前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的稀硫酸處理泥炭酶解的研究，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要：將草本泥炭用稀硫酸預處理后，經纖維素酶酶解、酵母發酵產乙醇，通過單因素實驗和正交實驗優化發酵工藝。確定最佳發酵工藝為：酵母加量０．１５％、發酵液ｐＨ值４．０、發酵溫度３８℃、發酵時間５４ｈ，在此條件下，草本泥炭發酵產乙醇的酒精度可達到３．８２％ｖｏｌ。
關鍵詞：草本泥炭；稀硫酸；發酵；乙醇
淀粉質原料［１］、糖蜜原料［２］已廣泛用于制備生物乙醇，以木質纖維素為原料的第二代生物乙醇對實現碳中和目標具有重要意義［３－４］。草本泥炭由多種草本植物殘體組成，含有豐富的纖維素、半纖維素，適合于生物乙醇的制備。張學才等［５］對酸法水解泥炭工藝及其水解液發酵制乙醇及單細胞蛋白進行了研究，發現酵母在泥炭水解液配制的培養基中繁殖力很強，且發酵濾液中含有乙醇。目前，我國的泥炭礦床類型主要以富營養草本泥炭為主，木本泥炭為輔，蘚類泥炭次之［６］，常被用作園藝基質［７］和有機肥料［８］。路亞楠等［９］研究發現，酸預處理能使泥炭的比表面積顯著增大、孔隙率提高，適合微生物定殖；李珺等［１０］研究發現，稀硫酸預處理泥炭能降解１．１７％纖維素、４．４４％半纖維素及９．３７％木質素；黃俊等［１１］研究發現，糖化發酵是木質纖維素生產燃料乙醇的關鍵步驟，對乙醇產量起決定性作用。在此，作者將草本泥炭用稀硫酸預處理后，經纖維素酶酶解、酵母發酵產乙醇，通過單因素實驗和正交實驗優化發酵工藝，擬為乙醇生產提供新途徑。
１實驗
１．１材料、試劑與儀器
草本泥炭，取自吉林；耐高溫釀酒酵母，安琪酵母股份有限公司。Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７、乙醇、硫酸、Ｃ６Ｈ１２Ｏ６，分析純，天津化學試劑三廠。高速冷凍離心機，安徽中科中佳科學儀器有限公司；ＵＶ７６５型紫外可見分光光度計，上海精科。
１．２草本泥炭酶解發酵產乙醇
將草本泥炭粉碎，過１００目篩；稱取草本泥炭粉末１０．０ｇ，按固液比１∶５（ｇ∶ｍＬ）加入５％稀硫酸于錐形瓶中，密封后置于１００℃水浴中加熱１２０ｍｉｎ，取出冷卻至室溫；調節ｐＨ值至４．８，加入纖維素酶３．０ｇ，于５０℃下磁力攪拌８ｈ，然后迅速置于沸水浴中使纖維素酶失活，即得酶解液；調節酶解液ｐＨ值，加入一定量的耐高溫釀酒酵母，充分攪拌后，置于一定溫度水浴中發酵一定時間，采用紫外可見分光光度計測定發酵液在６００ｎｍ處吸光度，根據乙醇標準曲線計算乙醇體積，按下式計算酒精度（１００ｍＬ溶液中乙醇的體積，％ｖｏｌ）。本實驗用酒精度反映草本泥炭酶解發酵產乙醇的效率。酒精度＝Ｖ０×ｃ×１００Ｖ×Ｖ１×ρ×１００％式中：Ｖ０為根據標準曲線計算得到的乙醇體積，ｍＬ；ｃ為乙醇標準溶液濃度，此處為０．０２ｇ?ｍＬ－１；Ｖ為樣品溶液的體積，ｍＬ；Ｖ１為樣品溶液稀釋后的體積，ｍＬ；ρ為２０℃時乙醇密度，此處為０．７９ｇ?ｍＬ－１。
１．３發酵工藝優化
１．３．１單因素實驗采用單因素實驗分別考察酵母加量（０．０５％、０．１０％、０．１５％、０．２０％、０．２５％）、發酵液ｐＨ值（４．０、４．５、５．０、５．５、６．０）、發酵溫度（３４℃、３６℃、３８℃、４０℃、４２℃）、發酵時間（４８ｈ、５４ｈ、６０ｈ、６６ｈ、７２ｈ）對草本泥炭發酵產乙醇的影響。１．３．２正交實驗在單因素實驗的基礎上，選擇酵母加量、發酵液ｐＨ值、發酵溫度、發酵時間為考察因素，以酒精度為評價指標，進行Ｌ９（３４）正交實驗進一步優化草本泥炭發酵產乙醇工藝，每組實驗做３個平行。
２結果與討論
