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利用微藻热化学液化制备生物油的研究进展前言随着现代工业的飞速发展，大量化石能源消耗所带来的化石燃料紧缺和严重的环境污染问题已成为制约全球可持续发展的两大难题。
生物质能储量丰富，并且是唯一可以转化为液体燃料的可再生资源，现已逐渐成为国内外新能源研制和开发的热点。
而在众多的生物质中，微藻具有光合作用效率高、生物量大、生长周期短、环境适应能力强、易培养、脂类含量高、生长过程中可高效固定二氧化碳等特点，是制备生物质液体燃料的良好材料[1~5]。
利用微藻制备液体燃料在环保和能源供应方面都具有非常重要的意义，商业化前景良好[6，7]。
2007年， Williams[8]综合近年来的研究成果，指出微藻生物燃料的开发可以降低因使用化石能源给社会和环境带来的影响，将会成为未来生物燃料开发的趋势。
Ayhan Demirbas[9]则指出藻类即将成为最重要的生物燃料来源之一，微藻能源的广泛使用将会解决威胁全人类的全球气候变暖问题。
微藻热化学液化制备生物油技术将藻类转换成液体燃料的研究始于 20世纪 80年代中期，当时人们通常用溶剂萃取微藻中的脂类成分，分离得到油脂后进一步甲酯化或乙酯化生产生物柴油(萃取酯化法)。
该技术起步早，生产工艺相对成熟，所得油品质量好，使用性能与矿物石油基本相当，是目前国内外研究者以微藻为原料制备液体燃料最常用的实验室方法。
但萃取酯化法只能将微藻的脂类组分能源化，对原料脂类含量有较高要求，所得产物性能受脂类组成的影响很大，并存在生产步骤多、过程总体效率较低、能耗高等缺点，难以实现大规模工业化应用。
近年来，人们又研究采用热化学液化的方法将微藻转化为优质的生物油。
生物油是便于运输、存储的绿色燃料，经过精制可转化为替代石油的常规燃料。
生物油(由快速热解木材和微藻制备)与石油的部分典型属性值比较见表1[10]。
热化学液化方法预处理和生产过程简单、生产成本相对较低、转化率高，是实现藻细胞所有组分能源化，获得高产率绿色液体燃料的有效方法，对其进行深入研究，对于解决当前化石能源短缺和环境污染问题具有重要的现实意义。
乙醇燃料的发展趋势
乙醇燃料的发展趋势主要集中在以下几个方面：
1. 提高生产效率：随着技术的进步，乙醇燃料的生产效率不断提高。
通过研发更高效的生产方法和工艺，可以降低乙醇燃料的生产成本，提高其竞争力。
2. 开发新的原料和生产方法：目前乙醇燃料主要是通过植物和谷物的发酵获得的，但是这种生产方法存在一定的限制，例如需要大量耕地和水资源。
因此，未来的发展趋势是探索新的乙醇原料和生产方法，如利用废弃物、微生物发酵等。
3. 提高乙醇燃料的质量和纯度：乙醇燃料的纯度和质量对于其性能和可靠性至关重要。
为了满足汽车和发动机的需求，乙醇燃料需要进一步提高其纯度和质量，减少杂质含量，以确保其正常运行。
4. 推广乙醇燃料的应用：乙醇燃料在汽车、航空和船舶等领域具有广阔的应用前景。
未来的发展趋势是进一步推广乙醇燃料的使用，包括通过政府政策的支持和相关的基础设施建设来促进乙醇燃料的应用。
5. 研发生物乙醇技术：生物乙醇是利用生物质材料通过生物发酵产生的乙醇燃料。
未来的发展趋势是进一步研发和推广生物乙醇技术，以实现可持续发展和降低碳排放的目标。
总的来说，乙醇燃料的发展趋势是向着更高效、更环保和更可持续的方向发展。
通过技术创新和政策支持，乙醇燃料有望成为未来能源领域的重要部分。
一种g型褐藻寡糖雾化制剂的制作方法随着人们对健康意识的提升，越来越多的人开始关注天然、健康、绿色的食品和保健品。
而褐藻寡糖作为一种天然、绿色的保健品，因其具有多种生物活性，如抗炎、抗氧化、降血脂、降血糖等作用，成为了近年来备受瞩目的研究热点。
本文旨在介绍一种制备G型褐藻寡糖雾化制剂的方法，以期为褐藻寡糖的应用提供一种新的途径。
1.实验原料G型褐藻寡糖（分子量为2000~5000Da），葡萄糖，明胶，L-半胱氨酸，乙醇，无水乙醇，紫外线灯，紫外线分光光度计，雾化器，离心机，冰箱，pH计。
2.实验步骤2.1 G型褐藻寡糖的提取将干燥的G型褐藻粉末加入50mM Tris-HCl缓冲液中，搅拌至完全溶解后，用滤纸过滤。
将过滤液经10kD的超滤膜过滤，得到G型褐藻寡糖的提取物。
将提取物以乙醇：无水乙醇=1:1的比例混合，放入冰箱中冷藏过夜，离心去除沉淀，得到G型褐藻寡糖。
2.2 G型褐藻寡糖的修饰将G型褐藻寡糖与葡萄糖、明胶、L-半胱氨酸混合，pH值调整至7.0，室温下搅拌反应4h。
反应完毕后，用离心机离心去除沉淀，得到修饰后的G型褐藻寡糖。
2.3 G型褐藻寡糖的雾化制剂制备将修饰后的G型褐藻寡糖与乙醇混合，pH值调整至7.0，室温下搅拌反应1h。
反应完毕后，用离心机离心去除沉淀，得到G型褐藻寡糖雾化制剂。
