褐藻胶工业废弃残渣的生物乙醇转化工艺关键技术研究

摘要

在愈演愈烈的能源危机影响下，生物能源的研究得到长足发展。从第一代粮食生物质到第二代纤维生物质，从陆生生物质到海洋生物质，生物质能的研究思路开始逐渐成熟，特别是关于微藻和巨藻在生物柴油方面的利用已有许多报道。同时，海洋生物质生物乙醇的转化已引起广泛关注，研究主要集中在对各种海洋藻类(包括红藻、绿藻和褐藻)直接进行淀粉和纤维素的转化利用。
　　 许多藻类具有较大的工业价值，对其直接进行能源的转化利用会造成资源的浪费，而藻类加工业产生的废渣会造成环境压力等问题。特别是褐藻胶工业提取工艺中，由于使用碱消化技术造成废弃物残渣显碱性，该废渣的大量排放和填埋造成水质和土质污染。考虑以上因素，本实验采用褐藻胶工业提取工艺的固体废渣(简称褐藻残渣)作为材料进行生物乙醇的转化研究。类似的褐藻残渣中均含有较高含量的纤维素和一定量的半纤维素，本实验所获得的基本组分含量为：纤维素29.50％，半纤维素12.05％和极少量的木质素，这表明褐藻残渣是一种具有利用前景的生物质。
　　 针对纤维素的预处理分析，主要通过比较传统的稀酸预处理、新型的cellulose-solvent-based lignocellulose fractionation(CSLF)预处理和离子液体-N-烯丙基-3-甲基咪唑氯(N-Ally-3-methylimidazolium chloride，AMIMCl)三种预处理方式对酶解效果的影响发现：稀酸预处理方式中，酸(盐酸或硫酸)浓度的提高导致样品固形物中纤维素的损失增加，而且0.1％盐酸处理较0.1％硫酸处理的样品酶解糖化率略低，故采用0.1％硫酸(121℃下保持1 h)作为稀酸预处理的最佳条件；CSLF预处理对褐藻残渣预处理的效果与前者最佳稀酸预处理方式相近，由于该方法需要多次的乙醇(或丙酮)和蒸馏水多次离心洗涤，繁琐的操作反而加重能耗的投入，所以该方法未在实验室水平再深入讨论；离子液体-AMIMCI预处理则显著地提高了褐藻残渣的酶解糖化率，在同样的酶解条件(纤维素酶：45 FPU/g样品；纤维二糖酶：55 CBU/g样品)下，AMIMC1预处理的褐藻残渣获得99.93％的糖化率，而稀酸处理可得到94.46％的糖化率，并且在低剂量纤维二糖酶辅助酶解的条件(纤维素酶：45 FPU/g样品；纤维二糖酶：27.5CBU/g样品)下，AMIMC1预处理的褐藻残渣可在48 h和72 h分别获得93.64％和93.71％的酶解糖化率。换言之，AMIMC1预处理可以显著提高作用底物的糖化效率，并且能够从经济的角度实现纤维二糖酶使用量的降低以及工艺时间的缩短。
　　 针对纤维素和半纤维素的共利用，主要考察酸水解对褐藻残渣的组分影响，以期实现纤维素良好预处理和半纤维素的最大程度降解。通过考察不同浓度0.1％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％和2.5％的盐酸或硫酸于121℃下酸解达1 h的褐藻残渣的固形物质量损失、纤维素含量、半纤维素含量和木质素含量的变化情况发现，2％酸处理基本上可以达到固形物质量损失极限(稀酸处理范围内)和半纤维素的较大程度降解，对木质素含量几乎没有影响。通过对酸解液溶出物进行聚丙烯酰胺凝胶(P2)柱层析、薄层层析(TLC)，以及对酸解液溶出物分别采取直接糖醇乙酸酯衍生化和经三氟乙酸酸解后糖醇乙酸酯衍生化处理之后进行气相色谱(GC)分析可以发现，溶出物中除含有葡萄糖和少量的木糖外，还含有大量以甘露糖和岩藻糖为主的寡糖。这对接下来的发酵工艺提供可参考的数据。
　　 针对褐藻残渣发酵环节，主要采用Saccharomyces cerevisiae利用固形物中纤维素酶解产物-葡萄糖，考察不同发酵方式对乙醇产率的影响，而采用Escherichia coli KO11利用纤维素和半纤维素降解产物-木糖、葡萄糖、甘露糖和岩藻糖等。
　　 综上，褐藻残渣具有可观的开发前景，稀酸预处理方式基本上可以实现工业化操作，本研究做了初步的探索，接下来还需要对其预处理过程中产生的许多问题以及对发酵影响因子进行深入分析。