1、第37卷第1期 2 0 1 0年01月 酿 LIQUOR 酒 MAKING 文章编号：10028110(2010)01007703 Vo1371 Jan，2010 利用SSF制取纤维乙醇的工艺研究 王栋 ，常春。，王林风 ，闰德冉 (1河南南阳天冠集团，河南南阳473000；2郑州大学化工与能源学院，河南郑州450002) 摘要：利用同步糖化发酵(ssF)技术，以汽爆玉米秸秆为主要原料，对纤维乙醇的发酵工艺进行研究。玉米秸 秆经蒸汽爆破预处理后，酶解得率增大到850。进一步利用Box-Behnken实验设计方法，选取酶用量、发酵 温度和发酵时间为影响乙醇产率的主要因素，通过响应面分析得到了较优
2、的工艺条件：底物浓度15(wv)， 酶用量35FPUg(底物)，发酵温度37(3，发酵时间90h。在优化的工艺条件下，乙醇浓度为422gL，达到理论产 量的826。和分步糖化发酵(SHF)-T-艺结果比较，SSF具有更高的生产效率。 关键词：生物质；响应面分析；乙醇 中图分类号：TS2622；TS2614 文献标识码：B Study on production of ethanol by simultaneoussaccharification and fermentation from cellulose WANG Dong ，CHANG Chun2,WANG Linfeng ，YAN De
3、ran (1Tian Guan Grop of Henan province，Nanyang 473000，China；2School of Chemical Engineering of Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China) Abstract：The production technology of cellulose ethanol from steam exploded coin stalk by simultaneous saccharificafion and fermentation (ssF)was studied in thi
4、s paperAfter-pretreated by steam explosion，the hydrolysis yield of COin stalk increased to 850According to the design of BoxBehnken，enzyme amounts，temperature and time were chosen as three important factors，and the optimal conditions were achieved by response surface analysis(RSA)Result shows that t
5、he optimal conditions are enzyme amounts 35FPUg(materia1)， temperature37C，time 96hUnder the optimal conditions，the ethanol concentration can reach to 422gL,an yield of 826(related to theoretical restdt)Was obtmnedFurther comparison shows that SSF has higher productivity than SHF Key words：Biomass；Re
6、sponse surface analysis(RSA)；Ethanol 0引言 纤维素生物质的糖化和发酵是纤维乙醇生产的关键技 术。针对该领域，人们提出了多种糖化发酵技术，主要包括：分 部糖化发酵(SHF)、同步糖化发酵(SSF)、同步糖化共发酵 (SSCF)和联合发酵(CBP)技术等。由于后两种糖化发酵技术 需要高效稳定的基因工程菌作为保障，因而仍处在试验阶段。 从工业化生产的角度看，SHF和SSF最有望率先在工业化生 产中得到应用。而SSF与SHF相比，具有工艺简单，设备投资 省，可消除酶解抑制、减少外部污染，提高了生产效率的优 点，因而近年来越来越受到重视l3J。 自2005年以来，河
