文摘

农业残留物大豆秸秆是一种可再生资源,可用于木质纤维素的生物乙醇生产。增强酶的消化率和发酵性能,生物质制备的alkali-thermal预处理(氢氧化钠、121°C, 60分钟)。原料产量为34.1 53%,氢氧化钠的数量,比例从0.5到3.0米。木质素和半纤维素生物质预处理的内容减少了预处理过程,而纤维素的比例增加。在最适条件下,生物质预处理包括 %纤维素, %半纤维素, %木质素。在酶糖化使用Cellic®CTec2纤维素酶,10% (w / v)的大豆秸秆预处理水解完全和皈依 g / L和葡萄糖 g / L木糖产量90.9%的效率。同步糖化和发酵的生物预处理酿酒酵母W303-1A产生 在0.5 L g / L的乙醇发酵培养基含有10% (w / v)生物质预处理后72 h。乙醇生产力为0.305 g / g干燥生物质乙醇/ g和0.45 g葡萄糖发酵后,低浓度的有机酸代谢物。同时,82%的可发酵糖使用的酵母乙醇发酵。这些结果表明,碱性水解预处理和生物质能的结合有助于提高使用delignified大豆秸秆生物乙醇生产力。

1。介绍

大豆(大豆l .稳定)是一年一度的草本植物物种的豆类,起源于东亚(包括中国、日本和韩国),广泛种植的食用豆作为一种重要的食物资源。在大豆收割,茎,外壳,干树叶仍是农业残留物。在韩国传统农业耕作,干树叶被传统上用作牲畜饲料,但残留的其余部分被消耗作为供热的生物质燃料。然而,现代农业农业不使用这些农业残留了,放弃大量的生物质1]。

然而,大豆秸秆,剩余的部分,有可能提供一个便宜的原料用于生产可发酵糖,而不是食物,如玉米、甘蔗、和其他粮食储备,用于生产生物乙醇或其他生物炼制产品(1,2]。在各种生物质来源,作物残留物,如大米,小麦,大麦秸秆和玉米秸秆获得了相当大的兴趣,几项研究已经报道了基于这些原料(3- - - - - -5]。然而,大豆秸秆,像其他木质纤维素的生物材料,由一个刚性强烈交联结构非晶纤维素半纤维素和木质素6- - - - - -10]。这些严格的生物量结构太复杂,化学太耐酶水解为可发酵糖的生产。因此,预处理是必要的刚性木质纤维素结构更改为更具有平易近人和消化的形式(2- - - - - -5]。

大豆秸秆含有相对较低水平的半纤维素和木质素每克生物量、相对于其他木质纤维素的微生物(6- - - - - -10]。因此,预处理是需要增加内容和纤维素生物质中的半纤维素和木质素含量降低。预处理过程应加强在大豆秸秆纤维素的比例7- - - - - -10]。酸性、碱性和顺序acidic-alkali预处理、高温或高压相结合,已应用于“传统的”化学处理过程(3- - - - - -5,11- - - - - -14]。酸性环境被称为是有效的在减少半纤维素含量与木质纤维素的微生物。同样,碱预处理已报告简单流程的原料生物量在温和的条件下以最小的糖降解和没有抑制化合物的形成14]。因此,化学预处理可以降低半纤维素和木质素提高纤维素生物质(内容11,13,14]。

在这项研究中,一个alkali-pretreatment进行减少半纤维素和木质素在大豆秸秆纤维素含量高。生物质是不同浓度的氢氧化钠高温下进行预处理,即121°C。的有效性alkali-pretreatment生物量的决定是基于化学组成变化的程度和酶法水解预处理固体。此外,评估alkali-pretreatment过程执行的同步糖化和发酵也使用一个产乙醇的酵母菌株酿酒酵母和乙醇生产力决定。

2。材料和方法

2.1。材料

大豆在Jeongeup吸管在本地获得从一个农场,Jeonbuk,韩国,2017年11月结束的时候。这是用水洗消除土壤和其他粒子,然后干24小时的105°C。吸管被切成5 - 10厘米长度进行化学预处理。Cellic CTec2纤维素酶是由诺维信韩国(首尔,韩国)。

2.2。大豆秸秆的化学预处理

干稻草20% (w / v)没有物理治疗浸泡在氢氧化钠的浓度范围(氢氧化钠)解决方案0 3 M和加热高压蒸汽(121°C, 15 psi, 60分钟)。thermal-alkali-pretreated生物量中被移除的黑色碱溶液,然后用流动的自来水洗净去除从生物质氢氧化钠。这个清洗的步骤重复了几次,直到洗水呈淡棕色的颜色。alkali-pretreated吸管是干24小时在105°C,以减少水分,然后储存在无水条件下。生物质预处理的构成进行了分析的基础上,由国家可再生能源实验室化学分析和测试实验室分析方法(圈)的美国能源部(DOE)。生物量的木质素含量分析根据能源部的圈(圈- 003和圈- 004)。生物质预处理与不同的氢氧化钠浓度进行了一式三份。

