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糖的甜高粱秸秆的传质固态发酵工艺

关键词：固态发酵 动力学模型 甜高粱 糖

甜高粱茎秆固态发酵是一种具有成本效益的技术，生产生物乙醇。从甜高粱植物细胞的表面的内部糖转移的关键因素之一影响-荷兰国际集团的发酵过程，因为该系统发生在不存在游离水。糖从甜高粱到基片的表面的内部传质主要由糖浓度梯度。开发基于三个步骤的过程一个传质模型。考虑到甜高粱茎秆不同的组织结构，白糖调用两个参数表征组织结构差两个同步一级动力学模型来描述甜高粱糖转移过程。固 - 液萃取实验用于收集糖转移实验动力学数据。四个因素影响，包括糖的粒径，搅拌速度，温度和渗透压的传质进行了调查。结果表明，新修改的模型拟合​​以及白糖调不同品种甜高粱的动力学。这种模式可能是在优化甜高粱茎秆固态发酵很有帮助。此外，与基于在植物组织结构差异所添加的结构参数的动力学模型也可以用来描述任何活性物质的类型原料具有类似的化学组成和生物质结构的提取。
1.简介
化石能源和环境问题的枯竭一直专注于研究适合于乙醇生产[1-3]能源作物全世界的关注。甜高粱是作为非食品原料生产生物燃料吸引力，因为它很容易适应于不同的气候和土壤条件[4,5]，这是C4植物具有高光效，高发酵
糖，产量高绿量（20-30干吨/公顷）。它具有低要求对化肥，高效的用水量（1/3甘蔗和1/2的玉米），以及120-150天[6]生育期短。

固态发酵（SSF）已成为一个有前途的TECHNOL-术转化生物质转化为生物乙醇，由于其相对简单的过程，低能源消耗，低生产废水[5,7]。然而，SSF方法具有由于其特定的运行条件[8]的限制：它是一个异质系统而不自由水，和被污染的微生物的生长。

SSF的性能由许多因素的影响，诸如标准杆视察员大小，温度，搅拌速度和湿气影响[8]。在SSF技术，每个单独的甜高粱粒子可被视为一个单独的发酵单位。糖的质量传递
在每个单元是用于生产过程的优化的关键。不幸的是，糖的该系统中的质量转移尚未研究。

虽然没有游离水观察到SSF技术，糖质量传递发生在颗粒与水的水分在70％以上[9]。在每个颗粒单元，所述糖扩散是由标准杆视察的内部和外部之间的糖梯度驱动。因为甜高粱糖表观质量传递起源于每个微单元的加成物，糖转移甜高粱SSF方法的动力学通过固液萃取实验进行了研究。在本文中，影响糖转移甜高粱细胞的表面SSF各种因素进行了研究。这些因素包括颗粒大小，搅拌速度，渗透压和温度。

2.材料与方法

2.1。甜高粱

两个甜高粱品种进行使用。春天＃1是哈日，归属于河北沧州。 H110收获在河北石家庄。叶子和荚从鲜秸秆用手除去和茎贮存在环境温度下与BAC-teriostatic剂长期储存。所有的甜高粱是由农林河北省科学院学报谷子研究所优。甜高粱茎杆而不树皮切成筒为2，4，6，8，12，16毫米的高度。圆柱体的直径为约22±2毫米。

2.2。分析方法

总糖含量（葡萄糖，果糖和蔗糖）是全日空 - 裂解通过流动注射分析仪（FIA）（AA3，SEAL，德国）。三十克甜高粱颗粒的搅拌在用300ml蒸馏水，在室温下放置2分钟的混合器。将混合物超声处理15分钟。将澄清上清液用于测量糖的浓度。该实验进行一式三份。

2.3。固 - 液萃取实验

用300mL水将烧杯预热的水浴中30分钟，在实验温度。甜高粱颗粒（20克）加入到烧杯中，温育在规定试验温度，直到萃取实验结束。将烧杯盖上一片塑料薄膜，以避免水在实验过程中丢失的。一毫升溶液取出，以确定在指定时间糖浓度。实验条件是变化的，与6粒径（2，4，6，8，12和16毫米），四搅拌速度（100，250，500和750​​转），四种的渗透抽动压力（1.2，1.4表示，1.9，2.2 103千帕）和五个温度（20，30，40，50和60的LC）。所有实验重复一式三份。甜高粱糖分萃取动力学是由糖浓度溶液中的监测。

