CN104073524B - 一种富碳微藻固体酸糖化发酵制备燃料乙醇的方法 - Google Patents

一种富碳微藻固体酸糖化发酵制备燃料乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种富碳微藻固体酸糖化发酵制备燃料乙醇的方法。以富含碳水化合物微藻为原料，在固体酸作为催化剂的条件下，将经过离心浓缩的微藻培养液用高温液体水方法处理，然后发酵制备生产乙醇。本方法简单环保，微藻易得且生长快速，且微藻细胞内纤维素氢键较弱，更易被降解为单糖。利用微藻制备乙醇，突破了传统利用玉米、小麦等原料制备乙醇成本高的难题。

Description

一种富碳微藻固体酸糖化发酵制备燃料乙醇的方法
技术领域
本发明涉及生物能源制备的技术领域，特别是涉及一种利用微藻糖化发酵制备成乙醇燃料的工艺方法。
背景技术
可再生生物能源在当前的能源领域中显得越来越重要，而生物乙醇占有举足轻重的地位，如今化石液态燃料价格不断上涨，世界各国都需要生物乙醇来补充能源缺口，研究者们也都致力于开发生物乙醇的大规模生产工艺。目前世界上两个最大的生物乙醇生产国美国和巴西，都是以粮食作物为原料。世界各地的生物乙醇生产大多数以粮食作物为原料，需要占用大量耕地，而且粮食的消耗还会刺激食品价格上涨，带来诸多环境和经济问题。而第二代生物乙醇，即纤维素乙醇也面临着很多难以突破的障碍。开发以非粮作物作为原料的廉价生物乙醇是可再生能源领域一个备受关注的话题。
微藻作为单细胞或者简单多细胞光合微生物，广泛分布于各种环境中，能通过光合作用将太阳能、H2O、大气中的CO2转化为碳水化合物，存储于微藻生物质内。微藻的生长以大气中CO2为主要碳源，每生产1kg微藻生物质，可以固定1.83kg的CO2。为提高微藻的生长速率，减少温室气体的排放，人们通常利用工业废气(如烟道气、小苏打厂尾气等)中的CO2作为碳源。还有研究者们将微藻培养与废水处理结合起来，利用废水中富含氮、磷等元素的特点，在生产微藻生物质的同时处理废水。从80年代开始，在美国能源部的“水生物种计划”支持下，利用微藻生产燃料逐步成为全世界的研究热点并一直延续至今。近些年来，利用微藻制备乙醇，成为世界各研究机构、能源科技公司都研究的热点。
微藻与传统的制备生物乙醇的原料相比，具有资源更丰富、更易获得等优势。微藻有营养吸收快、光合效率高、生长迅速等特点。陆生植物的光合效率一般都低于0.5％，但微藻的光合效率最高可达10％。高效的光合效率使得微藻细胞的生长周期缩短，其生物质倍增时间平均为2—5天，而某些藻类仅为6个小时，能够在短时间内产生大量微藻生物质。通过人工控制条件，微藻养殖可以全年进行，大大提高了经济性,表明微藻在作为燃料乙醇原料方面具有很大优势。
微藻乙醇的原料是微藻生物质中的碳水化合物，主要包括淀粉、纤维素、半纤维素等。许多藻类如小球藻、衣藻、栅藻、螺旋藻等含有大量的纤维素和淀粉，有些微藻淀粉含量可与玉米、小麦等其它乙醇原料媲美。另外与其它木质纤维素植物相比，微藻细胞内木质素和半纤维素含量更低，而且与植物中的纤维素Iβ不同，微藻细胞内为纤维素Iα，其氢键较弱，更易被降解为单糖。
发明内容
本发明提供一种富碳微藻固体酸糖化发酵制备燃料乙醇的方法，
本发明技术方案是：以富含碳水化合物微藻为原料，在固体酸作为催化剂的条件下，将经过离心浓缩的微藻培养液用高温液体水方法处理，然后发酵制备生产乙醇。
本发明方法具体包括以下几个步骤：
(1)将经过离心浓缩的微藻培养液置于高温液态水处理装置中，加入水和固体酸，在温度为100℃—140℃下水解1-3小时；微藻干重和水的比例为1:5—1:50；加入的固体酸与微藻干重的比例为1:10—1:50；
(2)过滤并回收固体酸，将过滤后的微藻液用树脂吸附处理，在吸附处理后的微藻液中按每升微藻液加入0.5g(NH4)2HPO4、0.025g MgSO4·7H2O、1.0g酵母膏，加入Na2HPO4-柠檬酸缓冲液，调节反应体系的pH为4.5-5.5；
(3)向步骤(2)所得的反应体系加入纤维素酶20-40FPU/g底物酶量，50℃预水解12-24h；
(4)按5％(v/v)的接种量将酵母接种至反应体系中，30℃发酵60-120h，得到产物乙醇。
具体地，所述步骤(1)中的固体酸为生物质碳基固体酸碳基固体酸催化剂。所述碳基固体酸催化剂的合成方法如下：使用蔗糖、葡萄糖、淀粉等物质在温度180℃碳化制备碳架载体，再在100℃温度下通过磺酸化反应得到碳基固体酸催化剂。使用碳基固体酸催化剂可以避免酸腐蚀及产生大量的废水等不利环境因素，能够大降低生产所需成本。
具体地，所述步骤(4)中的酵母，优选为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)，取斜面保藏的Y2034菌株，用接种环挑取一环酵母菌体，接入到装有50mLYEPD液体培养基的150mL三角瓶中，放置于恒温摇床中，调节温度在30℃，都在150rpm条件下振荡培养12-24小时。接种到发酵培养基前，取相应体积的种子液8000rpm离心5min，倒掉上清，接种菌泥到发酵瓶中。酵母种子培养基YEPD(w/v)：蛋白胨2％，葡萄糖2％，酵母粉1％。
具体地，所述的富含碳水化合物微藻为碳水化合物含量占微藻干重的40％以上、淀粉含量占微藻干重的20％以上的高碳水化合物含量微藻品种。所述的微藻可以为室内外培养的微藻品种。
本方法简单环保，微藻易得且生长快速，且微藻细胞内纤维素氢键较弱，更易被降解为单糖。利用微藻制备乙醇，突破了传统利用玉米、小麦等原料制备乙醇成本高的难题。
