吉 驪， 王永淼， 唐 勇， 劉志平， 蔣建新*

(1.北京林業(yè)大學 林業(yè)生物質(zhì)材料與能源教育部工程研究中心，北京 100083； 2.河北春蕾集團，河北 邢臺 054001)

·研究報告——生物質(zhì)能源·

糠醛渣直接同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇過程比較研究

吉 驪1， 王永淼1， 唐 勇1， 劉志平2， 蔣建新1*

(1.北京林業(yè)大學 林業(yè)生物質(zhì)材料與能源教育部工程研究中心，北京 100083； 2.河北春蕾集團，河北 邢臺 054001)

以糠醛渣為原料，直接同步糖化發(fā)酵(SSF)生產(chǎn)乙醇，并與水洗糠醛渣生產(chǎn)乙醇進行對比。通過考察不同條件來優(yōu)化同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)工藝條件，并分析表征了SSF過程中乙醇濃度和副產(chǎn)物濃度變化。優(yōu)化條件為：糠醛渣底物質(zhì)量分數(shù)10%，纖維素酶用量12%，無患子皂素質(zhì)量濃度0.5 g/L，酵母接種量7 g/L，同步糖化發(fā)酵乙醇得率達到其理論得率的93.1%。與水洗糠醛渣相比，糠醛渣直接SSF過程可將原料吸附的5.50%葡萄糖部分轉(zhuǎn)化為乙醇。水洗糠醛渣SSF生產(chǎn)乙醇所產(chǎn)生的副產(chǎn)物要遠低于糠醛渣直接生產(chǎn)所產(chǎn)生的副產(chǎn)物，添加無患子皂素可有效抑制糠醛渣同步糖化發(fā)酵過程中副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

糠醛渣；同步糖化發(fā)酵；乙醇；副產(chǎn)物；無患子皂素

利用可再生木質(zhì)纖維原料及農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)燃料乙醇已成為全世界研究熱點[1]，同時還能生產(chǎn)乳酸等高附加值產(chǎn)品[2]。糠醛是一種重要的化工原料，以農(nóng)林廢棄物為生產(chǎn)原料。糠醛生產(chǎn)過程中，伴有大量糠醛廢渣產(chǎn)生[3]，糠醛廢渣中含有較豐富的纖維素，幾乎不含半纖維素，是生產(chǎn)纖維素及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的潛在原料[4]。以糠醛渣為原料生產(chǎn)乙醇及其它化學品有許多的研究成果[5-9]，為糠醛渣的利用提供了一條途徑。在已報道的有關(guān)糠醛渣糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇或其它化學品的論文或?qū)＠校啡┰紫冉?jīng)過水洗去除其中的糖化發(fā)酵抑制物，而糠醛渣水洗過程中必然產(chǎn)生大量的廢水[10-11]。作者研究了糠醛渣直接同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇的條件，并與水洗糠醛渣原料的同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇進行對比，通過添加無患子皂素表面活性劑以降低抑制物的影響，以期為糠醛渣中的纖維生產(chǎn)乙醇提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原料與試劑

糠醛渣(水分質(zhì)量分數(shù)50.5%，河北春蕾集團)，選擇粒徑小于0.90 mm的顆粒于密封袋保存。水洗糠醛渣，將糠醛渣用去離子水洗滌至中性，壓濾，使水分質(zhì)量分數(shù)為54.2%，選擇粒徑小于0.90 mm的顆粒裝入密封袋備用。安琪釀酒活性干酵母，耐高溫型；夏實纖維素酶，酶活35 FPIU/g；2%葡萄糖溶液；10%氫氧化鈉；10%硫酸；無患子皂素，從無患子果皮中提取，實驗室自制，純度為76.7%；同步糖化發(fā)酵(SSF)培養(yǎng)基：1 g/L玉米漿，0.5 g/L磷酸氫二銨，0.025 g/L七水合硫酸鎂。