3.实验结果3.1 G型褐藻寡糖的提取通过超滤膜对G型褐藻提取物进行过滤，得到了分子量为2000~5000Da的G型褐藻寡糖。
3.2 G型褐藻寡糖的修饰将G型褐藻寡糖与葡萄糖、明胶、L-半胱氨酸混合，pH值调整至7.0，反应4h后，离心去除沉淀，得到了修饰后的G型褐藻寡糖。
3.3 G型褐藻寡糖的雾化制剂制备将修饰后的G型褐藻寡糖与乙醇混合，pH值调整至7.0，反应1h后，离心去除沉淀，得到了G型褐藻寡糖雾化制剂。
4.实验分析4.1 G型褐藻寡糖的提取超滤膜对G型褐藻提取物进行过滤，可得到分子量为2000~5000Da的G型褐藻寡糖。
琼胶降解菌的筛选及其在龙须菜乙醇发酵中的初步应用唐鸿倩;钟名其;陈洋;杜虹【摘要】文章以龙须菜为原料,开展发酵产乙醇的基础研究,主要进行了高效琼胶降解菌的筛选和酶解条件的优化.利用琼胶为唯一碳源筛选出2株琼胶降解能力强的菌株QJ14和Hhjh,通过形态学观察和16s rDNA序列分析,对这两株菌株进行了鉴定,经NCBI数据库比对,确定QJ14为假单胞菌属,Hhjh为白色噬琼胶菌属.用QJ14和Hhjh产生的粗酶液酶解龙须菜酸解糊化液,并对影响酶解效果的因素,如起始pH 值、酶解时间、震荡处理、混合酶液比例等进行了优化,结果还原糖产量最高可达29.33 mg/g.通过比较酵母单菌发酵、混合菌发酵与分步酶解发酵,利用顶空气相色谱法(HS-GC法)检测发酵液中乙醇产量,结果表明,酵母单菌发酵和混合菌发酵几乎没有乙醇产生,分步酶解发酵的乙醇产量约为2.36mL/L.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2015(033)005【总页数】6页(P789-794)【关键词】筛选;16s rDNA;龙须菜;发酵;乙醇【作者】唐鸿倩;钟名其;陈洋;杜虹【作者单位】汕头大学理学院,广东汕头515063;汕头大学理学院,广东汕头515063;汕头大学理学院,广东汕头515063;汕头大学理学院,广东汕头515063【正文语种】中文【中图分类】TK6;TQ546随着石化能源的日益枯竭，以及石化能源使用过程中引起的环境污染日益严重，世界各国都在寻找开发可再生清洁能源。
生物乙醇作为可再生清洁能源，是石油的最好替代物之一。
目前，生物乙醇主要由甘蔗、玉米、红薯等粮食作物生产，虽然技术路线成熟，但存在与人争粮，与粮争地的问题，长期发展会导致粮食危机，因此，海藻乙醇引起科研人员越来越高的关注[1]。
目前，我国的海藻乙醇研究主要以海带等褐藻为原料[2]，以龙须菜为原料的研究鲜见报道。
龙须菜是我国海水养殖的重要品种，属于红藻门，杉藻目，江篱属，主要用于生产琼胶，作为鲍鱼养殖饲料，民间多用于入药[3]。
膜分离技术在生物发酵法生产燃料乙醇中的应用进展圈!里垒!垒膜分离技术在生物发酵法生产燃料乙醇中的应用进展申屠佩兰,邢卫红(南京工业大学化学化工学院,材料化学工程国家重点实验室,江苏南京,2]0009) 摘要膜分离作为一项高新技术可应用于生物发酵法生产燃料乙醇,在解决乙醇抑制微生物发酵,脱水制备高纯度燃料乙醇,对发酵液的处理及废水处理回用等方面具有重大作用,因而成为目前的研究热点.文中将传统发酵法生产燃料乙醇工艺和其他改进的发酵法生产燃料乙醇工艺进行了比较,对渗透汽化在生物发酵法制备燃料乙醇中的应用现状和膜技术对乙醇发酵废液的处理回用现状进行了详细的综述,并对膜技术在该领域中的发展趋势作了展望.关键词燃料乙醇,连续发酵,膜分离,渗透汽化燃料乙醇,也被称为乙烷基酒精或粮食酒精,是一种新能源,属于可再生能源l_1],作为石油的替代品和可再生能源,可以在能源供应的可持续发展中发挥积极的作用,使用含1O乙醇的混合汽油,可减少汽车的有害气体排放.燃料乙醇加入汽油后可提高燃料质量,是理想的汽油添加剂,特别对辛烷值的提高很有效口].在最近几年,由于发现以乙醇或者以汽油和乙醇的混合物作为燃料,可以减少CO和未完全燃烧烃类物质的排放],这为解决在最近几十年里由于石油的过度消耗而引起的环境污染问题,特别是大城市的环境污染问题提供了可能.2000年在瑞典召开的第13届国际醇燃料会议(IsAF)及2002年在泰国召开的第14届会议论文中有关乙醇的论文都比较多,表明了国际社会日益重视乙醇燃料的开发及应用引.生产生物乙醇的传统技术是以粮食和其它糖料作物等生物质为基础的.目前,世界各国生产的乙醇90来自这些生物质].这其中60来自甘蔗糖和甜菜糖,其余主要来自谷物,特别是玉米淀粉.在巴西,印度和南非,生产酒精的粗原料主要是甘蔗;在美国,主要是玉米;在法国,主要是甜菜.用淀粉生产糖,再将糖发酵后可以产生含乙醇混合物,然后通过蒸馏法从得到的混合物中将乙醇分离出来,就可以得到乙醇燃料.像小麦,大麦,马铃薯,废纸,锯屑,含糖份的秸秆,淀粉或植物纤维这些原料都可以通过酵母菌发酵产生乙醇,比如稻草等都可以用来发酵生产乙醇l_7J.但是以目前的生产水平,主要原料还是以谷物第一作者:硕士研究生(邢卫红研究员为通讯作者).