本发明所采用的技术方案与现有技术相比，本发明的有益效果是以富淀粉微藻为原料，采用高温液态水处理、固体酸催化和酵母发酵制备乙醇的工艺。微藻与传统的原料小麦、玉米等相比，微藻细胞内木质素和半纤维素含量更低，且微藻细胞内为纤维素Iα，其氢键较弱，更易被降解为单糖。本发明为微藻生物质在生物质能源方面的应用提供了新的途径，而且固体酸可回收利用，简单环保。本技术为微藻能源化利用研究探索了新的研究方向。
具体实施方式
实施例中使用的固体酸为生物质碳基固体酸催化剂。所述碳基固体酸催化剂的合成方法如下：使用蔗糖、葡萄糖、淀粉等物质在温度180℃碳化制备碳架载体，再通过磺酸化反应得到碳基固体酸催化剂，磺化时间9小时，磺化温度为100℃。
实施例1：
(1)将经过离心浓缩的小球藻藻泥200g(干重40g)培养液至于高温液态水处理装置中，加入水体积为400ml，加入固体酸2g；反应釜温度为120℃水解80min。
(2)过滤并回收固体酸，将过滤后的微藻液用树脂吸附处理，除去微藻液中的糠醛等物质；往吸附处理后的微藻液中加入无机盐物质，按每升微藻液加入0.5g(NH4)2HPO4、0.025g MgSO4·7H2O、1.0g酵母膏，再加入Na2HPO4-柠檬酸缓冲液，调节反应体系的pH为4.5-5.5。
(3)向反应体系加入淀粉酶、纤维素酶分别40FPU/g，50℃预水解24h。
(4)按5％(v/v)的接种量将酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)NRRL Y-2034购自美国农业部北部地区研究室，菌株均斜面保存于4℃冰箱，(YPD液体培养基30℃培养24h活化)接种至反应体系中，30℃发酵72h。
最终得乙醇7.32g。
实施例2：
(1)将小球藻干粉30g培养液至于高温液态水处理装置中，加水至600ml，加入固体酸3g。反应釜温度为140℃水解60min。
(2)过滤并回收固体酸，将过滤后的微藻液用树脂吸附处理，除去微藻液中的糠醛等物质；往吸附处理后的微藻液中加入无机盐物质，按每升微藻液加入0.5g(NH4)2HPO4、0.025g MgSO4·7H2O、1.0g酵母膏，再加入Na2HPO4-柠檬酸缓冲液，调节反应体系的pH为4.5-5.5。
(3)向反应体系分别加入淀粉酶、纤维素酶30FPU/g底物酶量，50℃预水解18h。
(4)按5％(v)的接种量将酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)NRRL Y-2034购自美国农业部北部地区研究室，菌株均斜面保存于4℃冰箱,(YPD液体培养基30℃培养24h活化)接种至反应体系中，30℃发酵发酵120h。
最终得乙醇5.16g。
实施例3
(1)将经过离心浓缩的为微拟球藻干粉50g培养液至于高温液态水处理装置中，加入水500ml，加入固体酸5g。反应釜温度为100℃水解120min；
(2)过滤并回收固体酸，将过滤后的微藻液用树脂吸附处理，除去微藻液中的糠醛等物质；往吸附处理后的微藻液中加入无机盐物质，按每升微藻液加入0.5g(NH4)2HPO4、0.025g MgSO4·7H2O、1.0g酵母膏，再加入Na2HPO4-柠檬酸缓冲液，调节反应体系的pH为4.5-5.5。
(3)向反应体系分别加入淀粉酶、纤维素酶20FPU/g底物酶量，50℃预水解24h。
(4)按5％(v)的接种量将酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)NRRL Y-2034购自美国农业部北部地区研究室，菌株均斜面保存于4℃冰箱购自美国农业部北部地区研究室，菌株均斜面保存于4℃冰箱，(YPD液体培养基30℃培养24h活化)接种至反应体系中，30℃发酵发酵120h。
最终得乙醇9.21g。
实施例4：
(1)将小球藻干粉10g至于高温液态水处理装置中，加入水体积为500ml，加入固体酸3g；反应釜温度为100℃水解60min。
(2)过滤并回收固体酸，将过滤后的微藻液用树脂吸附处理，除去微藻液中的糠醛等物质；往吸附处理后的微藻液中加入无机盐物质，按每升微藻液加入0.5g(NH4)2HPO4、0.025g MgSO4·7H2O、1.0g酵母膏，再加入Na2HPO4-柠檬酸缓冲液，调节反应体系的pH为4.5-5.5。
(3)向反应体系加入淀粉酶、纤维素酶分别30FPU/g底物酶量，50℃预水解24h。
(4)按5％(v/v)的接种量将酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)NRRL Y-2034购自美国农业部北部地区研究室，菌株均斜面保存于4℃冰箱，(YPD液体培养基30℃培养24h活化)接种至反应体系中，30℃发酵60h。
最终得乙醇1.78g。
实施例5：
(1)将经过离心浓缩的小球藻粉40g培养液至于高温液态水处理装置中，加入水体积为200ml，加入固体酸6g；反应釜温度为120℃水解1800min。
(2)过滤并回收固体酸，将过滤后的微藻液用树脂吸附处理，除去微藻液中的糠醛等物质；往吸附处理后的微藻液中加入无机盐物质，按每升微藻液加入0.5g(NH4)2HPO4、0.025g MgSO4·7H2O、1.0g酵母膏，再加入Na2HPO4-柠檬酸缓冲液，调节反应体系的pH为4.5-5.5。
(3)向反应体系加入淀粉酶、纤维素酶分别30FPU/g底物酶量，50℃预水解24h。
(4)按5％(v/v)的接种量将酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)NRRL Y-2034购自美国农业部北部地区研究室，菌株均斜面保存于4℃冰箱，(YPD液体培养基30℃培养24h活化)接种至反应体系中，30℃发酵90h。
最终得乙醇7.25g。

