1、第52 卷第2 期 当 代 化 工 Vol.52，No.2 2023年2月 Contemporary Chemical Industry February，2023 基金项目基金项目：国家自然科学基金项目(项目编号：21766025)；内蒙古科技大学基本科研业务费专项资金资助(2022 年度)。收稿日期收稿日期：2022-02-14 作者简介作者简介：李丽萍（1999-），女，内蒙古鄂尔多斯市人，在读硕士研究生。E-mail：。通信作者通信作者：马力通（1979-），男，博士，教授，研究方向：低阶煤炭和生物质转化。E-mail：。氢氧化钠预处理泥炭酶解发酵 产乙醇实验研究 李丽萍1，马力通1,
2、2，潘存龙1（1.内蒙古科技大学 化学与化工学院，内蒙古 包头 014010；2.生物煤化工综合利用内蒙古自治区工程研究中心，内蒙古 包头 014010）摘 要：通过发酵实验研究草本泥炭产乙醇的影响因素，为探索泥炭的乙醇化利用途径奠定基础。首先用碱溶液对粉粹后的草本泥炭预处理，然后纤维素酶酶解，将酶解液控制在不同发酵条件下开始厌氧发酵，研究时间、pH、温度和酵母加入量 4 个因素对实验的影响，最后通过正交试验选择草本泥炭发酵产乙醇的最佳工艺条件。结果表明：草本泥炭可以通过酶解发酵产生乙醇；酵母加入量对草本泥炭发酵产 CH3CH2OH 的影响最大；在发酵时间 48 h、发酵温度 41、发酵 pH
3、=3.0、酵母加入量 0.75%时，酒精度可达到 2.67%（体积分数）。关 键 词：草本泥炭；预处理；发酵；乙醇；正交试验 中图分类号：TQ536.9 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2023）02-0263-05 Experimental Study on Ethanol Production by Enzymatic Hydrolysis and Fermentation of Peat Pretreated With Sodium Hydroxide LI Li-ping1,MA Li-tong1,2,PAN Cun-long1（1.School of Chemistry
4、 and Chemical Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou Inner Mongolia 014010,China;2.Inner Mongolia Engineering Research Center of Comprehensive Utilization of Bio-coal Chemical Industry,Baotou Inner Mongolia 014010,China）Abstract:The influencing factors of ethanol prod
5、uction from herbaceous peat were studied by fermentation experiments,which laid a foundation for exploring the ethanol utilization of peat.Firstly,the powdered peat was pretreated with alkaline solution,and then enzymatically hydrolyzed by cellulase.The enzymatic hydrolysate was controlled to start
6、anaerobic fermentation under different fermentation conditions.The effects of time,pH,temperature and yeast addition on the experiment were studied.Finally,the optimal process conditions for ethanol production by herbaceous peat fermentation were selected by orthogonal test.The results showed that h
7、erbaceous peat could produce ethanol by enzymatic fermentation.Yeast addition had the greatest impact on CH3CH2OH production from herbaceous peat fermentation.When the fermentation time was 48 h,the fermentation temperature was 41,the fermentation pH was 3.0 and the yeast addition was 0.75%,the alco
8、hol volume fraction was 2.67%.Key words:Herbaceous peat;Pretreatment;Fermentation;Ethanol;Orthogonal test 泥炭是植物有机体在水分过多、空气不足的条件下，通过厌氧微生物的缓慢分解而逐渐累积形成，主要来自于藓类和草本植物，在不同程度上保留了原始植物所固有的碳水化合物、木质素等物质，具有较高的生物活性，并且相较于褐煤和风化煤，泥炭中的大分子物质含量更多1-2。我国泥炭资源较为丰富，当前泥炭主要利用方式依旧是作为育苗基质或者有机肥料，并不能充分发挥泥炭资源的经济价值3，因此开发泥炭多元化产品越来越