*教育部新世纪优秀人才计划,江苏省"六大"人才高峰O6一A 048,江苏省高校产业化推进项目JH07014收稿日期:2008—06—132008V ol34NO.fl0(IotaI250)作物中的玉米,小麦,大麦,燕麦,水稻等;薯类作物中的甘薯,木薯,马铃薯等;糖料作物中的甘蔗,甜菜,高粱等,而其中的玉米已经成良性循环,按目前生产水平,谷物原料中的玉米以其栽培面积大并逐年扩增,亩产(目前亩产500kg--600kg)不断提高而占主导地位.燃料乙醇的发展前期以粮食原料为主,中后期将以纤维质生物质为主[8j.燃料乙醇的生产工艺存在着诸多问题,最主要的就是不能连续发酵生产,整个生产线耗能耗时比较严重.研究者们一直致力于连续发酵的研究,开发出了许多连续发酵的新技术,如溶剂萃取,真空蒸馏,C0. 气提,渗透蒸发连续发酵技术等l_9].其中,渗透蒸发技术由于能减少或消除产物对微生物的毒性,不对发酵过程产生干扰且过程简单,能耗较小,所以具有更突出的优越性.另外,乙醇生产的许多工序需要用大量的水,如湿法粉碎工艺浸泡用水,干法粉碎拌料用水,酵母菌扩培用水等,对水质要求高.本文将从连续发酵生产乙醇和发酵废水处理回用两个方面进行文献分析,展望膜分离技术在燃料乙醇生产中的应用前景.1发酵法生产乙醇1.1传统工艺发酵生产乙醇的现状和存在的问题乙醇的生产有2种方法:化学合成方法和生物发酵法.由于我国是一个传统的农业大国,盛产各种可用于乙醇发酵的生物资源,且成本低廉,因此生物发酵法生产燃料乙醇在技术和经济上都更合理.然而传统的生物发酵法多为间歇发酵方法,以淀粉质为原料的传统工艺流程图如图1所示.水蒸汽原料——预处理———蒸者糖化剂酒母蒸汽1上r——糖化—发酵——蒸馏CO2成品酒精杂醇油醛脂馏分酒糟图1以淀粉质为原料的发酵工艺乙醇发酵过程是个典型的产品抑制过程,即在发难于分离或不能分离的近沸点,恒沸点混合物的分离,酵过程中,随着发酵液中乙醇浓度达到6～10对有机溶剂及混合溶剂中微量水的脱除,对废水中少时,乙醇对酵母细胞的生长产生抑制作用甚至杀死酵量有机物的回收,对有机物/有机物分离和与反应耦母细胞而使糖转化为乙醇的反应停止.这种抑制使合,将反应生成物不断脱除等具有明显的经济上和技得传统的乙醇生产大多只能进行间歇生产,导致发酵术上的优势.渗透汽化技术在工业化方面的应用,最周期长,发酵液中酵母细胞密度低,细胞利用率小以早见报道的是1982年德国GFT(现属瑞士Sulzer及酒精生产效率低等问题.Chemtech公司)公司建造在巴西的试验工厂,用于从为了克服间歇发酵的缺点,人们提出了传统的连乙醇发酵液中脱水;随后El本也建造了5套装置用于续发酵工艺.即乙醇生产中,大型发酵罐组连续发酵有机溶剂脱水;GFT公司于1988年在法国建成150多采用5～6个发酵罐水平顺序串联.当第1个发酵/d的渗透汽化工业装置,用于乙醇脱水来精制乙罐的乙醇达到一定浓度时将其导入第2个发酵罐,并醇.在国内,清华大学等也设计建成几套生产装置.在第1个发酵罐中加入新鲜的基质.当第2个发酵然而,这些工程装置中所用的膜多数为有机膜及复合罐中也达到一定浓度的乙醇后导入第3个发酵罐,并膜口.由于渗透汽化应用到反应过程要求必须具有在第2个发酵罐中加入新鲜基质,依次类推,并能使耐高温,抗腐蚀等优越性能.因此,有机膜的应用中普多个发酵罐同时发酵而提高乙醇产率.尽管这种连遍存在不耐高温,易溶胀和易污染等缺陷.这就要求续发酵工艺减少了发酵辅助时间,提高了设备利用研究开发性能更加具有优势的渗透汽化膜材料.率,却不能从根本上解决产品抑制问题.为了解决这渗透汽化膜是一种极性膜,按结构可以分为均质个问题,人们致力于研究可开发在高细胞密度和无产膜和复合膜.均质膜的厚度较大,组分透过膜的阻力品抑制条件下的长期稳定连续发酵技术.其中的高大,渗透通量小,这种膜在实验室应用的比较多,实际细胞密度发酵会出现水溶液中的固体与气体物质的生产中不宜使用;复合膜则具有高通量高分离因子,溶解度,基质对生长的限制或抑制作用,基质与产物适于工业化生产口.根据膜的功能,渗透汽化膜可的不稳定性和挥发性,产物或副产物的积累达到抑制分为亲水性膜和亲乙醇性膜2类,亲水性膜优先透过生长的水平,高浓度的COz与热的释放速率,高的氧水,适宜分离含水量低的乙醇一水混合物(如分离乙需求以及培养基的黏度不断增加等方面的问题l_1.醇一水共沸物),可制得无水乙醇;亲乙醇性膜优先透于是又相继提出了其他更多的途径,如采用真空蒸过乙醇,适宜分离含乙醇量低的乙醇一水溶液.透水馏,溶剂萃取,CO.汽提,膜分离技术等.其中渗透膜材料是目前研究最广泛,最成熟的渗透汽化膜材汽化膜技术由于能减少或消除产物对微生物的毒性,料.按材料性质可分为有机膜,无机膜和有机无机复不对发酵过程产生干扰而且过程简单,能耗较小,所合膜.分子筛膜是一种结晶的无机微孔膜,具有规整以具有更为突出的优势.