2.4。动力学模型

在这项研究中使用的动力学模型是以下列表。

两个同时一级动力学模型进行了说明由下式[10月12日]：

ç¼ç1D1ËK1TÞþÇ2D1ËK2第tð1Þ

其中C/ = C / C 1，C是在在提取过程的溶液中的溶质浓度，C是平衡溶质

浓度，C1/ = C1 / C1，C1是在溶液中的最终浓度溶质由于破碎和表面细胞单独，C/2 = C2 / C1，C2是在溶液中的最终浓度溶质由于完整细胞单独，K1（分1）是速率常数破碎和表面细胞和k2（分1）中的速率常数的完整细胞。

2.5。统计分析

模型参数通过非线性回归，使用数据分析软件来源8.5（产地Lab公司，美国）实验数据来确定。

3。结果与讨论

3.1。白糖调的甜高粱固态发酵模式

在对比液态发酵，没有连续液相中的SSF。 SSF涉及微生物在潮湿衬底在不存在游离水，这使得该系统从深层发酵（SMF）[13]完全不同的生长。在杂色克莱斯与水的水分在70％以上，糖转移从INTE-rior甜高粱的植物细胞，以表面被糖浓度梯度驱动。糖转移在一个甜高粱颗粒的示意图示于图1.从微镜下视图，通过植物细胞膜的糖转移从内部到基片的表面被CON-中心定位梯度驱动。糖转移的每个粒子发生地的三个步骤。第一个是从内部到植物细胞的外部糖迁移。第二移动到固体基底，植物细胞壁和植物细胞的表面上的液体相之间的界面。该接口被定义为液体膜。第三被溶解到表面上的主体液相。但是，它是如此之薄液膜。尽管该系统似乎是复杂的，动力学参数是由一个简单的扩散模式，因为整个系统的驱动力是糖浓度梯度说明。

酵母，酿酒酵母，生长在在颗粒表面的液体薄膜，并通过出芽无性繁殖。它没有延伸到气态区域或衬底象其它真菌[14]的内侧。可发酵糖甜高粱基片连续提取和酵母菌同时食用。

在SSF中，糖消耗量由传播和酵母的代谢产生的浓度梯度，其驱动连续糖扩散到颗粒的表面。在这

糖溶液3
糖

液膜2酵母
甜高粱的细胞

  1

图。 SSF系统在微观尺度和局部肿块运输过程甜高粱发酵过程1.结构。发生的过程是1，糖从植物细胞到基材表面的内部转移; 2，糖扩散通过液膜和由酵母消耗。 3，本体液相扩散。

纸我们模拟​​甜高粱细胞传质糖到表面通过扩散的一阶模型。

3.2。甜高粱秸秆的结构

甜高粱秸秆的茎皮和髓相当DIS-tinct其化学和结构组成[15]。他们也有不同的切削性[16]。茎皮和维管束具有长而灵活的木质纤维素纤维，而髓具有相对松散的纤维，并含有较多的实质细胞。我们假设，茎的不同结构可能影响糖的质量传递，所以甜高粱茎杆被按照不同的形态内的逻辑功能分离到两个区域。此基础上，在甜高粱茎秆细胞的不同的密度，我们就分开了甜高粱茎秆为两个区域。

该图被示于图2，与两个区域标记为A和B区A的百分比和B的组织是通过测量每个区的糖浓度和体重来确定。为了测试我们的假设，提取实验CON-涵道为每个区域。在图3，观察A区的传质速率和B是完全不同的。这一结果批准了我们先前的假设。因此，在甜高粱茎秆含糖传输速率不能算是如果整个秸秆均匀。根据从甜高粱茎秆组织的测量结果，两个同时进行的一级动力学模型的开发。该模型的方程如下。

图。 2.甜高粱茎的横截面（A区指的是结构紧凑，绿色颜色因含在茎叶绿体中。此外，在该区域中的维管束较小，组织结构致密。区域B是指柔软的结构，白色的秸秆，在这个区域中的维管束是更大的组织结构是稀疏的）。 （对于本图例中提及颜色的解释，读者可以参考这篇文章的网页版。）

