大型海藻发酵产乙醇及其脱毒方法初步研究

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随着经济和社会的快速发展,人类对能源的需求量日益增加。目前,消耗能源的80%来自化石燃料,过度的开发和使用化石燃料带来了严重的环境问题和能源安全问题,寻找新的替代能源成为全球研发的焦点之一。燃料乙醇是目前最为成功的化石能源替代品。当前,燃料乙醇生产的原料主要是农作物,例如玉米、小麦、甘蔗等。随着燃料乙醇产业的迅速发展,农作物大量消耗,导致农产品价格上涨,带来粮食安全问题。   大型海藻作为一种海洋生物质资源,具有产量高、生长周期短、容易大规模养殖等优势,理论上其主要成分可被微生物利用产乙醇,是发展非粮乙醇的理想原材料之一。目前,与纤维素类乙醇的研究相比,以大型海藻为原料发酵生产燃料乙醇的研究相对较少,没有发展出与纤维素类乙醇相类似的理论体系。因此,关于海藻燃料乙醇还需要开展大量的研究工作。   本文以大型红藻石花菜为原料,以酿酒酵母为发酵微生物,重点针对红藻发酵过程中乙醇产率及其抑制物进行了初步研究。首先对石花菜溶液进行预处理,最大限度的将海藻多糖降解为可利用的单糖,通过研究发酵过程中乙醇、单糖、副产物的变化,证明了发酵液中存在的抑制物质是影响乙醇产率和发酵速率的主要因素之一;第二,采用半乳糖诱导活化酵母和分子筛吸附脱毒优化发酵工艺,提高乙醇产率和发酵速率。   实验结果表明,预处理石花菜溶液中的单糖基本上是由半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖等组成,另外,还含有抑制物5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛以及其它未知的抑制物质。HMF对酵母利用半乳糖有显著的抑制作用,其它抑制物的抑制效果相对较弱。发酵过程中,酵母优先利用葡萄糖,再利用半乳糖,不能利用阿拉伯糖;125℃酸与酶组合处理的水解液发酵效果最佳:乙醇浓度可达11.76 g/L,平均发酵速率为0.070g/L/h,乙醇产率为0.059 g(乙醇)/g(生物质),乙醇得率为0.400 g(乙醇)/g(己糖),理论上乙醇最高得率为0.511 g(乙醇)/g(己糖)。   半乳糖诱导活化提高了酵母对HMF的耐受性。活性炭和β-分子筛的双重吸附脱毒显著地降低了水解液中抑制物的浓度,发酵乙醇终浓度最大,为13.61 g/L,是原液发酵(空白对照)的4倍;平均发酵速率为0.567 g/L/h,是原液发酵的81倍;乙醇产率为0.068 g(乙醇)/g(生物质);乙醇得率达0.472 g(乙醇)/g(己糖);己糖利用率可达92.8%。
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