的分子尺度大小的孔道和良好的选择吸附性能,选择1.2膜分离乙醇连续发酵新技术的研究性通常要比有机膜高.Morigami等报道了NaA型渗透汽化与生物发酵进行耦合可以解决产品抑制分子筛膜在75℃渗透汽化脱除水/乙醇混合物(1O/问题,其突出优点为:典型的节能技术(低能耗,一般比9o)中水的分离因子高达100O0,通量为2.15kg/恒沸精馏节能1/2~3/4);典型的清洁生产技术(过程(m.?h)E13].这方面技术的应用在日本比较成熟,不引入其它组成,产品和环境不会受到污染);典型的特别是日本山口大学的Kita 等所在的研究小组在这便于放大粥合和集成技术.它特别适用于普通精馏方面开展了着有成效的研究工作.1999年,日本首生篓鲞差塑(璺笺塑I121FOODANDFERMENTATIONINDUSTRIES次将大型NaA型分子筛膜PV装置推向市场.这套装置由16套膜组件组成,每套膜组件有125根膜管(膜管外径12mm,长8Ocm,平均孔径1m),该装置在393K下渗透汽化分离质量分数为90的乙醇/水混合物,处理量为480kg/h,分离后残留水质量分数小于0.2,乙醇回收率96口,显示出了强劲的应用前景.目前已研究的透醇膜材料有有机硅聚合物,含氟聚合物和沸石分子筛等.聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜以其优异的疏水性,低的渗透阻力以及良好的热力学性质和化学稳定性而被广泛使用.PDMS膜的选择性通常在11以下,且提高分离因子一般以牺牲通量为前提.因此,大多数工作是基于PDMS的改性及其复合膜的制备来开展的.Mat—gorzata等研究了用PDMS-PAN—PV膜应用于渗透汽化系统而得到了对乙醇为8的高选择性及同时拥有达2.6～3.5kg/(m.?h)高通透量l1引.伍勇等报道了PDMS复合膜在真实发酵条件下工作24h仍能保持稳定的分离性能.当发酵液中的乙醇浓度为92.7～49.5g/L时,得益于发酵液中的酵母硅橡胶膜的总通量为1.49～1.164kg/(m?h),分离因子为6.9～7.8,相对于相同进料浓度的清洁模型溶液平均增加了31和14l1.Xiangli等报道了PDMS一陶瓷膜对浓度为4.3(wt)的进样进行分离,操作压力为460Pa,温度为343K情况下,得到高达19.5kg/ (m.?h)的总通量和5.7的乙醇对水的选择性,具有更好的优势口.ToruIkegami等研究采用了全硅沸石膜(silicalite)来分离乙醇/体系,并且还研究了sili—calite—silicone改进膜,针对乙醇/体系具有更好的分离效果.表面积为19.6Cm.的silicalite—silicone膜, 浓度为10(wt)的乙醇水溶液于600Pa压力及303K温度下可以得到0.23kg/(m?h)的通量和43的分离因子l_1引.MikihiroNomura等做了膜蒸馏器在发酵乙醇生产中的应用研究口.用silicalite分子筛膜分离乙醇发酵液,从乙醇含量为2O左右的液体中可以渗透得到98.2的乙醇,由于发酵液中的盐使乙醇对水的分离因子可以达到218的高选择性并保持了48h.渗透汽化透醇膜与生物反应器耦合具有可观的应用前景.Brien等[2..对渗透汽化透醇膜与生物发酵反应器耦合进行了详细分析:用单价200$/m,分离因子为1O.3,通量为0.15kg/(m.?h)的商品膜,以年产量为189250m.乙醇生产规模为例,对渗透汽化耦合的连续生产乙醇和传统间歇发酵作了比较.以9年为基准,发现耦合发酵成本122f兰旦璺!-曼璺:曼($1.056×10)比传统发酵($0.9079×10)略高.因此,只要将膜的通量和分离因子略微提高,即通量从0.15kg/(m.?h)提高到0.2kg/(m?h),或渗透侧乙醇质量分数从0.42提高到0.55,就可突破传统发酵成本.关于渗透汽化技术在燃料乙醇工艺中的应用进展,徐玲芳等人将涉及的膜材料,耦合工艺, 应用现状和经济评价进行了详细的综述Ⅲ2.指出开发耐高温,抗污染,分离性能高和低成本的渗透汽化膜材料是今后研究工作的重点.选择合适的集成过程,操作条件,膜清洗方法和流体力学设计良好的膜组件是需进一步完善的工作.2膜技术应用于生物发酵生产乙醇中的专利情况针对以上所讨论的膜技术在生物发酵生产乙醇上的用途,对这方面的专利情况进行分析.Sung等提出了反渗透与超临界CO.从乙醇水溶液中提取乙醇的工艺,即反渗透膜一侧压力为7.38～8.96MPa,温度为26.5～34℃下,超临界状态CO.对于乙醇水溶液的体积分数大于1.8,膜另一侧得到的渗透液则为浓度相对较低的乙醇溶液L2.Pasternak等提出了异氰酸酯具有至少2个以上一NCO官能团或单体光气具有至少2个以上～COCl官能团的聚合物膜的渗透汽化技术提取乙醇的工艺_2.