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化石能源的短缺以及化石燃料带来的一系列环境问题迫使人们着手开发其他绿色替代能源,包括核能、风能、氢能、太阳能、生物质能源等。在生物质能源中,生物乙醇作为绿色可再生能源,具有安全、洁净、环保的特点,有很好的发展潜力。近三十年,世界各国积极发展生物乙醇,通常以甘蔗、玉米为主,其次是薯类、高粱、小麦、糖蜜等。然而,不管是利用粮食作物还是非粮食作物,都会占用土地资源。藻类资源丰富,光合作用效率高,生长周期短,生物质数量巨大;而且,海藻对CO2有良好的固定和吸收能力,对净化大气、海水环境作用巨大。因此,利用现有的经济海藻资源生产生物质能源,对缓解人类面临的粮食、能源、环境三大危机有极大潜力。 本文以海带(Saccharina japonica)和江蓠(Gracilariasjoestedtii)为研究对象,通过分析两种大型海藻的基本化学组分评价其利用价值,重点研究通过优化预处理条件得到高含量的发酵性糖水解液。其中,为评价水解效果,建立了高效液相色谱(HPLC)蒸发光散射检测器(ELSD)检测海藻水解液中还原性糖的方法。在此基础上,初步探索了以海带、江蓠为原料,在基因工程菌E.coli KO11作用下发酵制备生物乙醇的方法。具体工作如下: 1、对海带和江蓠的基本化学组分进行分析,其中两种海藻纤维素含量分别为9.92%和0.83%,总糖含量分别为52.98%和88.71%,充分说明选用的海藻是优良的能源生物质,而较低的纤维素含量有利于原料的预处理。 2、采用常规加热法和微波加热法对原料进行水解预处理,在实验中使用了正交试验设计,对加热温度、酸浓度(v/v)、底物浓度(w/v)、加热时间4个因素进行优化。海带的关键影响因素为温度,其最佳水解条件为:热处理温度150℃、底物浓度1%、酸浓度1%、热处理时间15 min,最佳水解条件所得还原糖产率(相对于总糖)达到68.61%。江蓠的最佳水解条件为:热处理温度110℃、底物浓度3%、热处理时间30 min、酸浓度0.5%,最佳条件下还原糖(相对于总糖)产率达54.15%。 3、在海带预处理中,对比了两步酸水解和普通热酸水解对还原性糖产率的影响,结果显示了用于纤维素乙醇生产的两步酸水解法在海藻预处理方面无优势。另外,对比了最佳条件下非酶水解与混合酶水解的还原性糖产率,结果显示酶水解产率略高于非酶水解,无绝对优势。因此,从经济角度考虑,在海藻预处理过程中不采用酶水解的方法。 4、目前,藻基生物乙醇的研究大多数集中于预处理条件的优化、乙醇发酵条件的调控、菌种选育等,极少看到有针对海藻预处理液检测其中还原性糖成分与含量的报道。本次研究中建立了HPLC_ELSD方法检测预处理液中还原性糖的组分及含量,不仅可以鉴定水解的效果,而且将对之后发酵实验的可行性提供可靠的数据支持。在液相检测前,使用旋转蒸发和醇沉的方法对样品进行预处理,此做法在液相检测中达到了良好的效果,解决了基线漂移、杂质峰干扰等问题。 5、本次研究选用了ATCC保藏的Escherichia coli KO11作为发酵乙醇的菌种,并测定了其生长曲线。初步探究了不同物料比情况下,该菌种发酵海藻预处理液生产乙醇的情况,其中海带乙醇产量为0.23~0.26 g/g(干海藻),江蓠乙醇产量为0.26~0.29 g/g(干海藻);同时,通过检测发酵液中其他相关物质含量变化,分析了乙醇产量较理论产量以及与其他文献报道相比较低的原因,并提出了改进建议。