9、受到人们重视。近年来，有研究人员发现泥炭可以作为化工原料生产清洁能源、腐植酸化学品。郝思雯4等发现添加腐植酸降解产物苯甲醛有利于促进泥炭生物甲烷转化。LU5等探索甲烷发酵与黄腐酸提取耦合工艺，发现硫酸预处理可以促进甲烷发酵过程，废渣提取黄腐酸得率下降，纯度增加。目前，乙醇主要有两种生产方式，合成法和发酵法6-7。发酵法是以生物质为原料通过发酵的方式制备生物乙醇8。而现有研究大多通过玉米秸 秆9-10、马铃薯秸秆11、微藻12、厨余垃圾13-14、甜高粱蔗渣15、稻草16等为原料生产乙醇，有关泥炭发酵产乙醇的报道少之又少。张学才17对酸法水解泥炭和水解液发酵制乙醇及单细胞蛋白进行研究，发现由泥炭
10、的水解液制备出的培养基中酵母繁殖力很强，而且发酵滤液中含有 CH3CH2OH。草本泥炭是由草本植物残体形成，含有丰富的纤维素、DOI:10.13840/21-1457/tq.2023.02.005 264 当 代 化 工 2023年2月 半纤维素，故适合于生物乙醇的制备。预处理是决定后续酶解效果的关键步骤，物理法、化学法等预处理工艺是目前主要的研究方 向18。孟艳19等发现酸、碱预处理均对木质纤维素有一定的降解作用；马力通20等研究碱处理泥炭条件优化，发现碱预处理泥炭能够降解 1.22%纤维素、0.56%半纤维素，还原糖质量分数达到 2.33%。所以，本研究通过 NaOH 预处理、纤维素酶酶解
11、，来提高草本泥炭的生物可降解性；通过分析发酵液的酒精度，研究草本泥炭产乙醇的最佳工艺条件，为发酵法产乙醇提供可行原料，进而探索草本泥炭的乙醇化利用途径。1 材料与方法 1.1 试剂和仪器 草本泥炭来自于内蒙古蒙肥生物科技有限公司，其有机质组分见表 1。耐高温酿酒安琪酵母购自安琪酵母股份有限公司。无水亚硫酸钠、重铬酸钾、3,5-二硝基水杨酸、酒石酸钾钠、氢氧化钠、无水乙醇、盐酸、葡萄糖，均为分析纯，购自天津市化学试剂三厂。仪器：高速冷冻离心机，安徽中科中佳科学仪器有限公司；可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司。表 1 草本泥炭有机质组分 Table 1 The organic matter
12、components of peat 项目 组分 质量分数/%1 纤维素 10.450 2 半纤维素 16.992 3 木质素 16.667 4 灰分 8.991 1.2 实验过程 1.2.1 草本泥炭发酵产乙醇的单因素试验 泥炭粉碎过筛，得到 100 目（0.150 mm）草本泥炭 10.0 g，按固液比（gmL-1）112 加入 3%的NaOH 溶液 120 mL 于 250 mL 锥形瓶中，70 的水浴锅中加热 110 min，然后取出冷却到室温。调节pH 至 5.5，称取纤维素酶 3.5 g 加入锥形瓶中，控制温度为 50，磁力搅拌 4 h 后迅速将其放入沸水浴中加热 10 min 使
13、纤维素酶失活，得到酶解液。HCl 调节酶解液 pH 至 4.0，并将处理好的酶解液倒入发酵瓶中，然后将耐高温酿酒高活性酵母（初始酵母加入量为酶解液质量的 0.70%）与 2%的C6H12O6溶液先在烧杯中搅拌溶解，再放入 38 的水浴锅中活化 30 min，一并倒入装有酶解液的发酵瓶中，充分搅拌后，将发酵装置放入 39 的水浴锅中开始乙醇发酵。考察发酵 pH、温度、时间和酵母的加入量对草本泥炭发酵产 CH3CH2OH 的影响。利用分光光度法测定酒精度，波长为 600 nm，绘制乙醇标准曲线，由公式（1）计算处理液中的酒精度。X=(AC100)/(VV0)100%。（1）式中：X100 mL 溶
14、液中乙醇的体积数，%；A由标曲得到 CH3CH2OH 体积数，mL；CCH3CH2OH 标准液质量浓度，本实验用 0.02 gmL-1；V所取样品的体积，mL；V0所取样品稀释后的体积，mL；20 时酒精密度为 0.79 gmL-1。1.2.2 正交试验 依据发酵温度、pH、时间和酵母加入量 4 个单因素的实验结果，进行发酵产 CH3CH2OH 的条件优化正交试验，L9（34）正交表见表 2，分析结果并找出发酵产乙醇的最佳实验条件。表 2 正交试验因素与水平 Table 2 Orthogonal test factors and levels 项目 发酵时间/h 酵母加入量/%发酵 pH 发酵
15、温度/1 48 0.70 3.0 37 2 54 0.75 3.5 39 3 60 0.80 4.0 41 依照上表数据进行实验，重复 3 次。2 结果与讨论 2.1 单因素试验 2.1.1 发酵时间对泥炭发酵产 CH3CH2OH 的影响 pH 值为 4.0、发酵温度 39、酵母的加入量为 0.70%的条件下探究发酵时间对草本泥炭发酵产CH3CH2OH 的影响，计算酒精度，结果图 1 所示。图 1 发酵时间对酒精度的影响 Fig.1 Effect of fermentation time on alcohol volume fraction 发酵时间是酵母发酵产CH3CH2OH的一个重要 第
16、52 卷第 2 期 李丽萍，等：氢氧化钠预处理泥炭酶解发酵产乙醇实验研究 265 指标，随着发酵时间的增长酒精度增高，在 54 h 时酒精度出现峰值 1.56%（体积分数），而当发酵时间为 60 h 时，酒精度降低到 1.41%（体积分数）。这说明发酵时间太短，糖分的利用率低21，对泥炭利用不完全；发酵时间过长，杂菌会形成优势菌群不利于正常酵母菌的增殖22，而且发酵时间过长泥炭降解纤维素产生的还原糖已被完全利用，导致酵母无法获得充足的营养，便将产生的 CH3CH2OH 作为碳源，也会导致酒精度降低23。故在上述条件下，发酵时间应控制在 54 h。2.1.2 酵母加入量对泥炭发酵产 CH3CH2OH 的影响 发酵时间 54 h、发酵温度 39、pH 值 4.0 的条 件 下 探 究 酵 母 加 入 量 对 草 本 泥 炭 发 酵 产CH3CH2OH 的影响，计算酒精度，结果如图 2 所示。图 2 酵母加入量对酒精度的影响 Fig.2 Effect of yeast addition on alcohol volume fraction 在乙醇发酵开始时，酵母菌就会转化发酵液中的还原糖为乙