徐南平等提出了双膜法生产无水乙醇的新工艺,该工艺涉及生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇的方法,提出了采用生物质发酵与渗透汽化(PV),蒸汽渗透(VP)技术集成制备无水乙醇的生产工艺.将发酵罐中含低浓度乙醇的发酵液抽出,通过微滤膜,透醇膜使乙醇透过增浓至含乙醇40～95(wt),根据所抽出发酵液的浓度不同,该增浓后的透过液可采用直接送入无机透水膜分离器渗透除水,或先初步蒸馏提浓,然后送入无机透水膜分离器渗透除去剩余水,最终得到99.5(wt)以上浓度的无水乙醇产品.该发明将乙醇发酵与无机膜渗透汽化,蒸汽渗透技术耦合,降低发酵过程中乙醇的抑制作用,提高生产能力,并节省了生产中的能耗,大大降低乙醇的生产成本口.双膜法生物质发酵与渗透汽化耦合生产无水乙醇的生产工艺流程图如图2所示.发酵罐7(wt)乙醇蒸馏透醇膜(PV)约6O(wt)乙醇透水膜图2双膜法燃料乙醇生产工艺之后,美国的MairalAnuragP(Us)等发明了针对轻质乙醇溶液及含乙醇与其他混合物的液体中乙醇的提取的工艺,主要是组合几个工序.该工艺包括发酵过程,初步膜过滤过程,蒸馏及脱水的第2次膜过滤过程_2引.该工艺与之前论述的双膜法生产无水乙醇工艺在很多方面具有相似之处.这种将生物发酵与渗透汽化耦合的工艺无疑将是工业化的发展方向,对提高乙醇产率及节能等方面具有重大的意义, 但关键仍然是上述的亲水性膜和疏水性膜.3发酵糟液废水的处理方法3.1乙醇发酵糟液的主要成分发酵液组分相当复杂,乙醇和少量乙醇的系列产物(即甲醇,酮等)被分离后,残留在母液中的主要成分为纤维素和非碳水化合物,如蛋白质,无机盐,粗脂肪等,这些均作为工业废水被排出.排出的酒糟液是水量最大,浓度最高的一种污水,每生产1t乙醇约排放13～16t的酒糟液,是乙醇行业最重要的污染.蒸馏后的酒精糟液成分根据原料的不同和工艺差异而有很大的不同.表1给出的是主要原料发酵后的酒糟液近似组成.表1通常的酒糟液的主要组成除杂f玉米通过对组分的分析,可以知道乙醇发酵后的废液里COD以及固体小颗粒等的含量都比较高,有机物的含量比较高,温度也较高,若不加以处理直接排放将会造成很大污染以及能源的浪费.针对糟液的不同组分,可以进行有选择的处理,有益于发酵的成分可以回收到工艺中去.例如可以将糟液废水中的糖回用于发酵工艺中.3.2常见的几种处理及回收方法针对传统酒精生产中存在的污染严重,污染治理困难等问题,江南大学毛忠贵教授等人从实现酒精清洁生产的角度出发,通过大量的基础研究,提出了"清液高浓度酒精发酵闭路循环工艺,,[引.该工艺中,蒸馏废液能否作为工艺用水进行循环利用,是实现酒精清洁生产的重要技术环节.文中研究了蒸馏废液作为配料用水对液化,糖化和发酵的影响,并进行了连续多批次循环发酵试验,探讨了蒸馏废液全循环的可行性,说明蒸馏废液回收利用是完全可行的l2.江鸿等对酒精糟液做蛋白饲料和发酵制取沼气处理,也达到了一定的回收净化的目的_3.张世军等发现用接枝共聚物(YSP一1絮凝剂)处理后的糟水可连续处理回用¨3.在工业生产中对废水回收利用,回用的初步阶段,人们通常会想到用二沉池微生物来消化处理,但是该方案的操作可行性比较差,需要考虑菌种的生活条件,而且消化时间较长,因此,不是一种很有效的回用方法.另外,国外的众多大的酒精企业都会作回收蛋白饲料处理,世界上首例实践酒糟清液全部回用的大型酒精企业是位于美国田纳西州的C.E.Lummus公司的Tennol酒精厂.处理流程如图3所示:图3酒精清液全部回用工艺(LBW)流程Ⅲ由LBW工艺的特点可见,它是一种很好的酒糟的大厂可以考虑采用.基于我国的情况,高能耗的工综合利用工艺,但是萨伯拉东磨机等设备尚需进VI.艺必定不能作为首选,而且这个工艺的清液回用时间整个工艺投资较大,只有以玉米为原料资金比较雄厚还有待延长.美国ADM公司在LBW流程的基础上生蔓鲞蔓塑(璺蔓塑2l123F00DANDFERMENTArr10N1NDU提出了图4的流程,能耗上比LBW工艺降低许多,液没有很好地回用.却只做了蒸馏废水和酵母的回收利用,对整个酒糟废玉米I——除杂蓉馏废水回收利用图4美国ADM公司用玉米生产燃料乙醇的工艺流程示意图.3.3膜分离技术在乙醇发酵液回收中的应用产的孔径为0.2mZrO.陶瓷膜处理肌苷发酵液,来膜分离技术作为一种新兴的高新技术,分离效果除去发酵液中的菌体和大分子胶体等,大幅度降低了理想,操作简便,在食品,化工,环保,医药,纺织,水处生产成本_PISOVAK.等利用3通道陶瓷膜理等领域都有着广泛的应用引.最早被应用到乙醇管在一乙醇发酵中试中对发酵糟液进行了微滤和超发酵分离领域的是乙烯透醇膜,Nguyen等观察到滤(孔径为1.4m～5ku)的研究.研究得出先用孔部分超滤膜的渗透率对于乙醇甲醇等液体具有提高径为0.2m的陶瓷膜进行处理,再将滤液用孑L径为的特点.姚仕仲等用Synder公司生产的PES超5Oku和15ku的陶瓷膜过滤后可作为工艺用水回滤膜(截留分子量为10000,操作时压力为0.11～用].