载气流量对颗粒填充床同步酶解乙醇发酵的影响

第ｌ２卷第３期　２０１３年９月　热　科　学　与　技　术　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶｏＬｌ２　Ｎｏ．３　

Ｓｅｐ．２０１３　

文章编号：１６７１—８０９７（２０１３）０３—０２６０—０７　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—８０９７．２０１３．０３．０１３　载气流量对颗粒填充床同步酶解乙醇发酵的影响　

王永忠，　王艳梅，　陈　蓉，　廖　强，　朱　恂　（重庆大学工程热物理研究所低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆４０００３０）　摘要：研究了载气体积流量对颗粒填充床内固态同步酶解乙醇发酵特性的影响。实验结果表明，随着载气　体积流量的增加，基质表面生物膜内的乙醇浓度显著降低，包埋颗粒填充床乙醇发酵效率得到提高，但载气体　积流量继续增加，则载气对生物膜产生强烈的剪切作用，引起生物膜部分脱落和生物膜内水分减少，导致填充　床酶解和乙醇发酵的效率显著下降。在载气体积流量为３０　ｍＬ／ｍｉｎ，最大纤维素消耗量为１Ｏ．４７　ｇ，得到最大　乙醇平均得率０．０２　ｇ／ｇ纤维素基质，填充床反应器的孔隙率减小了３１　。颗粒填充床有效的避免了基质坍　塌现象，增强了载气在反应区域的流动过程并及时载出反应生成的乙醇，消除了乙醇对发酵过程的抑制作用；　同时同步酶解发酵消除了葡萄糖对糖化过程的抑制作用。　

关键词：乙醇；同步酶解发酵；载气；填充床；稻草秸秆　中图分类号：ＴＫ６　文献标识码：Ａ　

Ｏ　引　言　生物质燃料因其生产原料丰富，对于缓解能　源危机，实现可持续发展具有重要意义，已成为研　究热点［１　］。其中，纤维素燃料乙醇是研究热点之　

一，

纤维素转化乙醇的方式主要有液态发酵和固　

态发酵两种方式。其中固态发酵因其能耗低，操　作方便，能有效降低发酵的生产成本，被认为是最　具有前途的纤维素转化乙醇技术［５　］。但是纤维　素酶解糖化和乙醇发酵过程分别存在严重的产物　抑制作用。为了消除这种产物抑制作用，Ｇａｕｓｓ　等　］提出了同步酶解发酵技术，即基质的酶解作　用与发酵作用在同一个反应器中同时进行，产生　的葡萄糖立即被酵母菌所利用，从而提高了酶解　效率，提高乙醇产率［ｇ　。而为了消除乙醇对发　酵过程的抑制作用，Ｗａｌｓｈ等口　提出了以ＣＯ　作　为载气，从发酵液中气提乙醇的方法，从而减少了　乙醇在发酵液中的积累；此外，张君等［１　和Ｔａｙ—　ｌｏｒ等口　还分别研究了不同气体作为载气对乙醇　发酵的影响。　本文设计了一种新型纤维素同步固态酶解发　酵颗粒填充床系统，首先将纤维素基质、纤维素酶　和纤维二糖酶制成包埋颗粒，再将颗粒堆积到填　充床反应器中，在纤维素基质颗粒同步酶解发酵　过程中通入载气——Ｎ　，利用载气将乙醇携带出　填充床反应器，从而消除了乙醇对发酵过程的抑　制作用，实现了同步酶解和发酵的目的。同时，该　系统能避免乙醇发酵过程中填充床基质因逐渐坍　塌而堵塞载气流动的现象。此外，通过载气的对　流作用还能及时将发酵产生的部分代谢热载出，　有利于维持和控制填料层的发酵温度。由此，增　强载气对乙醇的携带作用，提高纤维素酶解和乙　醇发酵效率。多孔介质结构的填充床内流场、温　度场和浓度场分布受填料层的孔隙率和操作时间　等参数变化的影响［１　¨］。　本文主要研究了填充床乙醇发酵过程中载气　体积流量影响下乙醇产量、纤维素基质转化率及　填充床孔隙率的变化。研究结果对提高纤维素转　化乙醇的效率和促进固态同步酶解发酵技术的发　展具有一定的实验和理论指导意义。　

