文章信息
- 李志强, 费本华, 江泽慧
- Li Zhiqiang, Fei Benhua, Jiang Zehui
- 利用石墨化碳脱除竹材稀酸预处理液中的发酵抑制物
- Removal of Fermentation Inhibitors by Graphitized Carbon from Dilute Acid Pretreated Bamboo Spent Liquors
- 林业科学, 2016, 52(7): 113-120
- Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(7): 113-120.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160714
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文章历史
- 收稿日期:2015-04-17
- 修回日期:2016-02-29
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作者相关文章
木质纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资源,利用木质纤维原料经过生物炼制制备生物质能源和化学品是缓解当前世界能源危机和全球变暖的有效途径之一。木质纤维原料中纤维素占干质量的35%~45%,半纤维素占干质量的20%~40%,采用适宜技术将它们先水解成可发酵性糖,然后可进一步发酵生产乙醇、丁醇等能源产品,也可作为重要的工业原料,这将有可能改变传统的生产方式,对我国经济和社会的可持续发展意义重大。
木质纤维原料主要是由纤维素、半纤维素和木质素相互交织而成的复杂、难以降解而致密的结构体系,这种结构体系决定了任何一类成分的降解必然受到其他成分的制约,导致纤维素水解效率很低,因此需要对木质纤维原料进行预处理。预处理过程中常含有纤维素和半纤维素的降解产物及一些中和形成的盐类,如糠醛、5-羟甲基糠醛(HMF)、甲酸、乙酸、钠盐和硫酸盐等(Larsson et al., 1999a),其中乙酸、糠醛等对酵母发酵具有较大的抑制作用,乙酸、甲酸等可以抑制酵母的呼吸而减弱酵母的发酵能力(Laluce et al., 1993),呋喃醛类化合物对酵母的影响主要是抑制其生长,使延滞期增长,降低乙醇得率和产量等(Liu et al., 2004)。这些副产物通常称为发酵抑制物,而有效的预处理方法就是尽可能减少这些发酵抑制物的产生;此外,也可探寻可抵抗发酵抑制物的发酵微生物,或者探寻行之有效的从预处理液中脱除发酵抑制物的方法,使其降低到不足以影响酵母发酵过程的范围内(王岚等,2014)。
去除发酵抑制物的方法可分为物理方法、化学方法、生物方法和综合方法(薛珺等,2004;王永伟等,2009)。物理方法包括旋转蒸发、真空干燥浓缩、活性炭吸附、离子交换吸附及溶剂萃取等(Larsson et al., 1999b;Sandhya et al., 2013),化学方法包括中和法、饱和生石灰法和Na2SO3法等(张强等,2011;Carvalheiro et al., 2005;Martinez et al., 2001),生物方法包括酶法处理及微生物处理等(Palmqvist et al., 1997;Larsson et al., 1999b)。但上述方法都存在不足之处,如同时除去大量可发酵糖、成本过高、工艺复杂等,且单一的脱毒方法难以将多种抑制物完全清除。而综合方法则是根据实际情况联合多种方法进行脱毒。