丁重阳等运用陶瓷膜过滤技术在前期浓醪酒0.28MPa)和纳滤膜(复合膜,操作时压力为0.5～糟固液分离研究的基础上进行酒糟滤液回用的研究.0.6MPa)处理酵母废水,先用天然具有正电荷的壳聚结果表明淀粉利用率和发酵醪酒精度在回用5批后糖絮凝剂对废水进行预处理,色度和COD的去除率达到动态平衡[41].韩国的Jae —SokKim等研究了清分别为60和2O左右,再经超滤处理,酵母蛋白可洁的生产乙醇的工艺,做了陶瓷膜分离技术对酒糟液100回收,色度,浊度的去除率在90以上,膜透过的回收利用方面的研究z.主要思想就是将酒糟液液可用于生产回用;用纳滤膜处理,COD去除率大于经过陶瓷膜的超滤,然后回用于蒸煮阶段,观察其回9O,渗透液接近或达到排放标准.Tanabeetal用的稳定性情况.报道中指出该工艺将发酵后的液等将聚乙烯亚胺加到发酵液中以形成絮凝物,再通过体经八次循环回用后被证明该工艺过程是稳定的.膜过滤除去絮凝物而分离细胞,这一方法能改善膜的方亚叶等人的研究表明滤液回用对发酵结果没有明渗透性能口,从而使其应用效果更佳.无机陶瓷膜显的抑制作用,该工艺在酒精行业有很大的发展潜因具有耐热,耐酸,耐碱,易清洗,能耗低,使用寿命长等一系列优点,应用范围也不断拓宽,能更好地适应乙醇体系鹅].用陶瓷膜来分离发酵液的微生物,如菌体和酵母等的回收利用,已有许多成功应用的案例,如南京工业大学膜科学技术研究所以自行研制生124l璺I兰Q!!l曼力.其具体的工艺流程如图5和图6所示.r90～120℃1原料—+粉碎—+蒸寿—糖化——发酵—+蒸馏——两精t渗透(6o℃).膜系统斗一离心分离图5利用膜将酒糟液超滤回用于蒸煮阶段的工艺流程图清水;玉米粉——一拌料——低温蒸煮——一糖化——发酵f全回流滤液?一膜过滤?一酒液?一蒸馏ll滤渣酒精图6发酵液回用工艺流程图4膜技术在应用中存在的问题及展望将膜分离与发酵过程结合起来的思路已经逐渐成为生物化工领域的研究热点之一.尽管已经开展了许多膜技术应用于发酵生产乙醇中的研究,而且都显示出了膜技术的优势.然而,这其中还是有诸多工艺上的和工业化上的实际操作问题存在,如能耗及经济成本等问题.Dennis将渗透汽化膜工艺与传统问歇发酵进行了比较,认为从经济角度来讲,这种工艺暂时还没有绝对优势,但是如果能够提高膜的渗透通量和选择性,那么就能使其具有很大的竞争性.目前渗透汽化双膜法制备燃料乙醇基本处在实验室研究阶段,大规模工业化还有待继续研究开发.这主要体现在如何进一步提高膜的分离性能(通量,分离因子),膜材料和制膜工艺的研究是重点;如何解决膜应用过程中表现出功能随时间而下降的问题,控制膜的污染和防止膜本身的裂化是关键;如何解决膜工艺与发酵工艺的耦合问题,发酵周期和循环使用次数的选择和控制.发酵工业已成为膜分离技术的重要应用领域,膜分离技术将成为发酵工业技术进步的重要措施,相互之间的渗透和合作开发,必将带来广阔的发展前景.因此,在不远的将来,膜分离技术及其产业将发展得更加成熟和完善,必将成为乙醇发酵分离技术领域中一项具有相当优势的分离技术.参考文献1贾树彪,李盛贤,吴国峰.新编酒精工艺学EM].北京:化学工业出版社,2004.2802王成军.燃料乙醇在美国和巴西的发展EJ].国际石油经济,2005,13(5):513李铁民,马溪平,刘宏生.环境微生物资源原理与应用[M].北京:化学工业出版社,2005.1904周东坡,平文样,孙剑秋,等.通过灭活原生质体融合选育啤酒酵母新菌株_J].微生物,1999,39(5):454~4555张以祥,曹湘洪,史济春,等.燃料乙醇与车用乙醇汽油EM].北京:中国石化出版社,2004.336文铁桥,赵学慧.克鲁维酵母与酿酒酵母属间原生质体融合构建高温酵母菌株[J].菌物系统,1999,18(1):89～937李言郡,刘小杰,陈启和,等.利用稻草粉酶解产乙醇的初步研究口].中国酿造,2006,(9):16—188闵恩泽.利用可再生农林生物质资源的炼油厂一推动化学工业迈入"碳水化合物"新时代[J].化学进展,2006,18(2/ 3):131～1419钟月华.新型硅橡胶膜生物反应器制造乙醇连续发酵动力学研究[D].四川I大学博士学位论文,20031O余龙江.发酵工程原理与技术应用[M].北京:化学工业出版社,2006.13711陈镇,秦培勇,陈翠仙,等.渗透汽化和蒸汽渗透技术的研究,应用现状及发展[J].膜科学与技术.2003,23(4): 103～1O912王彦锋,陈砺,王红林,等.渗透汽化法在无水乙醇生产中的应用研究I-j].可再生能源2004,4(116):9～1513MorigamiY,KondoM,AbeJ,eta1.Thefirstlarge—scalepervaporationplantusingtubular-typemodulewith zeoliteNaAmembrane[J].SepnPurifnTech,2001,25(1—3):251～260。