1.2 裝置

HZ-9212S型恒溫水浴搖床(常州捷中捷儀器制造有限公司)、L-550型臺式低速離心機(英泰儀器)、Waters 2695e型液相色譜儀、YXQ-LS-5型全自動滅菌鍋(眾泰達工業(yè))、Schneider型壓濾機、水解發(fā)酵瓶(自制)。

1.3 實驗方法

1.3.1 酵母的活化 取1 g干酵母投入已滅菌的50 mL 2%的葡萄糖水溶液中,在100 r/min水浴搖床上進行活化。36 ℃活化15 min后，降溫至34 ℃，活化60 min。

1.3.2 糠醛渣同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 稱取一定量的糠醛渣樣品和SSF培養(yǎng)基于100 mL自制發(fā)酵瓶中，達到一定底物濃度，并用水洗糠醛渣作對照。用質(zhì)量分數(shù)10%的硫酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)混合液的pH值至5.5后，121 ℃滅菌20 min，取出后以3.5～7.0 g/L接種量加入活化好的酵母、纖維素酶，以及無患子皂素在38 ℃、轉(zhuǎn)速130 r/min的條件下厭氧發(fā)酵。定時取樣，每次取約1 mL發(fā)酵液，離心分離。用于分析檢測葡萄糖濃度和乙醇濃度。

1.4 分析方法

糠醛渣及水洗糠醛渣中木質(zhì)素與纖維素含量依照美國可再生能源國家實驗室(NREL)標準方法測定。葡萄糖和乙醇濃度采用Waters2695e型液相系統(tǒng)進行分析，經(jīng)美國伯樂公司Aminex HPX-87H (300 mm×7.8 mm) 柱進行分離。柱溫65 ℃，示差折光檢測器溫度為30 ℃， 5 mmol硫酸流速為0.6 mL/min，進樣量1 μL。乙醇得率公式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 原料組分分析

表1為糠醛渣和水洗糠醛渣化學組成分析。在高溫稀酸條件下處理后，原料中的戊聚糖轉(zhuǎn)化為糠醛，因此糠醛渣中半纖維素含量很低，從而減少了半纖維素對纖維素酶解的空間阻礙作用。從表1可以看出，糠醛渣中纖維素占30.61%，含5.5%游離葡萄糖；水洗后的糠醛渣含纖維素33.08%，纖維素含量相對于絕干物料有所提高，但水洗過程卻損失了其中的游離葡萄糖。

表1 糠醛渣原料組成

1)以絕干糠醛渣質(zhì)量計calculated by the mass of dry furfural residues

2.2 同步糖化發(fā)酵條件對轉(zhuǎn)化過程的影響

糠醛渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的主要反應(yīng)條件為底物質(zhì)量分數(shù)、纖維素酶用量(以纖維素質(zhì)量計，下同)、酵母和皂素用量(具體見表2)，實驗通過固定其他條件研究某一反應(yīng)條件對糠醛渣發(fā)酵產(chǎn)乙醇的影響，結(jié)果見表3。在糠醛渣同步糖化發(fā)酵過程中，發(fā)酵72h后乙醇質(zhì)量濃度便可達到最大[12]。由表3可以看出，相同條件下水洗后的糠醛渣經(jīng)同步糖化發(fā)酵后的乙醇得率低于未處理的糠醛渣，這與未洗糠醛渣所殘留5.5%的葡萄糖有關(guān)。液相分析表明，發(fā)酵液中不存在游離的葡萄糖和纖維二糖(數(shù)據(jù)未給出)，說明酶水解產(chǎn)生的葡萄糖全部被利用。

