海藻化工残渣的乙醇转化技术研究

Acid concentration % (w/v)
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预处理方法II: 稀酸预处理
12
半纤维素-硫酸 纤维素-硫酸
半纤维素-盐酸 纤维素-盐酸
纤维素损失率（%）
10 8 6 4 2 0
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
1.5% 2.0% 2.5%
时间: 0.5-1.5h
粉碎
酸浓度: 0.0-2.5 % 温度: 121 C
水解
20-80 目
纤维素酶
半纤维素酶
H2O2 预处理
pH: 自然 & 10.0
方法 Ⅱ—— H2O2
时间: 6-12h H2O2 浓度: 0.2-0.5 %
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Step 2
稀酸 预处理 离子液体
酶解制备可发酵单糖
Step 3
Ethanol Step 4
乙醇发酵
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化学组分
漂浮渣的化学组成 (% 干重 w/w)
组分 含量（%） 纤维素 27.3 半纤维素 12.5 木质素 13.0
半纤维素的单糖组成 (%)
半纤维素中 单糖组分 含量（%） 甘露糖 34.6 葡萄糖 30.9 岩藻糖 17.3 半乳糖 9.9 木糖 7.3
美国 西班牙
微藻 绿藻
生物柴油 生物柴油
相当于每年每英亩生产138吨生物柴油 每天从2m3 的水中生产6kg “生态石油”
海藻特征性多糖
单糖组成 硫酸基 糖醛酸 内 醚 carrageenan
Marine special polysaccharides
alginate
卡拉胶酶
Specific depolymerization Cytophaga sp. MCA-2 Marine oligosaccharides
0.1%
0.5%
1.0%
酸水解浓度
褐藻残渣经不同浓度的硫酸或盐酸水解后剩余固形物组分分析
半纤维素损失率 （% ）
鼠 李 糖
岩 藻 糖
阿 拉 伯 糖
木 糖
A
甘 露 糖 半 乳 糖 葡 萄 糖
A: 标准品
B
B: 2% H2SO4酸解褐 藻残渣溶出物直接衍生 化气相分析 C: 2% HCl酸解褐藻残 渣溶出物直接衍生化气 相分析
预处理方法II: 稀酸预处理
还原糖
0h
Reducing sugar (mg/g samples)
0.5h
1.0h
1.5h
Sulfuric acid Pretreatment
Enzymatic hydrolysis
450
Analysis of hydrolysates
300
葡萄糖
150
0 0.0 0.1 0.2 0.5 1.0
Glucose
pH nature
Glucose mg/g samples
pH 10
300 200 100 0 0 ,0 0.2 ,6 0.2 ,12 0.5 ,6 0.5 ,12
H2 O2 (%), Time (h)
H2O2 (%), Time (h)
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视觉评价 气味评价 可回收性
完全溶解 温和气味 较易
明显颗粒物 未溶解
刺激性气味 较易
预处理方法IV: AMIMCl预处理
100
葡萄糖产率 （%）
90 80 70 60 50 40 30 未处理 60℃ 70℃ 80℃ 90℃
AMIMCl预处理条件——反应温度
AMIMCl预处理中反应温度对褐藻残渣葡萄糖产率的影响
C
D
D: 2% H2SO4酸解褐 藻残渣溶出物TFA水解 后气相分析 E: 2% HCl酸解褐藻残 渣溶出物TFA水解后气 相分析
E
2%硫酸或盐酸酸解褐藻残渣溶出物气相色谱图
预处理方法II: 稀酸预处理
海藻废渣或低值海藻
2%硫酸预处理
纤维素结晶度降低 酶解：纤维素酶+二糖酶 酵母菌发酵 乙醇 实现纤维素和半纤维素的共利用 半纤维素最大化溶出 甘露糖、木糖 基因工程菌K011发酵
20.3° 16.3° 14.8° A 未处理样品 B 稀硫酸预处理样品 C AMIMCl预处理样品
21.2°
22.6°
A B C 5 15 25 2-Theta(° ) 35 45
不同处理的褐藻残渣的X射线衍射（XRD）图谱
小结：
褐藻残渣纤维素利用——预处理方法的选择
预处理方法 对酶解效果 影响 实验室水平 可行性 实验室水平 可行性 工业应用 现状 稀酸预处理 较好 CSLF预处理 较好
• Bio-ethanol : Sargassum, Ulva, Macrocystis • Bio-diesel : Microalgae
国家 日本 挪威
藻类 马尾藻 褐藻
转化产物 车用乙醇 乙醇
研究现状 07年启动生物质能源OSP项目，预计到2020 年实现年产200万L的燃料乙醇 可以实现转化，但是发酵条件不成熟
48 h 酶解时间（ ） 酶解时间 （h ）
7272
72
于50℃反应60 min
预处理方法IV: AMIMCl预处理
AMIMCl 预处理的不同方式的特点
预处理方式
油浴加热
微波辅助
[HSO3-pmim] [HSO4] 辅助催化 明显颗粒物未溶解 较低刺激性气味 难
[HSO3-pmim] [pTSA] 辅助催化 明显颗粒物未溶解 较低刺激性气味 难
pH nature
Reducing sugar mg/g samples
pH 10
H2O2 pretreatment
Enzymatic hydrolysis
Analysis of hydrolysates
400 300 200 100 0 0 ,0 0.2 ,6 0.2 ,12 0.5 ,6 0.5 ,12
Na2CO3
粗纤维、粗蛋白、 半纤维素、灰分
褐藻酸钠
海带 浸泡 消化 稀释 过滤
污染环境
固体废渣
排放 粉碎 乙醇转化原料
按干物质计，海带的工业利用率仅为30%，还有 约2/3的海带成分尚未得到利用，不但浪费了大 量的自然资源，而且还带来一系列环境污染问题 漂浮渣
Process
原料制备与组分分析
Step 1
预处理方法III: CSLF预处理
100 100 100 95 95
葡萄糖产率 （ % ） 葡萄糖产率 （ ） % 葡萄糖产率（ ） %