活性炭属于无定型碳,是一种多孔碳,堆积密度低,比表面积大,具有较强的吸附特性。研究表明,氧化处理过的活性炭可以完全脱除硫酸盐溶解浆预水解液中的糠醛,而半纤维素脱除率达32.7%,脱除过程需要3 h(Liu et al., 2012);不同温度制得的活性炭对发酵抑制物的脱除效果也不相同,温度越高的脱除效果越好,但脱除过程同样需要数小时才能完成(Miyafuji et al., 2003)。石墨化碳(graphitized carbon)是具有一定石墨化度的碳材料,其层表面光滑,并具有石墨晶型结构,层间由微弱的范德华力结合,既可以吸附非极性和弱极性化合物,又可以吸附极性化合物, 对化合物表现出很广的吸附谱。石墨化碳因孔径大、疏水性能好、热稳定性和吸附性能高、脱附再生能力强等特点,在挥发性有机化合物吸附领域、用作填料柱分离化合物和去除色素等方面有着广阔的发展前景(朱玲玲等,2014;宋淑玲等,2008)。本文选用石墨化碳来脱除竹材稀酸预处理液中的发酵抑制物,并比较脱除前后的乙醇发酵收率,旨在为高效快速的脱除发酵抑制物工艺提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验材料和仪器4年生毛竹(Phyllostachys edulis),采自广西,磨成粒径小于2 mm的竹粉备用。葡萄糖、甲酸、乙酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、乙酸钠、磷酸二氢铵、氯化钙、硫酸镁、蛋白胨等均为分析纯;高温超级酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)购于湖北安琪酵母有限公司。
离子色谱仪(型号Metrohm 850),瑞士万通公司生产;高效液相色谱仪,大连依利特分析仪器有限公司生产;生物传感分析仪(型号SBA-40E),山东科学院生物研究所生产;恒温摇床;数控固相萃取系统(型号HSE-08A)及石墨化碳柱(规格1 000 mg/5 mL), 天津市威仪科技发展有限公司生产。
1.2 预处理液样品的制备取8 g绝干竹粉加入到100 mL水热合成反应釜中,加入50 mL水,再加入2%(w/w竹粉,即0.16 g)的硫酸。将水热合成反应釜置于烘箱中,升温至180 ℃后保持60 min,然后使其自然降温至80 ℃以下。取出水热合成反应釜,过滤,滤液即为含有发酵抑制物的预处理,保存于4 ℃环境中用于后续发酵抑制物的脱除试验。
1.3 预处理液的脱毒过程取含有发酵抑制物的预处理液1 mL,加入到装有1 g石墨化碳、体积为5 mL的小柱中,将小柱安装到固相萃取装置上,以空气为洗脱剂,调节洗脱流速,接收洗脱液,并用水系滤膜过滤后,取滤液用于分析。
向预处理液脱除后的固相萃取小柱中加入一定量的硫酸或乙醇溶液,调节流速,以回收吸附到固相萃取小柱中的发酵抑制物。
1.4 乙醇发酵过程配制3%的葡萄糖水溶液作为发酵液,用0.05 mol·L-1的乙酸/乙酸钠调节pH为5左右,再向其中加入下列无机盐(g·L-1):蛋白胨,5.0;磷酸二氢钾,2.0;硫酸镁,1.0;氯化钙,0.25。然后将溶液放入不锈钢蒸汽灭菌锅中121 ℃下灭菌处理20 min。取出后,分装到100 mL塑料瓶中,每瓶装30 mL,再分别加入脱毒后的预处理液。最后将活化好的酵母液接种到葡萄糖发酵液中,酵母接种量为葡萄糖的2%。各溶液置于摇床中开始乙醇发酵,控制温度为37 ℃、转速为150 r·min-1。为了提供一个厌氧发酵环境,瓶口用塑料膜(保鲜膜或封口膜)封口。发酵24 h后取样检测发酵液中葡萄糖和乙醇的含量。