收稿日期：２０１３—０３—０３：修回日期：２０１３－０７—０６．　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９７６１３０）；国家杰出青年基金资助项目（５０８２５６０２）．　作者简介：王永忠（１９６７一），男，四川资阳人，副教授，主要研究方向为环境与能源生物技术中的热物理问题．Ｅ－ｍＡＩ：ｗａｎｇｙｚｈ＠ｃｑｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　第３期　王永忠等：载气流量对颗粒填充床同步酶解乙醇发酵的影响　２６１　１材料与方法　１．１　材　料　１．１．１基质的预处理　首先将稻草秸秆洗干净，烘干；用粉碎机将秸　秆粉碎，同时筛选出０．１７８　ｍｍ的秸秆粉末；再将　其与２％的氢氧化钠溶液，按照固液比为１：１０的　比例混合，浸泡２４　ｈ，洗掉多余的氢氧化钠，烘干　至恒重，备用。　１．１．２可消解性多孔基质颗粒制取方法　取１０　ｍＬ灭菌后的蒸馏水倒人烧杯中，用电　子天秤称取０．５　ｇ聚乙烯醇，０．４　ｇ海藻酸钠，　０．１　ｇ二氧化硅，加入到灭菌冷却后的１００　ｍＬ烧　杯中，沸水浴中加热使聚乙烯醇和海藻酸钠溶解，　冷却至室温；称取纤维素酶（１００　ｕ／ｍｇ　Ｄｗ，　Ｗｏｒｔｈｉｎｇｔｏｎ，美国）０．０５　ｇ，Ｂ一葡萄糖苷酶　（≥２５０　ｕ／ｇ，Ｎｏｖｏｚｙｍｅ　１８８，Ｓｉｇｍａ，美国）０．０５　ｍＬ加入到烧杯中［１　；再称取３　ｇ已灭菌而且预　处理后的秸秆粉末加入到凝胶中，搅拌均匀；然后　将混合均匀的基质压制成粒径为４　ｍｍ的颗粒，　再将颗粒置于１００　ｍＬ含１％氯化钙的饱和硼酸　溶液中，在５℃的冰箱中交联２４　ｈ用灭菌蒸馏水　清洗３次，放入５℃的冰箱中备用。　１．１．３酵母茵活化　将购买的高活性安琪酿酒干酵母加入２　９／６的　糖水中，在３５～４Ｏ℃下活化ｌＯ～２０　ｍｉｎ。然后　降温至３４℃以下，再活化１～２　ｈ，然后，加入乙酸　钠和乙酸的缓冲溶液调节ｐＨ为４．８，即可使用。　１．２颗粒填充床气载乙醇同步酶解发酵系统　填充床反应器主体为圆柱体（直径为５ｏ　ｍｍ，高度为９０　ｍｍ），由透明有机玻璃材料制成，　反应器有效容积为９８　ｍＬ，置于一个恒温水浴套　中。将制备的含纤维素酶、纤维二糖酶与纤维素　基质的颗粒轻轻填充于反应器内，构成可消解性　多孔颗粒填充床。实验系统主要由液路系统、气　路系统和恒温系统三部分组成（如图１所示）。液　路系统主要实现填充床颗粒表面的生物膜挂膜和　补充后期运行期间的水分，由装有酵母菌循环液　的储液瓶、蠕动泵、反应器顶部液体分布器组成；　气路系统主要提供固态同步酶解乙醇发酵期间的　载气——氮气，载气通过气阀和气体转子流量计，　再从反应器底部的进气口进入颗粒填充床层，含　乙醇的混合气则从反应器顶部流出至乙醇收集　器，通过蒸馏水吸收乙醇，同时排出载气；恒温系　统由水浴锅和反应器外部的水浴套及提供恒温水　循环所需动力的自吸泵、管路构成，主要是保证同　步酶解发酵始终处于最佳反应温度３８℃。　图１　实验装置系统图　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　将制备的适量可消解性基质颗粒轻轻装填于　反应器内，密封，并通入一定量的普通氮气以创造　厌氧环境。实验过程分为挂膜启动和运行两个阶　段。挂膜过程中只开启液路系统，蠕动泵将储液　瓶中含活化酵母菌的循环液泵入反应器顶部的液　体分布器中，液体从基质颗粒层上部逐渐向下流　动，部分活化的酵母菌被吸附在颗粒表面，生长繁　殖，逐渐形成酵母菌生物膜，然后酵母菌循环液从　反应器底部的出液口流出，回到储液瓶中；挂膜期　间（１７　ｄ）定时测量酵母菌液的ｐＨ值以及　ＯＤ　。。　值。当挂膜成功后，进入实验的运行阶　段，此时停止酵母菌液的循环，开启气路系统，利　用载气将酵母菌生物膜内发酵产生的乙醇载出，　期间为保证填充床内基质颗粒和生物膜适宜的湿　度，每隔２４　ｈ向反应器内补充３　ｈ蒸馏水　２４０　ｍＬ。补水期间停止通入载气。运行期间每隔　２４　ｈ测量一次乙醇收集器中乙醇的浓度，当乙醇　浓度不再增加时，停止发酵运行，该过程需要４　ｄ，　测量纤维素的消耗量、填充床内残余葡萄糖的含　量以及填充床孔隙率的变化率。　热　科　学　与　技　术　第１２卷　１．３分析方法　载气中乙醇浓度采用气相色谱仪（ＳＣ２０００　型，ＪＩＩ仪九厂）检测，操作条件：氢火焰离子检测　器，温度为１７０　ｏＣ，汽化室和柱箱温度分别为１７０　和１６０℃；载气为高纯氮气，体积流量３０　ｍＬ／　ｍｉｎ，压力０．２　ＭＰａ；可燃气为高纯Ｈ：，体积流量　２５　ｍＬ／ｍｉｎ；助燃剂为空气，体积流量１５０　ｍＬ／　ｍｉｎ。酵母菌液ｐＨ值由ｐＨ计（Ｔｈｅｒｍｏ一３　ｓｔａｒ，美国）测量。酵母菌液０Ｄ㈣　采用可见分光　光度计（７２２Ｎ型，上海精科）。以精密分析电子天　秤（Ｓａｒｔｏｒｉｕｓ　ＢＰＩ１４，德国）进行称量。　纤维素消耗量采用称量法。首先，称量一份　与加入到填充床内颗粒质量相同的同一批颗粒，　于８５℃烘干至恒重，测量其干重，计算加入到反　应器内的基质颗粒干重，再将发酵后的颗粒用灭　菌蒸馏水轻轻洗涤去除颗粒表面的生物膜，并将　洗涤后的颗粒溶解到一定量的蒸馏水中，１０　０００　ｒ／ｍｉｎ离心１０　ｍｉｎ，取沉淀于８５℃烘箱中烘干至　恒重，称量获得发酵后的残余基质颗粒干重。将反　应前后的干重相减即可得到纤维素的消解量。离　心后的上清液用离子色谱仪（戴安ＩＣＳ一５０００型，　美国）测量溶液中的葡萄糖含量，操作条件为：电　化学检测器，Ａｕ工作电极；色谱柱，ＣａｒｂｏＰａｃ系　列色谱柱，柱箱温度３０℃；ＮａＯＨ淋洗液，浓度　梯度为０、５、１００、２００　ｍｍｏｌ／Ｌ，流速１　ｍＬ／ｍｉｎ。　乙醇发酵前后的颗粒填充床孔隙率变化采用　体积测量法，并通过计算得出填充床孔隙率的变　化率。　