２．１單因素實驗結果
２．１．１酵母加量對草本泥炭發酵產乙醇的影響在發酵液ｐＨ值為４．０、發酵溫度為４０℃、發酵時間為４８ｈ的條件下，考察酵母加量對酒精度的影響，結果如圖１所示。在發酵過程中，酵母可以將發酵液中的還原糖轉化為乙醇［１２］。由圖１可知，隨著酵母加量的增加，酒精度先升高后降低；當酵母加量為０．０５％時，酒精度為１．８６％ｖｏｌ，此時酵母不能充分利用發酵液中的糖分，即對草本泥炭的利用率較低；當酵母加量增至０．１５％時，酒精度達到最高，為２．４２％ｖｏｌ；當酵母加量繼續增至０．２５％時，酒精度降至１．９９％ｖｏｌ，這是由于，過量的酵母會導致菌種老化［１３］。因此，酵母加量以０．１５％較為適宜。２．１．２發酵液ｐＨ值對草本泥炭發酵產乙醇的影響在酵母加量為０．１５％、發酵溫度為４０℃、發酵時間為４８ｈ的條件下，考察發酵液ｐＨ值對酒精度的影響，結果如圖２所示。在發酵過程中，適宜的ｐＨ值有助于酵母的繁殖［１４］。由圖２可知，隨著發酵液ｐＨ值的增大，酒精度逐漸降低；當發酵液ｐＨ值為４．０時，酒精度最高，為２．８７％ｖｏｌ；當發酵液ｐＨ值為６．０時，酒精度降至２．０１％ｖｏｌ。表明當酸性環境逐漸減弱時，過高的發酵液ｐＨ值會使酵母活性降低，不利于乙醇的合成［１５］。因此，發酵液ｐＨ值以４．０較為適宜。２．１．３發酵溫度對草本泥炭發酵產乙醇的影響在酵母加量為０．１５％、發酵液ｐＨ值為４．０、發酵時間為４８ｈ的條件下，考察發酵溫度對酒精度的影響，結果如圖３所示。發酵溫度是發酵過程中最重要的影響因素，溫度過低不利于酵母的繁殖，溫度過高會導致酵母死亡［１６］。由圖３可知，隨著發酵溫度的升高，酒精度呈先升高后降低的趨勢，當發酵溫度為３８℃時，酒精度達到最高，為３．１４％ｖｏｌ；當發酵溫度升至４２℃時，酒精度迅速降至２．６４％ｖｏｌ。這是由于，較高的發酵溫度使酵母細胞活力下降，導致還原糖利用不完全，乙醇產量降低［１７］。因此，發酵溫度控制在３８℃較為適宜。２．１．４發酵時間對草本泥炭發酵產乙醇的影響在酵母加量為０．１５％、發酵液ｐＨ值為４．０、發酵溫度為３８℃的條件下，考察發酵時間對酒精度的影響，結果如圖４所示。由圖４可知，隨著發酵時間的延長，酒精度先迅速升高后緩慢降低；當發酵時間為４８ｈ時，發酵未完成，酒精度為２．９７％ｖｏｌ；當發酵時間延長至６０ｈ時，酒精度達到最高，為３．６２％ｖｏｌ；繼續延長發酵時間至７２ｈ時，酒精度降至３．３９％ｖｏｌ。這是由于，發酵時間過長，雜菌形成優勢菌群，不利于酵母的繁殖［１８］，且部分乙醇轉化為酯類物質，導致酒精度降低［１９］。因此，發酵時間控制在６０ｈ較為適宜。
２．２正交實驗結果
由表１可知，最佳工藝組合為Ａ１Ｂ１Ｃ２Ｄ１，即酵母加量０．１５％、發酵液ｐＨ值４．０、發酵溫度３８℃、發酵時間５４ｈ。此外，由極差分析可知，各因素對酒精度影響的大小順序為：Ｃ＞Ｄ＞Ａ＞Ｂ，即發酵溫度＞發酵時間＞酵母加量＞發酵液ｐＨ值，其中發酵溫度對草本泥炭發酵產乙醇的影響最大。
２．３最佳工藝驗證
將１０．０ｇ草本泥炭粉末經稀硫酸預處理和纖維素酶酶解后，在酵母加量為０．１５％、發酵液ｐＨ值為４．０、發酵溫度為３８℃、發酵時間為５４ｈ的最佳發酵工藝下進行驗證實驗，酒精度達到３．８２％ｖｏｌ，優于正交實驗的最佳預測值３．６７５９％ｖｏｌ，說明正交實驗優化的發酵工藝可行。
３結論
將草本泥炭用稀硫酸預處理后，經纖維素酶酶解、酵母發酵產乙醇，通過單因素實驗和正交實驗優化得到的發酵工藝為：酵母加量０．１５％、發酵液ｐＨ值４．０、發酵溫度３８℃、發酵時間５４ｈ，在此條件下，酒精度可達到３．８２％ｖｏｌ。
作者:李麗萍 馬力通 楊世波 單位:內蒙古科技大學化學與化工學院 生物煤化工綜合利用內蒙古自治區工程研究中心