酶液與秸稈的接觸面積達到一定量后,多余的酶液無(wú)法修稿日期:20101011參與反應,因此乙醇的得率增加緩慢》≯》】》》》》》》》衛衛》》》》》當3唐》》中國煤化工(上接第93頁(yè))[13CNMHG基甲酰胺水溶液的比較[12] Aminabhavi T M, Naik H G. Synthesis of graft copolymericmembranes of poly(vinylalcohol) and polyacrylamide for the收稿日期:20101201pervaporation separation of water/acetic acid mixtures [J]. J修稿日期:2010-12-15Appli Poly Sci, 2002, 83: 244-258.