2.3。Alkali-Pretreated大豆秸秆酶水解

酶法水解的alkali-pretreated稻草(2 M NOH-treated生物质)进行了与30毫升反应体积管使用Cellic CTec2纤维素酶。10% (w / v)生物质预处理是浸泡在磷酸缓冲(pH值6.0)包含纤维素酶与10 50 FPU每克干重(滤纸单元)。酶法水解进行了42°C, 200 rpm, 48 h。生物质水解被撤回在每个12 h 72 h。反应物离心后的酶,水解产品分析高效液相色谱法(HPLC)的酶法水解生成单糖。的酶解Cellic CTec2纤维素酶用于酶水解基本上包含206±2.3 g / L和葡萄糖 g / L木糖。计算数量的单糖(葡萄糖和木糖)水解生物质预处理和酶糖化产量不包括这些糖的数量从纤维素酶的解决方案。

2.4。乙醇生产应变、生长条件和发酵

酿酒酵母W303-1A用作乙醇生产菌株(12]。产乙醇菌株培养在YPD肉汤(Bacto酵母提取物细菌蛋白胨2%,1%,2%葡萄糖)在30°C 200 rpm 24 h。准备一个种子文化对乙醇发酵,1% (v / v)种子培养接种在培养基含有酶水解溶液,10% (w / v)大豆预处理稻草被纤维素酶水解48 h作为碳源,2%细菌蛋白胨,1% Bacto酵母提取物作为营养来源。然后种子文化进一步培养30°C 200 rpm 24 h。5% (v / v) preculture的酵母菌株接种成1 L发酵罐FMT ST-S (Fermentec所领导,韩国),0.5 L工作容积含10% (w / v) alkali-pretreated大豆秸秆,2%细菌蛋白胨,1% Bacto酵母提取物,然后发酵罐操作在30°C风潮在300 rpm。乙醇发酵进行了一式三份。

2.5。分析方法

细胞生长监测通过测量光密度在600 nm使用分光光度计(OD600海里)。总还原糖测定酶糖化反应使用3,5-dinitrosalicylic酸的方法。释放的大量的糖酶糖化和发酵代谢产物的测定高效液相色谱法(HPLC)系统(美国安捷伦科技,圣克拉拉,CA),配备了示差折光检测器,一个autosampler,一个Aminex hpx - 87 p列(7.8×300毫米;美国BioRad大力神,CA)单糖分析或Rezex ROA-Organic酸H+列(7.8×300毫米;托兰斯,Phenomenex有机酸分析美国CA)。所有样本被过滤澄清0.20 -μ过滤器(Acrodisc LC PVDF Minispike;笼罩在生命科学,安阿伯市,美国MI),然后注入分析高效液相色谱柱。列温度保持在65°C。流动相是蒸馏水为单糖和2.5毫米为有机酸、硫酸与权力平等主义的条件下流量0.5毫升/分钟。在这些条件下,纤维二糖、葡萄糖、木糖、乙醇、丙三醇,木糖醇是发现在保留时间9.93,12.08,13.14,16.36,18.96,和34.33分钟,分别在单糖分析。琥珀酸、乳酸、乙酸和乙醇检测在保留时间13.14,16.36,18.96,和34.33分钟,分别在有机酸分析。所有分析都是一式三份

3所示。结果与讨论

3.1。碱处理对大豆秸秆及其组成

alkali-pretreatment之前,纤维素、半纤维素和木质素含量在大豆秸秆原料由美国能源部的使用方法。大豆干稻草纤维素(100克)的44.2%,5.9%,半纤维素和木质素19.2%(表1)。相比,这些内容在不同生物量中总结表1(6- - - - - -10),在这项研究中使用的大豆秸秆含有较低的半纤维素和木质素的含量高。它需要降低木质素含量提高酶的可访问性和可消化性生产可发酵糖葡萄糖和提高乙醇生产产量使用产乙醇菌株(5]。