90 90 85 85 80 80 75 75 70 70 65 65 60 60
24 24 48 48
30min
65% 40 ℃
75% 50 ℃ 60min 85% 90min 60 ℃ 0.1% 硫酸
300
200
24
48
Time (h)
Reducing sugar mg/ml
0 0 24 48 72 96
12.0 9.0 6.0 3.0 0.0 24 48
Time (h)
Time (h)
3 乙醇发酵
发酵菌种
① 啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae ）SC、SY
第三届水产食品贮藏加工与质量安全控制新技术研讨会 暨海洋功能食品开发应用技术交流会
中国海洋大学 食品科学与工程学院
牟海津
研究背景
能源危机
第一代生物质
第二代生物质
陆生生物质 粮 食
海洋生物质
纤维质
海洋生物质能开发：
• Marsh gas (methane) : Macrocystis
• Hydrogen : Marine green microalgae
AMIMCl预处理
N-烯丙基-3-甲基咪唑氯（N-Ally-3-methylimidazolium chloride, AMIMCl）
洗涤干燥 AMIMCl 充氮气 磁力搅拌 纤维素
浸没渣体
密封
至溶解
再生
AMIMCl 回收
反应温度 反应时间 固液比
预处理方法I: H2O2预处理
Reducing sugar
AMIMCl预处理条件——固液比（w/w）
AMIMCl预处理中反应的固液比对褐藻残渣葡萄糖产率的影响 优化结果： 固液比1:10，80℃下反应2 h
预处理方法的选择：扫描电镜分析
未处理样品
稀硫酸处理样品
AMIMCl处理样品
稀酸预处理和AMIMCl预处理褐藻残渣的扫描镜像
预处理方法的选择：X射线衍射分析
预处理方法II: 稀酸预处理
1000
样品损失质量（mg）
900 800 700 600 500 400 300 0.10%
H2SO4 HCl
0.50%
1.00%
1.50%
2.00%
2.50%
酸处理浓度
图 1-1 不同浓度的酸酸解褐藻残渣固形物质量的损失情况 Fig. 1-1 Effect on mass loss of brown algae residue pretreated by acid of different concerntrations
AMIMCl 预处理
最好
操作简易
操作简易
程序繁琐
程序繁琐 一体化、循环性 好
操作较简易
操作较简易
设备要求高
循环性好
2 酶解
酶解时间
Glucose mΒιβλιοθήκη Baidu/ml
10.0 7.5 5.0 2.5 0.0
100
15.0
Cellulase
Cellulase & cellubiase
Glucose mg/g samples
a
Glucose (mg/g samples)
300 200 100 0
0.0 0.1
0h
0.5h
1.0h
1.5h
Acid concentration % (w/v)
0.2
0.5
1.0
优化结果：0.1%硫酸体系， 121℃反应1 h Ocean University of China Company Logo
1 预处理——新型预处理方法
CSLF预处理（Cellulose-Solvent-based Lignocellulose Fractionation ）
Ethanol Ethanol
Ethanol Ethanol
Ethanol
Ethanol
磷酸浓度 处理温度 处理时间
Bioethanol
1 预处理——新型预处理方法
0.1% 硫酸 0.1% 硫酸 Unpretreatment Unpretreatment
Unpretreat ment
24
酶解时间 （h）
图 1-4 图 CSLF 处理中不同温度对酶解葡萄糖产率的影响 图图 1-3 CSLF 处理中不同磷酸浓度对酶解葡萄糖产率的影响 Fig. 1-4 Effect on the glucose of brown algae residue by CSLF at different temperatures 图 图 1-5 CSLF yield 处理中不同加热时间对酶解葡萄糖产率的影响 Fig. 1-3 Effect on the glucose yield of brown algae residue by CSLF in phosphoric acid of different concerntrations 优化结果： 85% 磷酸浸没褐藻残渣， Fig. 1-5 Effect on the glucose yield of brown algae residue by CSLF for different time
预处理方法IV: AMIMCl预处理
100
葡萄糖产率 （%）
90 80 70 60 50 40 30 未处理 1h 1.5h 2h
AMIMCl预处理条件——反应时间
AMIMCl预处理中反应时间对褐藻残渣葡萄糖产率的影响
预处理方法IV: AMIMCl预处理
100
葡萄糖产率 （%）
90 80 70 60 50 40 30 未处理 1:05 1:10 1:15
琼胶酶
Chemical modification
Alteromonas sp.nov.SY37-12
Exoglycosidases hydrolysis Neutral monosaccharides Vibrio fluvialis 510－64 Ethanol transformation
褐藻胶 裂合酶
设计思路
褐藻残渣
纤维素的单一利用 预处理方式的优选
纤维素和半纤维素 共利用 稀酸
传统
新型
纤维素的有效预处理 半纤维素的最大降解
稀酸/过氧化氢
CSLF Ionic liquid - AMIMCl E. coli KO11
酵母菌 生物乙醇
生物乙醇
1 预处理——传统预处理方法
方法Ⅰ—— 稀硫酸
硫酸预处理
非专一性酶
海藻资源作为生物能源的优势
粮食安全，土地安全 结构特征：高碳水化合物、低木质素 数量充足：800万吨/年（野生和种植） 清洁能源：吸收CO2，不产生额外的温室气体排放 保护生物环境：防止赤潮、绿潮等自然灾害
海藻加工废弃物利用：变废为宝，保护环境
•原料-褐藻胶加工废弃物