在100 mL带盖塑料瓶中加入40 mL 2%的葡萄糖溶液,再向其中加入酵母粉。盖好盖子后置于38 ℃水浴中活化15~20 min,然后再放入33 ℃水浴中活化1.5 h。此过程为酵母的活化。
1.5 分析方法 1.5.1 石墨化碳性能表征采用美国Micromeritics Instrument Corporation 生产的ASAP2020型物理吸附仪测定比表面积和孔径分布,吸附气体为氮气(罗璇等,2008)。采用荷兰Panalytical公司生产的X PERTPRO型X-射线衍射仪(XRD)测定物相,Cu靶为射线源, 管电压为40 kV, 管电流为150 mA, 扫描角度为2°~ 60°, 扫描速度为 5(°)· min-1, 分辨率为0.02°。根据XRD图,采用梅林(J. Mering)和迈尔(J. Mai re)提出的数学模型计算石墨化度G(李崇俊等,1999):
$G = \left( {0.344 - {d_{002}}} \right)/\left( {0.344 - 0.3354} \right) \circ $ | (1) |
式中:0.344 nm是完全未石墨化碳材料的层间距,此数值是富兰克林根据经验规定的;0.335 4 nm是理想单晶石墨的层间距;d002是XRD图谱上由石墨主要特征峰002峰计算出的层间距;G表示具有理想石墨晶格结构的概率。
1.5.2 发酵抑制物的测定方法预处理液中主要降解产物包括糠醛、5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸、甲酸和乙酸,通过带有紫外-可见检测器的高效液相色谱系统进行检测。其主要条件如下:检测波长210 nm,Aminex HPX-87H(30 cm×7.8 mm)型分离柱及保护柱,柱温20 ℃,0.1% H3PO4作为淋洗液,淋洗速度0.7 mL·min-1,保持90 min(Shuai et al., 2010)。
1.5.3 糖类的测定方法预处理液中的主要糖组分采用带有安培检测器的离子色谱仪(Metrohm 850)进行测定,检测柱为Hamilton RCX-30糖分析柱,柱温20 ℃,2.0 m mol·L-1NaOH+0.5 m mol·L-1 NaAc的超纯水溶液,流速1.0 mL·min-1,保持60 min。
葡萄糖的转化率按下式计算:
$\frac{{发酵前葡萄糖质量 - 发酵后葡萄糖质量}}{{发酵前葡萄糖质量}} \times 100 \circ $ | (2) |
发酵液中的乙醇采用生物传感分析仪(SBA-40E)进行测定。仪器的精度为2%,每次分析3个重复样品,结果取其平均值。
乙醇的收率按下式计算:
$\begin{array}{l} 乙醇的收率\left( \% \right) = \\ \frac{{发酵后乙醇质量}}{{发酵前葡萄糖质量 \times 0.51}} \times 100 \circ \end{array}$ | (3) |
经XRD测定并计算可知,本文所采用的石墨化碳具有较好的石墨化度,G为90%。BET结果表明,石墨化碳吸附平均孔径为6.79 nm,脱附平均孔径为33.09 nm,BET比表面积为16.51 m2·g-1。石墨化碳的孔径分布如图 1所示。
本研究中预处理的原料为竹材,其抽提物含量较高,经过稀酸预处理后水解液中成分复杂,主要有竹材抽提物、寡糖类、单糖类和发酵抑制物等,其中发酵抑制物的组成及含量如表 1所示。