表1
大豆秸秆的化学成分。

加强high-cellulose-content生物质,alkali-pretreatment应用于减少大豆秸秆中的木质素(图1)。在生物质完全干,alkali-pretreated大豆秸秆的化学成分变化进行了分析(表2)。氢氧化钠的浓度影响生物量的溶解度和纤维素,半纤维素和木质素含量。在氢氧化钠提取到52 Alkali-thermal治疗 生物量成可溶性分数的64.5%,尽管热水没有任何碱化合物提取29.1%的生物量。3 M氢氧化钠预处理,不溶残渣部分包含72.9%的纤维素,半纤维素9.1%,木质素每100克干重的9.0%。碱处理后,9.0 木质素12.6%和9.1 17.9%半纤维素仍残留的生物量。然而,纤维素生物质预处理没有失去太多内容,从66.4克到72.9克每100克干大豆秸秆与氢氧化钠浓度的增加。alkali-thermal预处理的原料产量为34.1 53.0%,氢氧化钠的数量,比例从0.5到3.0米。然而,> 47%的木质素不能从生物量alkali-thermal预处理条件下,高浓度的氢氧化钠。然而,生物量表明氢氧化钠的alkali-thermal治疗减少了有效的半纤维素和木质素和纤维素含量每克生物量增加。

表2
氢氧化钠的浓度效应的alkali-pretreatment大豆秸秆和原料的效率。

图1
整体过程同步糖化和发酵的碱处理大豆秸秆乙醇生产。
3.2。酶法水解大豆秸秆

评估alkali-thermal-pretreated的酶法水解大豆秸秆与2 M氢氧化钠、使用生物质(10% (w / v))与不同的酶消化剂Cellic CTec2纤维素酶,从10到50 FPU每克干重的磷酸盐缓冲剂(pH值6.0)72 h。酶消化的pH值在媒体的反应可能会影响经济增长,新陈代谢,和运输的酒精发酵产乙醇菌株进一步(15]。因此pH生物质糖化酶固定在6.0。酶法水解产生的葡萄糖量增加,越来越多的单位alkali-pretreated大豆秸秆纤维素酶(图2(一个))。40.1在72 h,纤维素生成 67.3 g / L葡萄糖和5.6 9.4 g / L木糖。酶的酶消化率加载比50 FPU的纤维素酶每克干生物量达到54.2±2.8% (图0.9±2.8%2 (b))。另一方面,参与生物质水解少于33%(数据现在如图所示)。与未经处理的大豆秸秆相比,alkali-thermal-pretreated生物质中含有大量的葡萄糖和低数量的木糖。Alkali-pretreatment近似47.4%去木质素效率会影响纤维素酶消化率,导致水解效率高达90%。化学预处理也减少了强相互作用在生物质纤维素、半纤维素、木质素复合物结构,提高酶反应效率。增加酶的用量显著影响的可发酵糖的一代。在最后的反应时间点,葡萄糖的量增加了1.7倍,这取决于5酶加载率Cellic CTec2每生物质纤维素酶。此外,糖生产时间的增加,而酶法水解率下降指数由于产物抑制(数据没有显示)。生成的葡萄糖、木糖和半消化状态的纤维二糖会抑制纤维素酶的水解反应。这些酶糖化表明alkali-pretreated大豆秸秆可以强大的可发酵糖葡萄糖生物乙醇生产做准备。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
酶糖化的碱处理大豆秸秆与50 FPU Cellic CTec2纤维素酶加载每克干重。酶消化率的计算是相对数量的葡萄糖释放后在使用生物量中葡聚糖含量的酶反应。
3.3。单独的Alkali-Pretreated大豆秸秆水解和发酵

评估的可发酵性糖alkali-pretreated大豆秸秆产生的乙醇生产使用酿酒酵母W303-1A [12]。分批培养的酵母菌株进行50毫升文化容量250毫升锥形烧瓶alkali-pretreated大豆秸秆5克,补充了一个50 FPU Cellic CTec2纤维素酶。细胞接种之前,执行prehydrolysis 42°C 12 h。然后,5% (v / v)酵母培养液添加并进一步培养(30°C, 180 rpm, 36 h)对乙醇发酵。prehydrolysis步骤生成 g / L烧瓶中葡萄糖对酵母细胞生长停滞阶段。在36小时,最大的乙醇的浓度 中可观察到g / L文化肉汤。然而,低乙醇生产产量烧瓶中可观察到的文化。瓶中的酶糖化效率不是文化。

3.4。批量同步糖化和发酵(SSF)对乙醇的生产

提高乙醇生产,1 l jar发酵罐进行乙醇发酵。批处理社保基金,10% (w / v)生物质预处理酶使糖化50 FPU的Cellic CTec2每克干生物质纤维素酶。乙醇生产开始逐渐72 h(图3)。葡萄糖的量逐渐增加了酶法水解。虽然产乙醇酵母细胞生长消耗葡萄糖,葡萄糖生成的浓度超过了消耗数量。酵母完全消耗葡萄糖的酶水解生物质在中超过60 h。然而,木糖的含量逐渐增加 g / L,因为野生型酿酒酵母W303-1A不能利用糖。在一个批处理社保基金,最大乙醇浓度 在72 h g / L,给一个乙醇生产乙醇产量0.305 g / g干大豆秸秆乙醇/ g和0.45 g在72 h葡萄糖。最后,82%的可发酵糖水解生物质预处理被酵母的乙醇生产。此外,降低乙醇浓度葡萄糖才观察到完全耗尽的发酵(72 h)。


