高底物浓度纤维乙醇同步糖化发酵工艺的比较.pdf

书书书?第?卷?第?期?化?工?学?报?年?月?研究简报高底物浓度纤维乙醇同步糖化发酵工艺的比较常?春?王?铎?王林风?马晓建?郑州大学化工与能源学院?河南 郑州?河南天冠企业集团有限公司?河南 南阳?关键词?乙醇?同步糖化发酵?玉米秸秆?真空分离?中图分类号?文献标志码?文章编号?收到初稿?收到修改稿?联系人及第一作者?常春?男?博士?高工?基金项目?国家?十一五?科技支撑项目?国家自然科学基金项目?引?言日益加剧的能源危机和环境污染?正迫使人们寻求新的可再生替代能源?纤维乙醇作为一种重要?的生物质替代能源?经过近?多年的发展?已经具备了实现工业化生产的潜力?为了进一步降低纤维乙醇的生产成本?开发更加高效?经济的工艺技术已成为当务之急?同步糖化发酵?是一种能将酶解糖化和乙醇发酵在同一反应器中同步实现的工艺过程?它具有解除底物抑制?提高酶解效率?简化发酵工艺?降低 染 菌 风 险?节 约 设 备 投 资 等 一 系 列 优点?然而?传统的?很难在高底物浓度下实现?这是因为?高底物浓度不仅导致机械搅拌和传质的困难?还会增大抑制物的浓度?降低发酵水平?如果采用较低的底物浓度?则又会造成发酵液乙醇浓度较低?增加后续精馏的能耗?因此?如何实现高底物浓度下的同步糖化发酵?并提高发酵液中乙醇的浓度?已成为需要解决的关键课题?为了解决高底物浓度对?的影响?有研究者提出分批补料发酵是实现高底物浓度?的有效方式?然而?原料浓度的提高可能会导致发酵性能的下降?因此?有必要开发新型的?工艺?此外?发酵耦合分离技术也是提高乙醇发酵效率的有效方式?如果将?与分离技术相耦合?将有可能 拓展?在纤维 乙 醇 中的 应 用?针 对?工艺特点?本文以蒸汽爆破玉米秸秆为主要原料?通过采用不同形式的?工艺?对其在高底物浓度条件下的发酵结果进行对比研究?为新型?工艺过程的开发和应用提供参考?试验材料和方法?材料蒸汽爆破的玉米秸秆为主要原料?蒸汽爆破条件?将?的玉米秸秆于压力?停留时间?条件下进行蒸汽爆破预处理?预处理后的原料于?下干燥至恒重?干燥后的原料呈松散颗粒状?主要组成为?纤维素?半纤维素?木 质 素?灰 分 及 其 他 成 分?纤 维 素 酶?滤 纸 酶 活?河南天冠企业集团有限公司提供?安琪耐高温型酿酒高活性干酵母?湖北安琪酵母股份有限公司?其他试剂为分析纯?酵母的活化称取活性干酵母?于?锥形瓶中?加入?葡萄糖水溶液?在?下复水?然后降低温度至?下活化?即可做接种酵母使用?发酵试验为了考察不同?发酵形式对纤维乙醇过程的影响?在前期研究的基础上?共考察了?种不同形式的?试验?试验原料除了汽爆秸秆外?培养基 的 其 他 组 成 包 括?所有的试验都在?机械搅拌发酵罐?中进行?每组试验进行两次?所得结果为试验平均值?试验?分别考察底物浓度为?质量?和?质量?的?实验?实验条件为?酵母接种量?质量?纤维素酶用量?秸秆?发酵温度?起始?搅拌转速?所有原料和酶一次性加入发酵罐内?同时接入活化酵母?并开始计时?定期取样进行分析?预酶解?试验?起始底物浓度为?质量?加入纤维素酶?秸秆?发酵罐升温至?进行预酶解?酶解?后?通冷却水降温至?同时加入其他培养基组分?组分同上述?试验?接入活化酵母?质量?发酵温 度?起 始?搅 拌 转 速?发酵过程中定期取样进行分析?预酶解补料?试验?起始底物浓度为?质量?加入纤维素酶?秸秆?发酵罐升温至?进行预酶解?并开始计时?当酶解?后?通冷却水降温至?同时加入其他培养基组分?组分同上述?试验?