竹粉经稀酸预处理后水解液中的发酵抑制物糠醛和5-羟甲基糠醛是主要的醛类抑制剂,分别由五碳糖和六碳糖降解生成。醛类物质会抑制醇脱氢酶及糖酵解酶的活性,从而影响乙酰发酵。乙酸、乙酰丙酸和甲酸是主要的羧酸类抑制剂,乙酸由半纤维素中乙酸根基团水解形成,而甲酸和乙酰丙酸由糠醛和5-羟甲基糠醛进一步降解生成。抑制剂的种类主要与原料及预处理条件有关。Larsson等(1999a)研究了乙酸、甲酸和乙酰丙酸对酿酒酵母乙醇发酵的影响, 结果发现低浓度的弱酸(<100 mmol·L-1)可以增加乙醇得率, 而在高于这一浓度时乙醇得率则会降低。目前有关竹材预处理发酵抑制物的研究较少。SO2蒸汽爆破预处理巨竹(Bambusa balcooa)时,抑制物的生成量为糠醛0.3%、5-羟甲基糠醛0.1%和乙酸1.3%,抑制物的量较少,对酵母的乙醇发酵影响不大(García-Aparicio et al., 2011)。
2.3 不同流速对发酵抑制物脱除的影响以空气为洗脱剂,在不同流速下,含有发酵抑制物的预处理液流经石墨化碳柱后的脱除率如表 2所示。由表 2可以看出,石墨化碳对发酵抑制物有很好的脱除效果。当流速为1.0 mL·min-1时,糠醛和5-羟甲基糠醛的脱除率即可达到99%以上。当流速降低到0.2 mL·min-1时,5种发酵抑制物的脱除率都在99.7%以上,其中甲酸、乙酰丙酸和5-羟甲基糠醛在脱除后的溶液中未检测到,表明石墨化碳已几乎完全脱除掉了这3种物质。甲酸、乙酸和乙酰丙酸的脱除效果随着洗脱剂流速的降低而升高,尤其是乙酸的脱除效果最为明显,当流速为1.0 mL·min-1时,乙酸脱除率只有79.27%,而当流速降低到0.2 mL·min-1时,乙酸脱除率可达99.87%。流速对糠醛和5-羟甲基糠醛的脱除效率影响不大,如糠醛在本研究所采用的4种流速下,其脱除率均在99%以上。
图 2是预处理液分批次经过同一石墨化碳柱后预处理液中发酵抑制物的脱除效果。由图 2可以看出,石墨化碳并不是一次消耗品,可多次使用,使用5次后其脱除发酵抑制物的能力依然很高。在试验测定次数中,糠醛和5-羟甲基糠醛的脱除率保持稳定,都在99.6%以上,而甲酸和乙酸的脱除率随着使用次数的增加而略有降低。值得一提的是,乙酰丙酸的脱除率随着使用次数的增加先升高而后略有降低,原因可能是石墨化碳对乙酰丙酸的吸附有一个活化的过程,随着已吸附量的增加而导致脱除率略有降低。石墨化碳能反复使用,可大大降低成本,但具体使用次数需在后续研究中不断完善。
为了达到低能耗和环保的需要,不仅要求石墨化碳能反复多次吸附发酵抑制物,而且在吸附饱和后还应该可以脱附出发酵抑制物,使得石墨化碳能够再生使用。本研究采用硫酸和乙醇2种脱附剂来观察发酵抑制物的脱附过程。图 3所示为石墨化碳吸附发酵抑制物后经硫酸和乙醇吸附以再生出发酵抑制物的效率,再生脱附率为硫酸或乙醇洗脱出的发酵抑制物含量占石墨化碳中吸附的发酵抑制物总量的比值。
硫酸和乙醇脱附时,二者的流速均为0.8 mL·min-1。从强酸置换弱酸角度来讲,硫酸为强酸,而甲酸、乙酸和乙酰丙酸为有机弱酸,但从脱附效果来看,硫酸不能脱除石墨化碳吸附后的甲酸和乙酰丙酸,而硫酸虽然能洗脱出乙酸,但是效果也不佳,脱附率只有8.12%。从相似相溶方面来讲,5种发酵抑制物均为有机物,采用同样的有机物乙醇来洗脱吸附发酵抑制物,洗脱效果明显优于硫酸,其中乙酸和乙酰丙酸的脱附率可达30%左右,甲酸和糠醛的脱附率在10%左右,而5-羟甲基糠醛的脱附率只有0.85%。由此可以看出,5-羟甲基糠醛与石墨化碳的结合能力最强,这与前面所述的同等条件下石墨化碳吸附5-羟甲基糠醛的脱除率最高是一致的。
石墨化碳重复使用5次后,再用硫酸和乙醇来脱附再生,脱附效果较差,脱附效果较好的乙醇其脱附率也仅在30%左右。未来将侧重于如何使石墨化碳再生利用的研究,可采用其他有机溶剂脱附,如甲醇、丙酮等;还可以在一定温度下采用煅烧的方法,使吸附的发酵抑制物分解掉,或化合物置换等。
