王培莉
(南昌市工業(yè)技術(shù)研究院,江西南昌 330006)
能源作為現(xiàn)代社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。石油、煤炭、天然氣等化石燃料在價(jià)格不斷上漲,正面臨資源枯竭的危險(xiǎn),以及隨著溫室氣體排放的增多導(dǎo)致全球氣侯變暖等一系列問(wèn)題的出現(xiàn),各國(guó)不得不加速發(fā)展替代能源,其中生物乙醇需求和發(fā)展尤為顯著。生產(chǎn)生物乙醇的原料,目前主要是糧食和糖料,存在成本高與民爭(zhēng)糧,爭(zhēng)地等問(wèn)題。從上世紀(jì)70年代起,許多國(guó)家開(kāi)始用谷物、甘蔗、甜高粱以及其它植物秸稈開(kāi)發(fā)可再生能源,用生物燃料替代車用汽油和柴油。在諸多的生物質(zhì)能源中,以甘蔗、甜高粱的秸稈加工燃料乙醇工藝最簡(jiǎn)單,也最經(jīng)濟(jì)合算,其前景最廣闊。
利用秸稈生產(chǎn)乙醇,首先要對(duì)秸稈降解,能后進(jìn)行乙醇發(fā)酵。由于秸稈成分和結(jié)構(gòu)的特殊性,導(dǎo)致其難以降解,所以如何降解秸稈一直是轉(zhuǎn)化利用秸稈的關(guān)鍵所在,本項(xiàng)目采用一種環(huán)境友好性的節(jié)能方法——生物法降解木質(zhì)纖維素,這樣可以避免酸堿廢棄物所造成的對(duì)環(huán)境的污染,也可以降低能耗。
圖 利用秸稈生產(chǎn)乙醇工藝設(shè)計(jì)
秸稈粉:玉米秸稈,經(jīng)粗粉碎干燥后用粉碎機(jī)粉碎,以40目篩過(guò)篩。
2.2.1 蒸氣爆破法預(yù)處理秸稈
稱取一定量的玉米秸稈粉,裝入蒸汽爆破裝置,通入高溫高壓蒸汽,在1.5MPa下維持6min后,收集渣液,水洗抽濾,測(cè)定濾液中的還原糖含量后計(jì)算糖產(chǎn)率。濾渣按干物料加入70u倌的纖維素酶進(jìn)行酶解,測(cè)定酶解所得的還原糖產(chǎn)量。濾渣經(jīng)系統(tǒng)方法測(cè)定半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的含量,計(jì)算各個(gè)組分的降解率。
2.2.2 壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)
購(gòu)買的12個(gè)菌種,接種培養(yǎng)4天,待菌落直徑達(dá)到3tin以上,在菌落的邊緣打一個(gè)小孔,初步確定其產(chǎn)酶活性大小,獲得幾株產(chǎn)酶優(yōu)勢(shì)菌種。將初篩的產(chǎn)酶活較高的菌種接種到復(fù)篩培養(yǎng)基中,培養(yǎng)7天后,進(jìn)行酶活測(cè)定。將白腐菌接入酸水解后的玉米秸稈渣,觀察白腐菌的生長(zhǎng)情況和測(cè)定木質(zhì)素降解效果,比較不同白腐菌降解木質(zhì)素的效果。經(jīng)過(guò)初篩、復(fù)篩,將篩得的降解木質(zhì)素效果最好的白腐菌菌種,通過(guò)對(duì)不同的接種量,不同的培養(yǎng)時(shí)間,不同固液比等條件考察,進(jìn)行固態(tài)產(chǎn)酶條件的優(yōu)化。
2.2.3 同步纖維素固相酶解與乙醇發(fā)酵
稱取一定量的經(jīng)稀酸低溫預(yù)處理后的秸稈殘?jiān)俳?jīng)白腐苗固態(tài)發(fā)酵處理后的秸稈粉,按物料秸稈粉干重加入70u幢的纖維素酶,初始液固比為6:1在35℃下進(jìn)行同步固態(tài)發(fā)酵,考察了接種量對(duì)乙醇產(chǎn)率的影響,接種量分別為 2.5%、5%、10%、15%、20%。
通過(guò)不同接種量接種于固態(tài)產(chǎn)酶進(jìn)行了研究,從圖可以看出水質(zhì)素過(guò)氧化物酶隨著接種量的增加而增加。
圖 接種量對(duì)產(chǎn)酶的影響
木質(zhì)素過(guò)氧化物酶在培養(yǎng)的前面幾天產(chǎn)酶量在逐漸升高,在第9天達(dá)到產(chǎn)酶高峰,能夠達(dá)到240u/kg,但是第10天產(chǎn)酶迅速降低,這是由于隨著菌種的生長(zhǎng),其活力下降,產(chǎn)酶效果不斷衰落。
圖 不同培養(yǎng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)酶的影響
圖 不同液固比對(duì)產(chǎn)酶的影響
隨著固液比的增加,木質(zhì)素過(guò)氧化物酶和錳過(guò)氧化物酶的活性都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì),當(dāng)液固比達(dá)到5:1后,其酶活增長(zhǎng)趨勢(shì)緩和。
以稀酸水解后的秸稈為原料,纖維素酶酶水解糖產(chǎn)率在4~24h內(nèi)增長(zhǎng)迅速,24h后產(chǎn)率變化趨于平緩,故酶解時(shí)間取24h為宜。
圖 纖維素酶解曲線
隨著接種量的增加,乙醇產(chǎn)率逐漸升高,在接種量為15%時(shí)最高,之后略有下降趨勢(shì)。
圖 接種量對(duì)發(fā)酵乙醇產(chǎn)率的影響
隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),在4天時(shí)達(dá)到最高,之后處于延緩水平,隨著酵母代謝生成的乙醇和其他產(chǎn)物濃度的增高,代謝產(chǎn)物對(duì)酵母的抑制作用將越來(lái)越大。
圖 發(fā)酵時(shí)間對(duì)乙醇產(chǎn)率的影響
[1]高德忠,王昌東,李麗華,等.燃料乙醇的性能及生產(chǎn)工藝.遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(2):23-26.
[2]黃忠乾,龍章富,彭衛(wèi)紅.農(nóng)作物秸稈資源的綜合利用.資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng).1999,15(1):32 -34.
[3]黃愛(ài)玲,周美華.玉米秸桿酶水解影響因素的研究.中國(guó)資源綜合利用,2004,8:25 -27.