接入活化酵母?质量?发酵温度?起始?搅拌转速?分别在?加入?质量?的底物?使汽爆秸秆终浓度达到?质量?发酵过程中定时取样进行分析?预酶解?耦合真空分离试验?试验是在预酶解?的基础上?采用真空闪蒸分离耦合的方式进行发酵试验?首先采用预酶解补料?试验的条 件 进 行 发酵?起始 底物 浓 度 为?质量?当发酵罐中的乙醇浓度超过?时?开启真空分离系统进行乙醇分离?当乙醇浓度降低到?左右时?关闭真空分离系统?继续进行?发酵?发酵过程中?发酵罐始终保持常压?根据分离得到的乙醇体积?补无菌水至发酵罐?发酵期间定时取样分析?通过冷模预试验?确定真空分离系统的操作条件为?闪蒸罐压力?低温?化?工?学?报?第?卷?图?同步糖化发酵耦合真空闪蒸分离?冷却液循环泵的温度为?试验流程如图?所示?预酶解补料?耦合真空分离试验?采用预酶解?耦合真空分离试验的条件进行发酵?起始底物浓度为?质量?当发酵过程中乙醇浓度超过?时?开启真空分离系统进行乙醇分离?控制闪蒸罐压力?低温冷却液循环泵的温度?当发酵罐中的乙醇浓度降低到?左右时?关闭真空分离系统?根据分离得到的乙醇体积?补无菌水?并同时补料?使汽爆秸秆终浓度达到?质量?发酵过程定时取样分析?试验流程如图?所示?分析计算方法纤维素含量的测定采用质量减重法?乙醇浓度的测定采用重铬酸钾比色法测定?还原糖的测 定 采 用?二 硝 基 水 杨 酸?法?测定?乙醇得率的计算公式为乙醇得率?乙醇实际产量理论乙醇产量?试验结果与讨论?底物对?乙醇发酵浓度的影响为了获得较高的乙醇浓度?可以选择增大底物秸秆浓度的方法?试验中选取了?和?两种底物浓度进行了?发酵?底物浓度的结果如图?所示?从图中可以看出?前乙醇浓度增长速度较快?之后?乙醇浓度增速减慢?时乙图?过程中乙醇浓度随时间的变化?醇浓度达到最高?对应的乙醇得率为?整个发酵过程的还原糖浓度都低于?结果未列出?这表明酶解糖化得到的糖?能很快地被酵母利用?这也是?发酵过程的主要特征?在进行?底物浓度的对照试验时?试验起始阶段的物料基本处于固态?搅拌很难进行?在静置保温?后?物料在纤维素酶的作用下才开始液化?酶解液的黏度很高?在?的搅拌下?只有搅拌桨叶附近的物料才能被搅动?整个体系的传质效果很差?这说明?如果想进一步提高发酵底物浓度?传统的?过程将难以实现?预酶解对?发酵过程的影响纤维乙 醇?发 酵 过 程 中?由 于 酶 解 温 度?和发酵温度?不同?通常采用折中的温度?条件进行?这就造成糖化和发酵都不能在各自最佳的条件下进行?为了缓解该矛盾?可以采用预酶解的方法?即前期进行部分物料的酶解?然后再进入?发酵过程?本试验中?对比进行了预酶解?和预酶解补料?试验?试验结果如图?和图?所示?图?是预酶解?过程中?糖浓度的变化曲线?从图中可以看出?当汽爆秸秆经过预酶解?后?糖浓度达到了?接种酵母后?葡萄糖浓度迅速降低?时的糖浓度降低到了?以下?并基本维持不变?这表明?糖在预酶解后的?发酵中被迅速利用?由于采取了预酶解?发酵阶段的体系变得非常容易流动?体系的传质得到了明显改善?第?期?常春等?高底物浓度纤维乙醇同步糖化发酵工艺的比较图?糖浓度随时间的变化?图?预酶解?过程乙醇浓度随时间的变化?图?显示了预酶解?和预酶解补料?两个过程中?乙醇浓度随时间的变化曲线?预酶解后接入活化酵母后?乙醇的浓度增加很快?这主要是因为预酶解液中的糖浓度较高?酵母能很快将糖转化为乙醇?后?没有补料的?中?乙醇的浓度增长速度逐渐减慢?后趋于稳定?最大的 乙 醇 浓 度 为?乙 醇 得 率 为?而经过补料的?过程中?