２结果与分析　２．１　挂膜期间酵母菌液ｐＨ值以及ＯＤ　值的　变化　挂膜期间，颗粒基质填充床内循环酵母菌液　的ｐＨ值以及ＯＤ　‰　值随时间的变化如图２所　示。由图２（ａ）发现，挂膜期间酵母菌循环液ｐＨ　值变化较小。在挂膜初期，酵母菌液ｐＨ略呈上　升趋势，在第６　ｄ达最高值４．９，之后酵母菌循环　液ｐＨ略呈下降趋势并在第１５　ｄ后下降趋势减　缓。结果表明，挂膜期间系统具有较好的调节　ｐＨ的能力，维持循环液ｐＨ基本相对平衡。由图　２（ｂ）发现，启动初期，酵母菌液ＯＤ　值波动比　较大，呈逐渐上升的趋势，挂膜至第１５　ｄ后循环　液ｐＨ值逐渐稳定在０．４３左右。同时，发现此时　颗粒表面形成了一层较厚的生物膜，由此判断至　第１５　ｄ后填充床颗粒表面的酵母菌生物膜挂膜　成功。　（ｂ）ＯＤ６００ｎ　值　图２　挂膜期间循环液ｐＨ值以及ＯＤ　。。ｎｍ值　的变化　Ｆｉｇ．２　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐＨ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ＯＤ６ｏｏ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｃｕｌｔｕｒｅ　ｍｅｄｉｕｍ　ｄｕｒｉｎｇ　ｂｉｏｆｉｌｍ　ｓｔａｒｔｕｐ　２．２载气体积流量对纤维素消耗量的影响　实验结果如图３所示。由图３可见，随着载　气体积流量的增加，填充床内纤维素基质的消耗　量呈先增加后减少的趋势，在载气体积流量为　３０　ｍＬ／ｍｉｎ时，纤维素消耗量最大为１０．４７　ｇ。这　是由于载气流量既影响产物的传递过程也对颗粒　表面生物膜产生剪切力。随着载气流量的初始增　加，颗粒表面产生的乙醇及时被载气带走，颗粒表　面生物膜内的乙醇浓度差变大，生物膜内产生的　乙醇更易于向气相传递，乙醇对酵母菌生物膜发　酵过程的抑制作用减小。在生物膜内，葡萄糖及　时被酵母菌消耗，颗粒内部与生物膜内葡萄糖浓　度差增大，葡萄糖逐渐被传递到生物膜内并及时　被酵母菌消耗，减小了葡萄糖对酶解糖化过程的　抑制作用，所以随着载气体积流量的增加，纤维素　的消耗量逐渐增加。但是随着载气体积流量的进