表 2 不同反應(yīng)條件的確定

表3 不同條件下糠醛渣同步糖化發(fā)酵對乙醇及副產(chǎn)物濃度的影響

2.2.1 底物質(zhì)量分數(shù) 由表3可以看出提高底物質(zhì)量分數(shù)(5%～10%)，糠醛渣經(jīng)發(fā)酵后，乙醇得率隨之升高，這與原料中吸附的游離葡萄糖有關(guān)；而水洗糠醛渣發(fā)酵后的乙醇得率則隨底物濃度升高而降低，符合一般規(guī)律(底物濃度升高，體系黏度增加，影響傳質(zhì)效率，乙醇得率降低)[13]。糠醛渣和水洗糠醛渣同步糖化發(fā)酵過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物質(zhì)量濃度如表3所示。由表3可知，糠醛渣直接同步糖化發(fā)酵所產(chǎn)生的副產(chǎn)物質(zhì)量濃度要遠高于水洗糠醛渣，尤其是乳酸和乙酸要高出10倍左右。乳酸可能是其他干擾物導致測定值偏高，而乙酸則是原料殘留。在糠醛渣直接同步糖化發(fā)酵反應(yīng)體系中，底物質(zhì)量分數(shù)提高，發(fā)酵副產(chǎn)物濃度增加。

2.2.2 酶用量及酵母接種量 隨著酵母質(zhì)量濃度升高(3.5～7 g/L)，5%糠醛渣生產(chǎn)乙醇的最終得率卻有所降低(52%至46%)，10%水洗糠醛渣生產(chǎn)乙醇最終得率有一定升高(24.6%至31%)。降低酵母用量，有利于降低副產(chǎn)物的產(chǎn)生。此外，相同條件下若降低纖維素酶用量(6%至3%)，乙醇產(chǎn)率顯著降低。因此，需對纖維素酶用量進行深入研究。

2.2.3 無患子皂素用量 添加無患子皂素對5%底物質(zhì)量分數(shù)的糠醛渣發(fā)酵影響不大，而對10%底物質(zhì)量分數(shù)的水洗糠醛渣生產(chǎn)乙醇有一定的促進作用：最終乙醇質(zhì)量濃度由5.3 g/L提高至6.91 g/L，這與水洗糠醛渣反應(yīng)體系中的木質(zhì)素含量高有關(guān)。表面活性劑可以降低木質(zhì)素對纖維素酶的無效吸附。在這幾組發(fā)酵實驗中，乙醇最高得率在d1條件下獲得，其最終乙醇質(zhì)量濃度為10.61 g/L，乙醇得率可達61.3%。此外，添加無患子皂素表面活性劑可降低副反應(yīng)的發(fā)生程度。

2.3 纖維素酶用量對轉(zhuǎn)化過程的影響

在糠醛渣與水洗糠醛渣同步糖化發(fā)酵過程中，乙醇質(zhì)量濃度會隨加酶量的變化而改變。在底物質(zhì)量分數(shù)10%、酵母質(zhì)量濃度7.0 g/L條件下，纖維素酶用量對發(fā)酵的影響結(jié)果見表4。由表4可知，在相同的底物質(zhì)量分數(shù)及酵母濃度條件下，糠醛渣直接發(fā)酵后的乙醇質(zhì)量濃度隨著加酶量的增加有明顯提高，當加酶量由6%增加至12%時，最終乙醇質(zhì)量濃度由12.3 g/L提高到18.4 g/L。同樣，最終乙醇得率也由58.4%提高至93.1%，這對于乙醇發(fā)酵是十分有利的。但另一方面也說明糠醛渣中木質(zhì)素對纖維素酶有較大程度的無效吸附，導致用酶量比較大。由表4還可看出，在相同條件下，水洗糠醛渣乙醇發(fā)酵最終質(zhì)量濃度為10.09 g/L，低于糠醛渣直接同步糖化發(fā)酵的乙醇質(zhì)量濃度，說明糠醛渣中游離葡萄糖對乙醇濃度的貢獻不可忽視。

