一種固體堿糖化富碳微藻發(fā)酵制備燃料乙醇的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及生物能源制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種固體堿糖化富碳微藻發(fā)酵制備燃料乙醇的方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]微藻作為單細(xì)胞或者簡(jiǎn)單多細(xì)胞光合微生物，廣泛分布于各種環(huán)境中，能通過光合作用將太陽能、H20、大氣中的CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物，存儲(chǔ)于微藻生物質(zhì)內(nèi)。微藻的生長以大氣中CO2為主要碳源，每生產(chǎn)Ikg微藻生物質(zhì)，可以固定1.83kg的C02。為提高微藻的生長速率，減少溫室氣體的排放，人們通常利用工業(yè)廢氣(如煙道氣、小蘇打廠尾氣等)中的CO2作為碳源。還有研宄者將微藻培養(yǎng)與廢水處理結(jié)合起來，利用廢水中富含氮、磷等元素的特點(diǎn)，在生產(chǎn)微藻生物質(zhì)的同時(shí)處理廢水。從80年代開始，在美國能源部的“水生物種計(jì)劃”支持下，利用微藻生產(chǎn)燃料逐步成為全世界的研宄熱點(diǎn)并一直延續(xù)至今。近些年來，利用微藻糖化發(fā)酵乙醇成為世界各研宄機(jī)構(gòu)、能源科技公司都研宄的熱點(diǎn)?？稍偕锬茉丛诋?dāng)前的能源領(lǐng)域中顯得越來越重要，而生物乙醇占有舉足輕重的地位，如今化石液態(tài)燃料價(jià)格不斷上漲，世界各國都需要生物乙醇來補(bǔ)充能源缺口，研宄者都致力于開發(fā)生物乙醇的大規(guī)模生產(chǎn)工藝。目前世界上兩個(gè)最大的生物乙醇生產(chǎn)國美國和巴西，都是以糧食作物為原料。世界各地的生物乙醇生產(chǎn)大多數(shù)以糧食作物為原料，需要占用大量耕地，而且糧食的消耗還會(huì)刺激食品價(jià)格上漲，帶來諸多環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題。而第二代生物乙醇，即纖維素乙醇也面臨著很多難以突破的障礙。開發(fā)以非糧作物作為原料的廉價(jià)生物乙醇是可再生能源領(lǐng)域一個(gè)備受關(guān)注的話題。
[0003]微藻與傳統(tǒng)的制備生物乙醇的原料相比，具有資源更豐富、更易獲得等優(yōu)勢(shì)。微藻有營養(yǎng)吸收快、光合效率高、生長迅速等特點(diǎn)。陸生植物的光合效率一般都低于0.5%,但微藻的光合效率最高可達(dá)10%。高效的光合效率使得微藻細(xì)胞的生長周期縮短，其生物質(zhì)倍增時(shí)間平均為2— 5天，而某些藻類僅為6個(gè)小時(shí)，能夠在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量微藻生物質(zhì)。通過人工控制條件，微藻養(yǎng)殖可以全年進(jìn)行，大大提高了經(jīng)濟(jì)性，表明微藻在作為燃料乙醇原料方面具有很大優(yōu)勢(shì)。
[0004]微藻制備乙醇的原料是微藻生物質(zhì)中的碳水化合物，主要包括淀粉、纖維素、半纖維素等。微藻中如小球藻、衣藻、柵藻、螺旋藻等含有大量的纖維素和淀粉，有些微藻淀粉含量可與玉米、小麥等其它乙醇原料媲美。另外與其它木質(zhì)纖維素植物相比，微藻細(xì)胞內(nèi)木質(zhì)素和半纖維素含量更低，而且與植物中的纖維素I β不同，微藻細(xì)胞內(nèi)為纖維素I α，其氫鍵較弱，更易被降解為單糖。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明的目的是提供一種固體堿糖化富碳微藻發(fā)酵制備燃料乙醇的方法。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種固體堿糖化富碳微藻發(fā)酵制備燃料乙醇的方法，以富含碳水化合物微藻為原料，在固體堿作為催化劑的條件下，將微藻干粉或者濕藻糖化，然后發(fā)酵制備生產(chǎn)乙醇，包括以下步驟:
[0008]a、往微藻中加入水和固體堿催化劑，60—100 °C下水解60min_180min后過濾回收固體堿催化劑，將過濾后的微藻液用樹脂吸附處理，然后，按每升微藻液加入
