海藻化工殘?jiān)囊掖嫁D(zhuǎn)化技術(shù)研究-

1、中 國(guó) 海 洋 大 學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院牟海津第三屆水產(chǎn)食品貯藏加工與質(zhì)量安全控制新技術(shù)研討會(huì)暨海洋功能食品開發(fā)應(yīng)用技術(shù)交流會(huì) 研究背景研究背景能源危機(jī)第一代生物質(zhì)第二代生物質(zhì)陸生生物質(zhì)海洋生物質(zhì) 糧 食 纖 維 質(zhì) 海洋生物質(zhì)能開發(fā)：海洋生物質(zhì)能開發(fā)：Marsh gas (methane) : Macrocystis Hydrogen : Marine green microalgae Bio-ethanol : Sargassum, Ulva, MacrocystisBio-diesel : Microalgae國(guó)家國(guó)家藻類藻類轉(zhuǎn)化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀日本日本馬尾藻馬尾藻車用乙醇車

2、用乙醇07年啟動(dòng)生物質(zhì)能源年啟動(dòng)生物質(zhì)能源OSP項(xiàng)目，預(yù)計(jì)到項(xiàng)目，預(yù)計(jì)到2020年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)200萬萬L的燃料乙醇的燃料乙醇挪威挪威褐藻褐藻 乙醇乙醇可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，但是發(fā)酵條件不成熟可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，但是發(fā)酵條件不成熟美國(guó)美國(guó)微藻微藻生物柴油生物柴油相當(dāng)于每年每英畝生產(chǎn)相當(dāng)于每年每英畝生產(chǎn)138噸生物柴油噸生物柴油 西班牙西班牙綠藻綠藻生物柴油生物柴油每天從每天從2m3 的水中生產(chǎn)的水中生產(chǎn)6kg “生態(tài)石油生態(tài)石油” 海藻特征性多糖Marine special polysaccharidesSpecific depolymerizationMarine oligosaccharidesC

3、hemical modificationExoglycosidases hydrolysisNeutral monosaccharidesEthanol transformationcarrageenanalginate單糖組成硫酸基糖醛酸內(nèi) 醚 卡拉膠酶卡拉膠酶瓊膠酶瓊膠酶 褐藻膠褐藻膠裂合酶裂合酶 Cytophaga sp. MCA-2 Alteromonas sp.nov.SY37-12Vibrio fluvialis 51064非專一性酶非專一性酶海藻資源作為生物能源的優(yōu)勢(shì) 糧食安全，土地安全 結(jié)構(gòu)特征：高碳水化合物、低木質(zhì)素 數(shù)量充足：800萬噸/年（野生和種植） 清潔能源：吸收CO

4、2，不產(chǎn)生額外的溫室氣體排放 保護(hù)生物環(huán)境：防止赤潮、綠潮等自然災(zāi)害 海藻加工廢棄物利用：變廢為寶，保護(hù)環(huán)境原料原料-褐藻膠加工廢棄物褐藻膠加工廢棄物 海帶 浸泡 消化 稀釋 過濾 固體廢渣固體廢渣排放污染環(huán)境粗纖維、粗蛋白、粗纖維、粗蛋白、半纖維素、灰分半纖維素、灰分 Na2CO3粉碎乙醇轉(zhuǎn)化原料褐藻酸鈉漂浮渣漂浮渣按干物質(zhì)計(jì)，海帶的工業(yè)利用率僅為30%，還有約2/3的海帶成分尚未得到利用，不但浪費(fèi)了大量的自然資源，而且還帶來一系列環(huán)境污染問題乙醇發(fā)酵乙醇發(fā)酵Step 3預(yù)處理預(yù)處理稀酸稀酸離子液體離子液體原料制備與組分分析原料制備與組分分析 Step 1ProcessStep 2酶解制備可

5、發(fā)酵單糖酶解制備可發(fā)酵單糖 Step 4Ethanol半纖維素中單糖組分 甘露糖葡萄糖巖藻糖半乳糖木糖含量（%）34.630.917.39.97.3漂浮渣的化學(xué)組成漂浮渣的化學(xué)組成 (% 干重干重 w/w) 化學(xué)組分化學(xué)組分組分纖維素半纖維素木質(zhì)素含量（%）27.312.513.0半纖維素的單糖組成半纖維素的單糖組成 (%) 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路纖維素的單一利用預(yù)處理方式的優(yōu)選纖維素和半纖維素共利用褐藻殘?jiān)滦蛡鹘y(tǒng)稀酸/過氧化氫CSLFIonic liquid - AMIMCl纖維素的有效預(yù)處理纖維素的有效預(yù)處理半纖維素的最大降解半纖維素的最大降解酵母菌E. coli KO11稀酸生物乙醇生物乙醇

6、Company Logo水解 方法方法 H2O2硫酸預(yù)處理粉碎 20-80 目目 方法方法 稀硫酸稀硫酸pH: 自然自然 & 10.0時(shí)間時(shí)間: 6-12hH2O2 濃度濃度: 0.2-0.5 % H2O2 預(yù)處理纖維素酶纖維素酶半纖維素酶半纖維素酶時(shí)間時(shí)間: 0.5-1.5h酸濃度酸濃度: 0.0-2.5 % 溫度溫度: 121 C1 預(yù)處理預(yù)處理傳統(tǒng)預(yù)處理方法傳統(tǒng)預(yù)處理方法CSLF預(yù)處理（預(yù)處理（Cellulose-Solvent-based Lignocellulose Fractionation ）EthanolEthanolEthanolEthanol磷酸濃度處理溫度處理時(shí)間Bioe