Claims (3)

1.一种富碳微藻固体酸糖化发酵制备燃料乙醇的方法，以富含碳水化合物微藻为原料，在固体酸作为催化剂的条件下，将经过离心浓缩的微藻培养液用高温液体水方法处理，然后发酵制备生产乙醇；其特征在于：具体包括以下几个步骤：
(1)将经过离心浓缩的微藻培养液置于高温液态水处理装置中，加入水和固体酸，在温度为100℃—140℃下水解1-3小时；微藻干重和水的比例为1:5—1:50；加入的固体酸与微藻干重的比例为1:10—1:50；
(2)过滤并回收固体酸，将过滤后的微藻液用树脂吸附处理，在吸附处理后的微藻液中按每升微藻液加入0.5g(NH4)2HPO4、0.025g MgSO4·7H2O、1.0g酵母膏，加入Na2HPO4-柠檬酸缓冲液，调节反应体系的pH为4.5-5.5；
(3)向步骤(2)所得的反应体系加入纤维素酶20-40FPU/g底物酶量，50℃预水解12-24h；
(4)按5％的接种量将酵母接种至反应体系中，30℃发酵60-120h，得到产物乙醇；
所述步骤(1)中的固体酸为生物质碳基固体酸；所述生物质碳基固体酸的合成方法如下：使用蔗糖、葡萄糖或淀粉在温度180℃碳化制备碳架载体，再在100℃温度下通过磺酸化反应得到碳基固体酸催化剂。
2.根据权利要求1所述的富碳微藻固体酸糖化发酵制备燃料乙醇的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的酵母，在YPD液体培养基30℃培养24h活化后才用于接种。
3.根据权利要求1所述的富碳微藻固体酸糖化发酵制备燃料乙醇的方法，其特征在于：所述的富含碳水化合物微藻为碳水化合物含量占微藻干重的40％以上、淀粉含量占微藻干重的20％以上的高碳水化合物含量微藻品种。
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