表4 加酶量對糠醛渣同步糖化發(fā)酵乙醇及副產(chǎn)物的影響

發(fā)酵過程副產(chǎn)物的檢測表明，糠醛渣直接同步糖化發(fā)酵所產(chǎn)生的副產(chǎn)物遠高于水洗糠醛渣。在乙醇發(fā)酵過程中，甘油在乙醇發(fā)酵起始過程中起重要作用[14]。甘油的產(chǎn)生是為了維持細胞內(nèi)滲透壓的穩(wěn)定，保持NAD+/NADH在酵母細胞中的平衡，其生物效應(yīng)是對低氧化還原電位的響應(yīng)[15]。從表4可以看出，甘油的濃度在不同發(fā)酵條件下波動較大。對比無患子皂素添加前后的結(jié)果可知，添加0.5 g/L皂素時，乳酸、乙酸、甘油的最終濃度較低，說明添加無患子皂素作為表面活性劑，可有效抑制未水洗糠醛渣同步糖化發(fā)酵過程中副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

3.1 原料的組分分析表明，糠醛渣含纖維素30.61%，木質(zhì)素44.34%，并且自身吸附有5.5%游離葡萄糖。經(jīng)水洗后可以提高纖維素含量，并去除部分抑制物，但游離葡萄糖也隨水洗過程而損失。

3.2 糠醛渣同步糖化發(fā)酵(SSF)生產(chǎn)乙醇的優(yōu)化工藝條件為：底物質(zhì)量分數(shù)10%，纖維素酶用量12%，酵母質(zhì)量濃度7 g/L，無患子皂素0.5 g/L。乙醇得率可達其理論值的93.1%。相同條件下經(jīng)水洗后的糠醛渣同步糖化發(fā)酵的乙醇得率低于未處理的糠醛渣，這與未洗糠醛渣殘留的5.5%游離葡萄糖有關(guān)?？啡┰苯油教腔l(fā)酵所產(chǎn)生的副產(chǎn)物遠高于水洗糠醛渣，添加無患子皂素表面活性劑可以有效減少副反應(yīng)的發(fā)生。

3.3 糠醛渣SSF生產(chǎn)乙醇過程中纖維素酶用量由6%提高至12%時，乙醇得率也由58.4%提高至93.1%，說明糠醛渣中木質(zhì)素對纖維素酶有較大程度的無效吸附。

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Comparative Study on Conversion Process of Furfural Residue for Ethanol Production by Simultaneous Saccharification and Fermentation

JI Li1, WANG Yong-miao1, TANG Yong1, LIU Zhi-ping2, JIANG Jian-xin1

(1.MOE Engineering Research Center of Forestry Biomass Materials and Bioenergy,Beijing Forestry University,Beijing 100083, China； 2.Hebei Chunlei Industrial Group Co.Ltd., Xingtai 054001, China)

Furfural residues and washed furfural residues were fermented to produce ethanol by simultaneous saccharification and fermentation (SSF). The combination factors (substrate mass fraction, dosage of cellulase, yeast andSapindussaponin) which affected the concentrations of ethanol and byproduct were optimized by the experiment. The yield of ethanol could reach 93.1% of the theoretical yield during SSF under the conditions of 10% substrate concentration of unwashed furfural residue, 12% cellulase, 0.5 g/LSapindussaponin and 7 g/L inoculum solution. The glucose of furfural residues (5.5%) were partly converted to ethanol compared with washed furfural residues. The byproducts (lactic acid, glycerol and acetic acid) concentrations of washed furfural residue in SSF were lower than those of unwashed furfural residue. And the addition ofSapindussaponin could inhibit the produce of byproducts.

furfural residue; simultaneous saccharification and fermentation; ethanol;Sapindussaponin; byproduct

聯(lián)系地址:210042 南京市鎖金五村16號中國林科院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所電 話:(025)85482449,85482533聯(lián)系人:譚衛(wèi)紅傳 真:(025)85482450

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.06.002

2015- 06- 15

國家林業(yè)局重點項目(2012- 03)；國際科技合作專項(2014DFG32550)

吉 驪(1991—)，女，甘肅蘭州人，碩士生，主要從事生物乙醇方面的研究；E-mail:bjfu090524116@163.com

*通訊作者：蔣建新，男，教授，博士，博士生導師，主要從事林產(chǎn)化工及生物質(zhì)能源方面的研究;E-mail:jiangjx@bjfu.edu.cn。

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1673-5854(2015)06- 0006- 05