2.6 石墨化碳脱除发酵抑制物对预处理液中糖类的影响预处理液中除了含有大量的发酵抑制物外,还含有部分由纤维素和半纤维素衍生的糖类,包括低聚糖和单糖等。本研究将低聚糖完全水解成单糖后,再测定石墨化碳对单糖的损失效果,5种单糖为阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖和甘露糖,其结果如表 3所示。
由表 3可以看出,石墨化碳对发酵抑制物的脱除效果明显优于对单糖的损失效果。当含有单糖和发酵抑制物的预处理液通过新鲜石墨化碳萃取小柱后,发酵抑制物的脱除率均在97.8%以上(图 2),而单糖的损失率均在9.00%以内,其中阿拉伯糖和半乳糖几乎不受影响,葡萄糖的损失率为1.98%,木糖和甘露糖较高,分别为7.01%和8.80%。当第5批预处理液通过同一石墨化碳萃取小柱后,单糖的损失率明显提高,5种单糖的损失率均在12.00%以上,以甘露糖为最高,达24.14%;但竹材中的甘露糖含量很低,一般在0.5%左右,而且加上预处理过程中的降解,实际溶解到预处理液中的甘露糖含量更低。其他4种单糖经过5次脱除后,其损失率均在20.00%以内。
2.7 预处理液经石墨化碳脱毒后的乙醇发酵由于预处理液的糖含量较低,因此脱除发酵抑制物后的预处理液需先经过旋转蒸发器浓缩后再进行乙醇发酵。经过发酵后的乙醇收率如表 4所示。预处理液经石墨化碳脱毒后的发酵过程中,定时取样测定发酵液中葡萄糖和乙醇的质量分数。在开始发酵的前期,发酵液中的葡萄糖含量急剧下降,乙醇含量急剧上升。发酵24 h后,乙醇浓度达到最大值,而在发酵48 h后乙醇浓度略有下降,原因可能是酵母的消耗和乙醇的挥发导致的。可见,经石墨化碳脱毒后的预处理液在发酵24 h后即可完全消耗掉葡萄糖而生成乙醇。而经400~1 000 ℃制得的木炭脱毒后的预处理液发酵过程需要100 h左右(Miyafuji et al., 2003)。
预处理液经石墨化碳柱脱除发酵抑制物后,经旋转蒸发器浓缩,再经高温灭菌后直接用于乙醇发酵,其中参比试样分析纯葡萄糖在发酵后的乙醇得率为88.3%。石墨化碳连续脱毒5次后,每次脱毒后预处理液的乙醇收率都在74.1%~85.3%之间,其中发酵抑制物的脱除率为5种发酵抑制物总的脱除率,为脱毒后预处理液中发酵抑制物的总质量占脱毒前预处理液中发酵抑制物的总质量的比值。因稀酸预处理液中糠醛和5-羟甲基糠醛含量大于甲酸、乙酸和乙酰丙酸含量,因此总的脱除率均在99%以上。乙醇收率随着石墨化碳脱除次数的增加而略有降低;脱毒后的预处理液加入到底物的酶水解液中后,乙醇收率也略有降低,但影响不大。以石墨化碳第5次脱毒后的预处理液为例,加入到酶水解液中后,乙醇收率从90.5%降低到80.2%。发酵48 h后发酵液中均未检测到葡萄糖,表明水解液中的葡萄糖均已完全转化。
3 结论毛竹粉经稀酸预处理后得到的预处理液经石墨化碳脱毒处理后,可使预处理液中的5种发酵抑制物均减少97%以上。石墨化碳可多次使用,第5次使用仍可使5种发酵抑制物减少95%以上。石墨化碳对预处理液中的单糖损失影响不大,5种单糖损失率均在9.00%以内。经石墨化碳脱毒后的预处理液能用于乙醇发酵,其乙醇发酵后葡萄糖转化为乙醇的收率可达其理论值的85%以上。石墨化碳法是一种实用有效的预处理液脱毒方法,但为提高乙醇发酵收率,需进一步优化发酵工艺条件,并探索石墨化碳再生利用的方法。
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