CN101701225A - 一种以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法，其特征在于选择海藻加工废弃物，用硫酸或过氧化氢对原料进行预处理，加入纤维素酶和纤维二糖酶进行纤维素复合酶解，酶解液经过滤除去不溶性成分后，补充无机盐，接种酿酒酵母菌种，于厌氧条件下进行乙醇发酵。本发明的预处理过程改变了海藻纤维素的原有结构，促进了纤维素与降解酶间的作用机会，从而提高了纤维素的酶解效率；纤维素经过纤维素酶和纤维二糖酶的复合酶解作用，有效地解除了纤维二糖对纤维素酶的反馈抑制作用，提高了酵母菌可酵解性糖的含量，进一步提高了乙醇发酵的得率。
Description
技术领域
本发明涉及一种以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法。
背景技术
生物乙醇可以由不同的原料转化而来：含糖原料(甘蔗汁、糖蜜)，淀粉质原料(玉米、土豆)，纤维素类原料(木材、草、秸秆)。生物乙醇是一类环保可再生的生物能源，在燃料替代方面具有广阔的应用前景。目前国内外对于生物乙醇的研究主要集中在具有利用价值的原料的选择上，尤其是以玉米、甘蔗为原料生产的生物乙醇燃料在生产成本方面已经基本与汽油相媲美。但是这种大量的以人类所必需的粮食作物作为乙醇的生产原料，目前已经引起了世界粮食价格的显著波动。
随着海藻加工业的发展，红藻和褐藻类已被广泛应用于糖胶的提取，如褐藻胶、琼胶和卡拉胶，同时也会产生大量的海藻加工废弃物，其中就含有丰富的纤维素成分。目前仅有少部分的废弃物被进一步加工处理制成肥料或者下脚料，其余加工废弃物被丢弃排放，显然会对环境尤其是沿海生态造成影响。利用海藻及其加工废弃物开发生物质能具有巨大的资源优势，可以提高海藻加工的利用价值，减轻由于海藻工业的发展而造成的环境负担，同粮食、土地不存在竞争，拓宽了生物乙醇的原料范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法，它能弥补现有用来生产生物乙醇的原料来源和操作技术中的不足。
一种以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法，其特征在于选择海藻加工废弃物，用硫酸或过氧化氢对原料进行预处理，加入纤维素酶和纤维二糖酶进行纤维素复合酶解，酶解液经过滤除去不溶性成分后，补充无机盐，接种酿酒酵母菌种，于厌氧条件下进行乙醇发酵。
本发明的预处理过程改变了海藻纤维素的原有结构，促进了纤维素与降解酶间的作用机会，从而提高了纤维素的酶解效率；纤维素经过纤维素酶和纤维二糖酶的复合酶解作用，有效地解除了纤维二糖对纤维素酶的反馈抑制作用，提高了酵母菌可酵解性糖的含量，进一步提高了乙醇发酵的得率。
具体实施方式
本发明中所述的海藻加工废弃物为海藻化学工业中生产褐藻胶、琼胶、卡拉胶、甘露醇、碘或海藻糖胶过程中形成的含有纤维素的废弃物；所述的用硫酸或过氧化氢对原料进行预处理为：将海藻加工废弃物干燥并粉碎至20-80目后，加入重量百分浓度为0.1-2％的硫酸水溶液中，于115-121℃条件下反应0.5-1.5小时；或将海藻加工废弃物干燥并粉碎至20-80目后，加入体积百分浓度为0.1-1％的过氧化氢水溶液中，于40-50℃条件下反应6-18小时；所述的纤维素复合酶解为：向原料预处理后的反应液中加入市售纤维素酶和纤维二糖酶，加入量为每克海藻加工废弃物加入0.3-0.5ml纤维素酶、0.08-0.15ml纤维二糖酶，酶解反应pH为4.5-5.5，酶解温度40-50℃，酶解时间24-72小时；所述的无机盐为铵盐或硝酸盐；所述的乙醇发酵为：向酶解得到的反应液中接入其体积百分比为5-20％的酿酒酵母菌液，进行厌氧发酵，发酵温度为28-40℃，pH为4-6，发酵时间为24-48小时。
实施例1：用硫酸预处理，酶法水解
(1)酶制剂和菌种：纤维素酶购自山东杰诺生物酶有限公司，纤维二糖酶购自sigma公司，酿酒酵母购自市场上常见的安琪酵母。
(2)海藻加工废弃物的酸法预处理：以褐藻胶工业中形成的海带漂浮渣为原料，经烘干并粉碎至20-80目后，加入重量百分浓度为0.1％的硫酸水溶液至料液比为5％，在高压灭菌锅内于121℃处理1小时后，取出冷却至室温。
(3)纤维素复合酶解：向冷却好的原料预处理后的反应液中加入市售纤维素酶和纤维二糖酶，加入量为每克海藻加工废弃物0.4ml纤维素酶、0.1ml纤维二糖酶补水至料液重量百分比为2％，调节pH值为4.5，于50℃条件下搅拌反应48小时；
(4)乙醇发酵：向酶解得到的反应液中加入硫酸铵，使其在反应液中的浓度为13g/l，制成酵母菌发酵培养基，备用；用酵母菌基本培养基活化安琪酵母菌种，30℃条件下培养1天后，向发酵培养基中接入其体积百分比为10％的酿酒酵母菌液，在厌氧条件下进行发酵，发酵温度为30℃，pH值为4.5，发酵时间40小时。