7、南南阳天冠集团开展了以秸秆为原料 进行纤维乙醇工业化示范厂的建设工作，与多家高校在纤维 乙醇的技术领域进行了广泛深入的研究。本文作为技术研究 收稿日期：200911-19 项目资助：十一五国家科技支撑项目(2007BAD66B04) 作者简介：王栋(1982一)，男，河南南阳人，硕士，天冠集团纤维乙醇项 目小试负责人联系地址：河南南阳建设东路天冠集团生物发酵有限 公司。 领域部分内容，以当地玉米秸秆为主要原料，开展了SSF发酵 工艺的试验研究，试验中采用BoxBehnken法对影响发酵的 重要因素进行了中心组合实验设计，确定了较适宜的工艺条 件，为进一步的放大实验研究提供参考依据。 1材料与方
8、法 。 11材料玉米秸秆取自南阳镇平，经自然干燥后进入粉碎 机粉碎后，秸秆粉碎后长度为515era，粉碎后的秸秆采用蒸 汽爆破方法预处理，预处理前后的组成见表1。 12酶及酶解助剂 纤维素酶：里氏木霉液体深层发酵，酶活1IOFPUmL。 酶解助剂：金属离子溶液和表面活性剂混合液。 13主要仪器设备蒸汽爆破仪(自制)，Agilent液相色谱 仪，美普达分光光度计。 14实验及测定方法 141酶解在1L的烧杯中，加入经过蒸汽爆破预处理的玉 米秸秆，同时加入纤维素酶(25FPU底物)和酶解助剂(自 制)，使之达到设定的浓度，调节pH为48，50C条件下，搅拌 水解，酶解72h后计算酶解得率。酶解得率
9、按下式计算： 黎 第一期 雨良 酒 2010 酶解得率c ： 薯墓纂磊幸群 142乙醇发酵SHF发酵流程：50OraL三角瓶中装有200mL 酶解液，加入适量营养盐，使最终浓度为NH4SO 2g，L，Mg- SO47H20 03 ，KH2PO4 2SgL，CaC12 02gL。调节pH为 48，然后接人活化的耐高温活性干酵母，接种量为1(wv)， 封口后，置30C，120rrain恒温振荡培养箱内振荡发酵。 SSF发酵流程：500mL三角瓶中装有预处理后的秸秆，并 加入适量营养盐液，使最终浓度为NH4s0 2gL，MgSO“7H20 03sL，KH2PO4 25gL，CaC12 02蜀几。调节
10、pH为48，加入适 量的纤维素酶，然后以l(wv)接种量接入活化酵母液，封口 后，置3O，120rmin恒温振荡培养箱内振荡发酵 。 143测定还原糖含量测定采用DNS(3，5一二硝基水杨酸) 法；秸秆主要成份测定方法为洗涤法；乙醇和水解液成分分析 测定采用高效液相色谱(HPLC)测定目。 2结果与讨论 21预处理对物料组成及酶解率的影响 原料经过蒸汽爆破进行处理，处理前后的物料组成比例 n尢表1。 表1 汽爆前后玉米秸秆的主要组分比例 从表1中看到，汽爆后半纤维素含量明显下降。这是因为 在高温蒸汽作用下，半纤维素更易被水解为糖，随水解液流失目。 因此固形残渣的纤维素含量比例相应提高，而木质素
11、变化较 少。 对原料进行酶解试验表明，汽爆前秸秆基本不被纤维素 酶水解，保持了秸秆原有的形态，而经过汽爆后的玉米秸秆非 常易于水解，原料经72h酶解后，酶解液浓度明显变稀。 图1显示了不同底物浓度下酶解得率的变化规律。从图1 中看出，在酶用量一定的条件下，随着底物浓度的增加，酶解得 率呈下降趋势。这是因为在高底物浓度下，不仅造成酶解体系 传质的困难，还会由于产生较高浓度的葡萄糖，产生对纤维素 酶的产物反馈抑制作用。这两种因素将导致酶解得率降低【7】。虽 然低底物浓度的酶解得率较高，但考虑到低糖浓度的水解液 不利于乙醇发酵浓度的提高。综合考虑，可以选定质量体积分 数15作为合适的底物浓度，该浓度
12、下的酶解得率为850。 10 l5 20 25 底物浓度 图1 不同酶用量对酶解得率的影响 22 SSF工艺条件的优化 221 BoxBehnken实验设计 为了探寻SSF发酵工艺的优化条件，参考以前的预试验 结果，选取纤维素酶用量、发酵温度和发酵时间为三个考察因 素，每个因素取三个水平，试验采用BoxBehnken的中心组合 设计进行试验安排。根据相应的实验表进行实验后，对数据进 行二次回归拟合，得到包括一次项、平方项和交互项的二次方 程，分析各因素的主效应和交互效应，最后在一定水平范围内 求取最佳值嘲。实验因素和水平见表2。 表2实验因素水平表 酶用量的最佳值为x ，对应于自变量X ；温度的最佳值为 X2对应于自变量X：；时间最佳值为x ，对应于自变量x，。它们各 自的变换方程分别为：xl=(x 一30)10，X2=(x2-37y3，X，=(x，一72)24。 根据BoxBehnken实验设计方案，设计了15个试验点的 响应面分析实验，其中12个为析因点，3个零点，零点实验进 行了3次，以估计误差，试验方案和结果见表3。 表3 Box-Behnken设计表及实验结果 222二次回归拟合与方差分析 表3 回归方程偏回归系数的估计值 的如m 0 斟蹬篷鞋