100
80
％60
渗透性。
40
乙
20 A
整秆
0 100 200 300 400
0

提取时间，分

图。 A，B，整个秸秆3.提取动能。

两个同时一级动力学模型进行了说明由下面的等式：

ç¼ç1D1ËK1第tþÇ2D1ËK2第tð2Þ

其中C1和C2分别与A区和秸秆的比例湾

C1和C2的值由区的糖concentra-化和重量得以证实。不同品种的甜SOR-ghum有不同的价值观。在本文中，两个品种的甜高粱春天＃1和H110进行了调查。

首先，甜高粱的动力学模型使用春天＃1进行了研究。为了证实C1和C2的值，我们选择了30个茎测试糖浓度和重量的两个领域。其结果是，茎重量和糖75.24％，从区A作出了贡献，并从区域B.所以参数C1和C2中的两个同时一阶模型的其余部分由来自甜结构分析得到的数值被取代高粱秆。当我们研究了糖的利用的春天1＃甜高粱样品的质量传递的方程可被修改如下：

ç¼0:25 D，E K1第tþ0:75 D，E K2第tð3Þ

各种因素影响的糖转移甜SOR-ghum的SSF由在以下部分中的修改后的模型进行了研究。

3.3。粒径的效果

不同颗粒的冲击大小2，4，6，8，12，在糖转移甜高粱茎杆16个毫米的影响。糖提取曲线不同甜高粱茎粒径示于图图4（a​​）。如可以看到的，较小的颗粒尺寸的秆达到平衡更快。类似的观察报告了够辣调幅[17]，谁研究了超声辅助提取油从石榴籽观察到，更小的颗粒尺寸缩短提取时间以达到最高的产率。作为粒径下降，与更短的距离，需要更短的时间从而缩短传质距离。此外，SMAL-LER大小还意味着更大的表面积暴露于溶剂。

在甜高粱秸秆糖的传质参数进行了计算和修改后的两个同步一级动力学模型。因为该样品是春天＃1，值C1和C2在这个等式中使用的是0.25-0.75。结果示于表1和图图4（a​​）。结果证明，该模型拟合数据非常好。拟合曲线的所有R2均大于0.99，除16毫米的也有0.964的高R2值。此外，参数k1和k2 describ-荷兰国际集团的提取率与粒径的增加而降低。结果表明，所述改性的动力学模型从糖转移在甜高粱嵌合的数据非常好。

3.4。搅拌速度的影响

使用的春天＃1 2毫米的样品，在30的LC搅拌速度对糖转移甜​​高粱的动力学的影响进行了研究。一系列的100，250，500，750的转速进行考察搅拌速度。结果，如图1中所示。图4（b），显示，提高搅拌速度加快了提取率。这是由于这样的事实，所述颗粒的表面上的糖可以DIF熔丝到溶液中更迅速地在搅拌下，和在所述颗粒的局部表面产生大的浓度梯度。

修改后的动力学模型以不同的搅拌速度的拟合结果示于表2的修饰的动力学模型显示优异的舒适感的实验数据。速度常数

图。 4.效果和颗粒大小（a）中，搅拌速度（二）温度（c）和渗透压（D）的过程中的糖提取甜高粱拟合结果。

表格1

具有不同粒径的改性动力学模型的拟合结果。

高（mm）K1（分1）K2（分1）R2渗透性
2 0.12 0.013 0.997 97.4
4 0.093 0.0087 0.998 90.6
6 0.059 0.0067 0.997 91.7
8 0.040 0.0044 0.994 93.1
12 0.033 0.0029 0.997 90.4
16 0.026 0.0017 0.964 85.9

h为甜高粱缸的高度。

表2

不同的搅拌速度，修改后的动力学模型的拟合结果。

转K1（分1）K2（分1）R2渗透性
0 0.12 0.014 0.988 96.8
100 0.15 0.015 0.992 96.6
250 0.18 0.018 0.998 99.7
500 0.34 0.019 0.996 99.9
750 0.38 0.021 0.982 98.7

RPM是搅拌速度：每分钟转数。

k1和k2的增加而增加搅拌速度。而且，随着颗粒大小的结果相比较，k1和k2两者的值增加一个数量级。结果表明
搅拌促进了糖的扩散以提高浓度梯度。因此，这提供了进一步的证据表明，在甜高粱转移糖的根本驱动力是浓度梯度。

3.5。温度的影响

使用的春天＃1 2毫米的样品温度对糖转移在甜高粱的动力学的影响进行了研究。一系列的温度20，30，40，50，60的LC是investi门控。结果示于图。图4（c）。结果表明，随着温度的升高加快了提取率。这归因于一个事实，即温度的升高促进糖的分子扩散。这个结果也证实了我们的动力学模型，这是基于扩散，是准确的。