0.5g (NH4) 2ΗΡ04、0.025g MgSO4.7H20、1.0g酵母膏的量，往吸附處理后的微藻液中加入(NH4)2HPO4, MgSO4.7H20和酵母膏，再加入Na2HPO4-檸檬酸緩沖液，調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH為
4.5-5.5 ;所述微藻干重和水的質(zhì)量比為1:5—1:50 ;固體堿催化劑與微藻干重的質(zhì)量比為1:20—1:100 ；
[0009]b、向步驟a所得的反應(yīng)體系按淀粉酶、纖維素酶分別為20_40FPU/g底物酶量加入淀粉酶、纖維素酶，50°C預(yù)水解12-24h ；
[0010]C、按體積比為5%的接種量將酵母(Saccharomyces cerevisiae)接種至步驟13所得反應(yīng)體系中，30°C發(fā)酵60-120h，得到產(chǎn)物乙醇。
[0011]所述的微藻富含碳水化合物，碳水化合物含量占微藻干重的40%以上，淀粉含量占微藻干重的20%以上。所述的微藻可以為室內(nèi)外培養(yǎng)的微藻品種。
[0012]所述固體堿催化劑為K0H/A1203，其制備方法如下:首先將Al2O3載體500°C焙燒2-6小時(shí)，采用等體積浸漬法將Al2O3載體浸漬于質(zhì)量濃度為10%的KOH溶液中，室溫下浸漬12h，結(jié)束后110°C下烘干，最后在馬弗爐中于600°C焙燒2-6小時(shí)即得。
[0013]所述酵母，取斜面保藏的Y2034菌株，用接種環(huán)挑取一環(huán)酵母菌體，接入到裝有50mLYEPD液體培養(yǎng)基的150mL三角瓶中，放置于恒溫?fù)u床中，調(diào)節(jié)溫度在30°C，在150rpm條件下振蕩培養(yǎng)12-24小時(shí)。接種到發(fā)酵培養(yǎng)基前，取相應(yīng)體積的種子液8000rpm尚心5min，倒掉上清，接種菌泥到發(fā)酵瓶中。酵母種子培養(yǎng)基YEF1D(w/v):蛋白胨2%，葡萄糖2%，酵母粉1%。
[0014]本申請(qǐng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果:
[0015]以富淀粉微藻為原料，采用固體堿催化和酵母發(fā)酵制備乙醇，與傳統(tǒng)的原料小麥、玉米等相比，微藻易得且生長快速，且微藻細(xì)胞內(nèi)木質(zhì)素和半纖維素含量更低，多糖含量豐富，且微藻細(xì)胞內(nèi)為纖維素Ia，其氫鍵較弱，更易被降解為單糖。傳統(tǒng)堿處理水解糖效率高，但是堿用量巨大，難于回收，同時(shí)糖類水解需要的堿度較低，選擇傳統(tǒng)的液體堿反應(yīng)體系不夠穩(wěn)定，難于控制。本申請(qǐng)固體堿催化劑可回收利用，堿度低反應(yīng)條件容易控制，簡(jiǎn)單環(huán)保，為微藻生物質(zhì)在生物質(zhì)能源方面的應(yīng)用提供了新的途徑，為微藻能源化利用研宄探索了新研宄方向。
【具體實(shí)施方式】
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[0016]以下是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。
[0017]實(shí)施例1:
[0018](I)將經(jīng)過離心濃縮的小球藻(碳水化合物含量30% ±2% )藻泥200g(干重40g)培養(yǎng)液至于反應(yīng)裝置中，加入水體積為400ml，加入固體堿催化劑2g ;反應(yīng)釜溫度為60°C水解120min后過濾回收固體堿催化劑，將過濾后的微藻液用樹脂吸附處理，然后，按每升微藻液加入0.5g(NH4)2HPO4^0.025g MgSO4.7H20、1.0g酵母膏的量，往吸附處理后的微藻液中加入(NH4)2HP04、MgSO4.7H20和酵母膏，再加入Na2HPO4-檸檬酸緩沖液，調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的 pH 為 4.5-5.5。
[0019](2)向步驟(I)所得的反應(yīng)體系按淀粉酶、纖維素酶分別為40FPU/g底物酶量加入淀粉酶和纖維素酶，50°C預(yù)水解24h。
[0020](3)按5 % (v/v)的接種量將酵母(YPD液體培養(yǎng)基30°C培養(yǎng)24h活化)接種至步驟(2)得到