图3
alkali-pretreated批量同步糖化和发酵的大豆秸秆酿酒酵母W303-1A 1 l jar发酵罐。概要文件的乙醇(实心圆),(开环),葡萄糖和木糖(满三角形)发酵罐被高效液相色谱分析。

在alkali-pretreated乙醇生产的大豆秸秆,贝克酿酒酵母W303-1A生成较小的代谢物,包括甘油和乙酸等有机酸、乳酸、琥珀酸(数据没有显示)。这些代谢物是小于1.5±0.4 g / L。这些小酵母产生的副产品比乙醇浓度较低。虽然这些代谢物仍在乙醇生产中积累的,这并不影响发酵效率或酵母细胞生长。

在这项研究中,一个alkali-pretreatment应用于农业残留物大豆秸秆作为一个潜在的生物酶法糖化生产可发酵糖。这个预处理包含使用的大豆秸秆纤维素和木质素含量相对较高,而不是半纤维素。减少木质素,提高纤维素含量、氢氧化钠中大豆秸秆的化学预处理被选为原料。的最大纤维素含量74%实现了2 M氢氧化钠在60分钟和后121°C,在这种情况下,原料的47.4%,半纤维素含量10.3%(表2)。

事实上,利用氢氧化钠预处理能有效分解木质纤维素的内部结构组件通过降解酯和糖苷链。此外,可以改变碱木质素的结构,导致肿胀和部分去晶纤维素(纤维素16]。此外预处理的安全处理和较低的毒性,包括较低的操作温度和更快的处理时间,使它成为一个有吸引力的替代氨预处理[17]。相对较低的预热处理条件也减少糖降解产物如糠醛、羟甲基糠醛,有机酸,考虑潜在的抑制剂对酶糖化和酒精发酵(18]。酶消化和发酵过程,这些生物质溶解产物抑制剂没有检测到。此外,大豆秸秆用2 M氢氧化钠预处理是有效地水解,水解效率高达90%的生产可发酵糖(图2(一个))。此外,同步糖化和发酵的糖转化生物质水解30.5 g / L的乙醇,乙醇转化超过82%(图3)。

尽管氢氧化钠的浓度对大豆秸秆的预处理是相对高于其他碱性化合物,氢氧化钠溶液可以多次回收和重用生物质预处理[19]。此外,与其他化学方法相比,使用氨水,organosolv,离子液体,钠hydroxide-treatment可能是一个简便的过程,因为它不需要任何特殊设备或控制系统的预处理(19]。

大豆秸秆的利用率可以提供几个优点的基于生物质利用的可持续发展。糖作物或替代木质生物质植物消耗土壤中的养分,降低营养水平。另一方面,豆科植物大豆与根瘤菌的共生菌的结节根系能修复成氨氮和铵氮(N)土壤中富集,包括有限公司2固定通过光合作用[20.]。考虑到可持续性,大豆的残余生物量是一个潜在的资源用于生产可发酵糖。

4所示。结论

大豆秸秆与氢氧化钠的alkali-pretreatment有效去除木质素和半纤维素和增强酶消化率。alkali-pretreated生物质显示 去木质素效率53%。生物质预处理,超过90%的纤维素水解了Cellic CTec2纤维素酶,转化为可发酵糖酶糖化。在flask-scale文化独立的水解和发酵补充生物质预处理,酿酒酵母乙醇生产13.1 g / L和0.13 g / g生物质乙醇。在一批同时水解和发酵,使用大豆秸秆转化为30.5 g / L的乙醇产品产量的0.305 g / g干大豆秸秆乙醇/ g和0.45 g葡萄糖。在发酵,82%可发酵糖转化为乙醇在低浓度的有机酸副产品。这些结果清楚地表明,alkali-pretreatment农业副产品大豆秸秆的有效降低木质素和半纤维素成分,增加酶的消化率和乙醇生产力。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突的关于这篇文章的出版。

确认

这部分支持的研究交流计划在NRF-DAAD之间的谅解备忘录(NRF - 2013 k2a5a5079255)从韩国国家研究基金会(NRF),新能源和可再生能源技术发展项目的韩国研究所能源技术评估和规划(KETEP)授予金融资源的贸易、工业和能源、韩国(没有。20153030101580),KRIBB研究计划项目资助。