修改后的动力学模型与不同温度的拟合结果示于表3中的拟合结果显示出良好的适合于实验数据（R2> 0.9）。另外，k1和k2的值随温度的在相同的程度的增加。再次指向的数据中的浓度梯度，作为糖转移的驱动力的差。

在相同条件下，其他的动力学模型通常使用在提取，例如第一阶动力学模型[18]是不太适合的实验数据。结果示
表3

与不同温度下的改性动力学模型的拟合结果。

T（LC）K1（分1）K2（分1）R2渗透性
20 0.089 0.0064 0.961 85.5
30 0.12 0.011 0.980 95.6
40 0.24 0.013 0.993 96.7
50 0.28 0.019 0.993 99.1
60 0.38 0.025 0.994 99.5

是恰当地描述糖转移不同品种的甜高粱。为在植物中提取模拟活性物质，不同的植物的特有的组织结构是概率-lematic研究者。基于考虑到不同的组织结构的动力学模型是显著从不同的植物研究的活性物质的提取动力学。

在补充表1中速率常数KOBS随温度的增加而增加。这意味着，提取率升高，当温度上升。然而，KOBS在40 LC的值是相同的LC 50。什么是文献报道[19,20]相比，这种现象是不同的。因此一级动力学模型不能充分描述温度方面的糖提取甜高粱茎秆。

3.6。渗透压的影响

使用的春天＃1 2毫米的样品，在30的LC渗透压对糖的反式FER在甜高粱的动力学的影响进行了研究。提取溶剂以0，1.2，1.4，1.9，2.2 103千帕，使用不同的渗透压。提取数据图。图4（d）。修改后的动力学模型拟合到从不同的糖浓度在溶剂中的数据如表4所示在高渗透压，所述动力学模型也显示出良好的贴合的糖转移在甜高粱。拟合曲线的所有R2均大于0.92。另外，k1和k2，由模型计算的值降低作为渗透压增高。结果表明，所述改性的动力学模型拟合实验数据良好。

在相同条件下，其他的动力学模型通常使用在提取，如二级动力学模型[21]，不适合的实验数据良好。结果示于补充表2的二阶模型的拟合结果较差，特别是为2.2千帕103渗透压。 R2的值仅为0.0282。在这种情况下，不能使用的第二阶模型。这一结果表明，二阶模型是不是一个很好的模型来描述的渗透压糖提取甜高粱秸秆的效果。

3.7。验证实验，不同品种的甜高粱

在我们的两个同时一级动力学模型，在组织的组合物的具体差异考虑在内。该模型可以根据STRUC-TURE的3.2节分析进行修改。为了验证该模型的预测能力，不同品种的甜高粱，附加萃取实验用于不同各种甜高粱在2毫米和30的LC进行，H110。 C1和C2是使用在第3.2节开发的方法来确定和CAL-culated值分别为0.31-0.69。使用C1和C2的这些特定值，装配到模型糖传送数据的R 2值是0.959。该结果证实我们的模型

表4

具有不同渗透压的改性动力学模型的拟合结果。

渗透压K1（分1）K2（分1）R2渗透性
（103千帕）
0 0.11 0.010 0.998 94.2
1.2 0.036 0.0058 0.985 85.1
1.4 0.032 0.0028 0.929 63.6
1.9 0.027 0.0020 0.945 55.8
2.2 0.0086 0.00089 0.959 40.1

四，结论

被开发了一个模型对糖转移甜​​高粱SSF颗粒。糖转移甜高粱的动力学是通过固 - 液萃取的实验研究。基于考虑到甜高粱，两个同时进行一阶模型有两个参数C1特定动力学模型的组织结构和C2描述组织不同-ENCE开发。该模型拟合苛求的数据以及在不同的条件。根据该模型，相对高的TEM-perature和搅拌有利于促进糖的从内部转移到甜高粱植物微粒外部。粒径是一重要因素，以传质通过降低扩散距离。

此外，该模型装好时，使用不同的各种甜高粱。证明该模型是在研究的活性物质的提取植物与SPE-cific结构显著。描述组织差异的参数可以根据研究系统进行修改。

致谢

这项工作得到了国家高技术研究发展计划（863计划2012AA101805），由国际三英 - tific和中国科学技术，北京科技新部的技术合作项目（批准号：2012DFG61720，2013DFA60470）支持支持伊诺 - 系统蒸发散开发基地项目（批准号：Z131109002813080）。我们也感谢农林河北省科学院学报谷子研究所友情提供的甜高粱SAM-PLE为我们的研究。