乙醇浓度持续增 加?达 到 最 大 值?此 时 乙 醇 浓 度 为?乙醇得率?对比?试验的发酵结 果?底 物 浓 度 同 为?时?经 预 酶 解?的乙醇浓度和乙醇得率分别增加了?和?这说明?经预酶解后的?要比传统的?更有优势?同样?经过预酶解后的补料?由于发酵体系黏度下降?原料可逐步加入发酵罐内?整个过程实现了?高底物浓度发酵的顺利进行?这表明?预酶解补料是实现提高底物浓度的有效方式?但在?的底物浓度下?尽管乙醇浓度增加了?但乙醇得率却下降了?这进一步说明?过高的底物浓度会导致发酵性能的下降?这与前人报道的现象一致?耦合真空分离对乙醇发酵浓度的影响发酵耦合分离技术是解除产物抑制?提高转化效率?获得高浓度乙醇的有效方式?在预酶解?试验的基础上?进一步将真空分离与发酵相耦合?分别考察了预酶解?耦合 真空 分 离和 预 酶 解?补料耦合真空分离?发酵结果如图?所示?图?预酶解?耦合分离过程乙醇浓度随时间的变化?图中显示?在底物浓度?时?当发酵至?乙醇浓度达到?以上?开启真空分离?乙醇的浓度快速下降至?左右?关闭真空分离?收集器得到的乙醇浓度可达到?发酵罐中的乙醇浓度随着?的进行持续升高?继续发酵的初始阶段?乙醇浓度迅速增加?表明酵母均仍处于代谢旺盛的阶段?当发酵时间达到?乙 醇 浓 度 趋 于 稳 定?最 大 乙 醇 浓 度 为?整个过程的乙醇得率为?较没有耦合真空分离的预酶解?提高了?为了考察更高浓度条件下的发酵情况?在真空分离后?同时进行一次补料?使发酵体系的底物浓度达到?从图?中看到?经过补料后?乙醇的浓度持续升高?发酵终了的乙醇浓度达到?乙醇得率为?该结果低于?浓?化?工?学?报?第?卷?表?不同?发酵结果的对比?度下的发酵结果?但高于不进行耦合真空分离的?底物浓度发酵试验结果?两种试验方式表明?发酵耦合真空分离有利于乙醇得率?促进秸秆乙醇的发酵过程?发酵结果对比分析进一步对?种不同形式的?进行对比?将各自条件下的发酵结果汇总于表?从表中可以进一步看到?原料经过预酶解后?均实现了高底物浓度的?发酵?这有利于提高发酵液中的乙醇浓度?但高浓度下的乙醇得率却低于同样条件下低浓度的乙醇得率?这表明原料的浓度不能太高?必须兼顾转化率进行选择?此外?在相同的底物浓度下?无论是否补料?预酶解?耦合 真 空 分 离 的 乙 醇 得 率 总 是 最 高?分 别 为?和?这表明?耦合分离能够有效减弱产物抑制?提高乙醇得率?同时?经分离得到的乙醇浓度达到?这也为后继蒸馏能耗的降低创造了条件?对比各种?的生产强度结果?预酶解补料?耦合真空分离的生产强度为?是?种 工 艺 中 最高的?结?论?传统的?很难实现高浓度的秸秆乙醇发酵过程?采用预 酶 解 补 料 是 实 现 秸 秆 高 浓 度?的有效 方 式?有 利 于 提 高 发 酵 液 中 的 乙 醇浓度?过高的秸秆浓度会造成乙醇得率的降低?通过耦合分离技术?有利于提高发酵水平?在相同的底物浓度下?无论是否补料?预酶解?耦合真空分离的乙醇得率总是最高?分别为?和?这表明?耦合分离能够有效减弱产物抑制?提高乙醇得率?当原料浓度为?时?采用预酶解补料?耦合真空分离工艺的乙醇得率最高?生产强度为?也是?种?工艺中最高的?表明该工艺是一种有潜力的高底物浓度?新工艺?赖 智 乐?常 春?马晓建?农业工程学报?刘 书 钗?制 浆 造 纸 分 析 与 检 测?第?期?常春等?高底物浓度纤维乙醇同步糖化发酵工艺的比较?王 福 荣?酿 酒 分 析 与 检 测?王 冰 冰?夏 黎 明?杜风光?化工学报?化?工?学?报?第?卷?