在扫描电镜下观察可见，海藻加工废弃物原料的酸法预处理能够有效破坏海藻纤维素与其他成分的结合状态，从而提高了纤维素酶解后的葡萄糖得率，通过上述工艺，以褐藻胶工业中形成的海带漂浮渣为原料，最终葡萄糖转化率为31.9％，乙醇转化率为42％。
实施例2：用过氧化氢预处理，酶法水解
(1)酶制剂和菌种：纤维素酶购自山东杰诺生物酶有限公司，纤维二糖酶购自sigma公司，酿酒酵母购自市场上常见的安琪酵母。
(2)海藻加工废弃物的过氧化氢预处理：以褐藻胶工业中形成的马尾藻废渣为原料，经烘干并粉碎至20-80目后，加入体积百分浓度为0.2％的过氧化氢水溶液至料液比为5％，pH值为7.0，50℃反应6h。
(3)纤维素复合酶解：向冷却好的原料预处理后的反应液中加入市售纤维素酶和纤维二糖酶，加入量为每克海藻加工废弃物0.4ml纤维素酶、0.1ml纤维二糖酶，补水至料液重量体积比为2％，调节pH值为4.5，于50℃条件下搅拌反应24小时。
(4)乙醇发酵：向酶解得到的反应液中加入硫酸铵，使其在反应液中的浓度为13g/l，制成酵母菌发酵培养基，备用；用酵母菌基本培养基活化安琪酵母菌种，30℃条件下培养1天后，向发酵培养基中接入其体积百分比为10％的酿酒酵母菌液，在厌氧条件下进行发酵，发酵温度为30℃，pH值为4.5，发酵时间26小时。
通过上述工艺，以褐藻胶工业中形成的马尾藻废渣为原料，最终葡萄糖转化率为22.1％，乙醇转化率为40.5％。
如改用其它原料如巨藻废渣、紫菜废渣，均能取得类似的效果。
相对陆生植物而言，海藻中的木质素含量极低，因此利用海藻纤维素作为降解原料，其生产过程中可以省去对木质素的去除，避免了木质素降解产物对后续发酵的抑制作用；同时半纤维素的含量也处于较低水平，从而更加有效地提高可酵解性糖的产率以及后期酵母细胞的乙醇转化率。此外，海藻细胞壁中的纤维素也不像陆地植物纤维素那样会形成微晶结构，所以很容易被纤维素酶分解。本发明建立针对海藻纤维素结构特点的工艺，以最大限度地提高海藻纤维素的糖化和乙醇转化效率，可以促进以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的工业化生产。
Claims (6)
1.一种以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法，其特征在于选择海藻加工废弃物，用硫酸或过氧化氢对原料进行预处理，加入纤维素酶和纤维二糖酶进行纤维素复合酶解，酶解液经过滤除去不溶性成分后，补充无机盐，接种酿酒酵母菌种，于厌氧条件下进行乙醇发酵。
2.根据权利要求1所述的以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法，其特征在于所述的海藻加工废弃物为海藻化学工业中生产褐藻胶、琼胶、卡拉胶、甘露醇、碘或海藻糖胶过程中形成的含有纤维素的废弃物。
3.根据权利要求1所述的以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法，其特征在于所述的用硫酸或过氧化氢对原料进行预处理为将海藻加工废弃物干燥并粉碎至20-80目后，加入至重量百分浓度为0.1-2％的硫酸水溶液中，于115-121℃条件下反应0.5-1.5小时；或将海藻加工废弃物干燥并粉碎至20-80目后，加入至体积百分浓度为0.1-1％的过氧化氢水溶液中，于40-50℃条件下反应6-18小时。
4.根据权利要求1所述的以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法，其特征在于所述的纤维素复合酶解为向原料预处理后的反应液中加入市售纤维素酶和纤维二糖酶，加入量为每克海藻加工废弃物加入0.3-0.5ml纤维素酶，0.08-0.15ml纤维二糖酶，pH 4.5-5.5，酶解温度40-50℃，酶解时间24-72小时。
5.根据权利要求1所述的以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法，其特征在于所述的无机盐为铵盐或硝酸盐。
6.根据权利要求1所述的以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法，其特征在于所述的乙醇发酵为向酶解得到的反应液中接入其体积百分比为5-20％的酿酒酵母菌液，进行厌氧发酵，发酵温度为28-40℃，pH值为4-6，发酵时间24-48小时。
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