第26卷 第2期2014年2月生命科学
Chinese Bulletin of Life SciencesVol. 26, No. 2Feb., 2014
文章编号：1004-0374(2014)02-0188-06褐藻生物乙醇的研究进展唐丽薇，尚淑梅，邰宏博，申冬玲，李卫娜，伊日布斯*(昆明理工大学生命科学与技术学院生物转化实验室，昆明 650500)
摘 要：利用大型褐藻转化生产的第三代燃料乙醇已受到研究者的广泛关注。我国拥有丰富的褐藻资源，具备了褐藻生物乙醇转化的有利条件。为了实现工业化生产，还需要通过筛选分离和基因工程手段获得高效发酵褐藻的优良菌株及优化预处理、发酵条件等。主要介绍了我国褐藻资源概况、预处理方法和微生物发酵褐藻不同组分生产乙醇的研究进展，提出了当前褐藻乙醇转化中存在的问题，展望了褐藻乙醇的发展方向。关键词：褐藻；生物乙醇；乙醇发酵菌株中图分类号：S216.2 文献标志码：A
Research progress on ethanol production by brown seaweedTANG Li-Wei, SHANG Shu-Mei, TAI Hong-Bo, SHEN Dong-Ling, LI Wei-Na, CHAGAN Irbis*(Laboratory of Bioconversion, Faculty of Life Science and Technology, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)
Abstract: As the third-generation bioethanol, the biofuels from macroalgae biomass fermentation have received the widespread attention of reseachers. There are rich resources of brown seaweeds in China, the favorable conditions of bioconversion of brown algae into ethanol have been possessed. However, in order to realize industrial production, we need to obtain fine strain, which can efficiently ferment brown algae by means of isolation and gene engineering, optimize pretreatment and fermentation conditions. This article focused on research situations of resource profile, the raw material pretreatments, microorganisms fermenting different components of algae into ethanol, it also proposed the current problems and prospects for kelp biomass into ethanol by microbial fermentation.Key words: brown seaweed; bioethanol; ethanol fermentation strains
收稿日期：2013-06-17； 修回日期：2013-11-17基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金*通信作者：E-mail: irbisc@gmail.com；Tel: 0871-65920211
随着气候的恶化和化石能源的告急，生物乙醇、生物柴油、氢气、沼气等生物能源的开发已迫在眉睫。生物乙醇因具有原料来源广，绿色可再生等优点而受到广泛关注。预计到2020年我国生物能源消费量占到整个石油消费量的20%，生物乙醇产量达1 500万吨[1]。以玉米、小麦和甘蔗等为原材料
的传统乙醇生产工艺成熟[2]，乙醇转化率高，但原料价格占整个生产成本的40%~75% [3]，还存在耕种面积受限和与人争粮的问题。而利用木质纤维素生产的第二代生物乙醇，由于原料预处理成本和纤维素酶生产成本过高，还缺乏戊糖发酵菌株，导致原料的乙醇转化率低，至今未能实现商业化生产。在此背景下，研究者们将科研重点放在了海洋生物质上，渴望为新能源产业找到新的解决途径。海洋占地球表面积的70% [4]，是地球上尚未充分开发利用的最大生物质资源宝库。我国在大型海藻栽培和养殖方面具备有利的自然条件、人力资源和技术优势，这些都成为我国发展海洋生物质能的重要基础[5]。褐藻是种类较多的类群之一，可达
DOI: 10.13376/j.cbls/2014028唐丽薇，等：褐藻生物乙醇的研究进展第2期1891 500多种
[6-7]，全球褐藻产量达1 600万吨[8]
，海
带 (Laminaria japonica或Saccharina japonica)是我国主要的经济藻类，年产量约占全球的95%[9]。
其中碳水化合物含量可达67%，是生产乙醇的理想原料[10-11]。利用藻类生产生物能源具有以下几点
优势[12]：首先，不占用耕地、生长周期短、光合效
率高及生物量大；其次，海藻几乎不含有木质素成分，经简单的预处理便可以被微生物发酵[13]；再次，
吸收CO2，可有效缓解温室效应[14]；加之，海藻培
育技术成熟及生长所需的人工、机械和肥料等成本也较陆生植物低。开发海藻类生产燃料乙醇的关键主要包括适合的藻类品种、高效的预处理方法和优良的发酵菌种[15]。目前，关于甘露醇及海藻酸发酵菌株的
改造、海藻酸裂解酶的分离纯化和海藻酸代谢途径等研究已有报道，但海藻中甘露醇、海带淀粉等成分的利用及预处理方法的研究还较少。本文将着重介绍微生物发酵褐藻生物质产乙醇过程中，褐藻不同成分生产乙醇的研究进展、预处理方法及未来发展方向。
1
褐藻分布及其化学成分
褐藻中较常见的有海带(Laminaria)、马尾藻 (Sargasso)和裙带菜(Undaria)等。我国境内的褐藻
除马尾藻生长在南方外，其他的主要都生长在北方沿海地区。自然生长的海带和裙带菜仅分布在辽东半岛和山东半岛海域，而人工养殖的海带已遍及长江以南，浙江、福建和广东等地。褐藻的化学成分如表1所示，主要包括：甘露醇、海藻酸、蛋白质、无机盐、粗纤维和海带淀粉等[16-17]，其中可发酵的碳水化合物占生物质干重的
30%~67%。
2 褐藻生产燃料乙醇的研究进展2.1 褐藻预处理
藻类含有多种结构复杂的多糖，为了提高微生物对碳水化合物的利用率，有必要对原材料进行预处理。目前常见的预处理方法有：粉碎、研磨、气爆、热酸水解和酶解[19]。其中褐藻的预处理方法包括：
高温高压稀酸法，提取其中的可溶性单糖和甘露醇成分；酶解法，经纤维素酶或海藻多糖酶酶解海藻粗纤维和海藻多糖；也可采用超高压酸解-酶解的复合水解工艺[20]。关于褐藻中海带的预处理和乙醇
发酵研究较多，而裙带菜、昆布等褐藻因生物量小、碳水化合物含量低[21]，国内外相关的乙醇转化研究
报道较少。Lee等[19]用稀酸水解和酶水解预处理裙
带菜，但糖化得率较低，仅有0.013 g葡萄糖/g裙带菜。海带水解液成分复杂，目前没有一种菌株能够利用其中的多种单糖和多糖成分，都需多种菌株混合协同发酵提高乙醇产量。2.2 发酵褐藻不同成分生产乙醇的研究
2.2.1 海带淀粉
海带淀粉(Laminaran或Laminarin)也称褐藻淀粉或昆布多糖，由1,3-β-D吡喃型葡萄糖组成的葡聚糖，支链由1,6-β糖苷键连接，部分糖链末端含有甘露醇残基，存在于细胞质中；褐藻中海带淀粉的含量高时可达到28.6%，而低时几乎没有。海洋中真菌和细菌等多种微生物都能分泌1,3-β葡聚糖酶，可将海带淀粉酶解成葡萄糖单体。较早研究褐藻发酵产乙醇的学者是Horn等 ，他们发现马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)和嗜鞣管囊酵母 (Pachysolen tannophilus) 能分泌海带淀粉酶，将海带淀粉酶解成葡萄糖并发酵产乙醇，但乙醇转化率都较低，分别为0.31 g/g和0.29 g/g
表1 常见褐藻类的主要成分[18] 占海藻干重百分比 (w/w) 藻类名称 甘露醇 海藻酸 粗纤维 灰分 蛋白质 海带淀粉 (mannitol) (alginate) (crude fiber) (ash) (protein) (1aminaran)
海带(L.japonica) 23.37 17.05 6.11 28.98 10.23 0.59匍枝马尾藻(S.polycystum) 1.78 14.00 7.79 23.73 15.48 -裙带菜(U.pinnatifida) 5.43 27.06 10.42 25.29 18.02 1.65昆布(E.kurome) 23.00 16.00 4.63 23.84 - -铁钉菜(I.okamurae) 4.42 18.24 42.92 17.31 11.94 5.45海蒿子(S.pallidum) 21.06 22.28 13.00 19.60 4.27 0.57海黍子(S.kjellmaninum) 5.53 15.75 15.19 24.01 11.98 0.97鼠尾藻(S.rhumbergir) 7.78 14.30 38.95 31.12 8.16 1.00