7、thanolEthanolEthanol1 預(yù)處理預(yù)處理新型預(yù)處理方法新型預(yù)處理方法AMIMCl預(yù)處理預(yù)處理N-烯丙基烯丙基-3-甲基咪唑氯（甲基咪唑氯（N-Ally-3-methylimidazolium chloride, AMIMCl） AMIMCl浸沒渣體充氮?dú)饷芊獯帕嚢柚寥芙饫w維素再生洗滌干燥AMIMCl回收反應(yīng)溫度 反應(yīng)時(shí)間 固液比1 預(yù)處理預(yù)處理新型預(yù)處理方法新型預(yù)處理方法Company Logo預(yù)處理方法I: H2O2預(yù)處理Reducing sugarGlucose H2O2 pretreatment Analysis of hydrolysates Enzymatic hy

8、drolysis預(yù)處理方法II: 稀酸預(yù)處理Company Logo還原糖Ocean University of China優(yōu)化結(jié)果：0.1%硫酸體系，121反應(yīng)1 h Sulfuric acid Pretreatment Analysis of hydrolysates Enzymatic hydrolysis葡萄糖預(yù)處理方法II: 稀酸預(yù)處理 褐藻殘?jiān)?jīng)不同濃度的硫酸或鹽酸水解后剩余固形物組分分析預(yù)處理方法II: 稀酸預(yù)處理 2%硫酸或鹽酸酸解褐藻殘?jiān)艹鑫餁庀嗌V圖A: 標(biāo)準(zhǔn)品B: 2% H2SO4酸解褐藻殘?jiān)艹鑫镏苯友苌瘹庀喾治鯟: 2% HCl酸解褐藻殘?jiān)艹鑫镏苯友苌瘹庀喾治?/p>

9、D: 2% H2SO4酸解褐藻殘?jiān)艹鑫颰FA水解后氣相分析E: 2% HCl酸解褐藻殘?jiān)艹鑫颰FA水解后氣相分析實(shí)現(xiàn)纖維素和半纖維素的共利用預(yù)處理方法II: 稀酸預(yù)處理海藻廢渣或低值海藻2%硫酸預(yù)處理纖維素結(jié)晶度降低半纖維素最大化溶出酶解：纖維素酶+二糖酶酵母菌發(fā)酵基因工程菌K011發(fā)酵甘露糖、木糖乙醇圖圖圖圖圖預(yù)處理方法III: CSLF預(yù)處理優(yōu)化結(jié)果：85%磷酸浸沒褐藻殘?jiān)?，?0反應(yīng)60 min 預(yù)處理方式預(yù)處理方式油浴加熱油浴加熱微波輔助微波輔助HSO3-pmim HSO4輔助催化輔助催化HSO3-pmimpTSA輔助催化輔助催化視覺評(píng)價(jià)視覺評(píng)價(jià)完全溶解明顯顆粒物未溶解明顯顆粒物未

10、溶解明顯顆粒物未溶解氣味評(píng)價(jià)氣味評(píng)價(jià)溫和氣味刺激性氣味較低刺激性氣味較低刺激性氣味可回收性可回收性較易較易難難 AMIMCl 預(yù)處理的不同方式的特點(diǎn)預(yù)處理方法IV: AMIMCl預(yù)處理 AMIMCl預(yù)處理中反應(yīng)溫度對(duì)褐藻殘?jiān)咸烟钱a(chǎn)率的影響預(yù)處理方法IV: AMIMCl預(yù)處理 AMIMCl預(yù)處理中反應(yīng)時(shí)間對(duì)褐藻殘?jiān)咸烟钱a(chǎn)率的影響預(yù)處理方法IV: AMIMCl預(yù)處理 AMIMCl預(yù)處理中反應(yīng)的固液比對(duì)褐藻殘?jiān)咸烟钱a(chǎn)率的影響預(yù)處理方法IV: AMIMCl預(yù)處理優(yōu)化結(jié)果：固液比1:10，80下反應(yīng)2 h 稀酸預(yù)處理和AMIMCl預(yù)處理褐藻殘?jiān)膾呙桤R像未處理樣品稀硫酸處理樣品AMIMCl處理樣品

11、預(yù)處理方法的選擇：掃描電鏡分析 不同處理的褐藻殘?jiān)腦射線衍射（XRD）圖譜A 未處理樣品B 稀硫酸預(yù)處理樣品C AMIMCl預(yù)處理樣品14.816.322.620.321.2預(yù)處理方法的選擇：X射線衍射分析褐藻殘?jiān)w維素利用褐藻殘?jiān)w維素利用預(yù)處理方法的選擇預(yù)處理方法的選擇小結(jié)：小結(jié)：預(yù)處理方法預(yù)處理方法稀酸預(yù)處理稀酸預(yù)處理CSLF預(yù)處理預(yù)處理AMIMCl預(yù)處理預(yù)處理對(duì)酶解效果對(duì)酶解效果影響影響較好較好最好實(shí)驗(yàn)室水平實(shí)驗(yàn)室水平可行性可行性操作簡(jiǎn)易程序繁瑣操作較簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)室水平實(shí)驗(yàn)室水平可行性可行性操作簡(jiǎn)易程序繁瑣操作較簡(jiǎn)易工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)狀設(shè)備要求高一體化、循環(huán)性好循環(huán)性好2 酶解 酶解

12、時(shí)間酶解時(shí)間 酵母菌發(fā)酵方式的研究酵母菌發(fā)酵方式的研究分步糖化發(fā)酵(Separate hydrolysis and fermentation, SHF )：酶解96h后補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)鹽開始發(fā)酵同步糖化發(fā)酵(Simultaneous saccharification and fermentation, SSF )：需要篩選耐高溫菌種半同步糖化發(fā)酵(Semisimultaneous saccharification and fermentation, SSSF)：酶解24h后發(fā)酵 啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae ）SC、SY Escherichia coli K011發(fā)酵菌種發(fā)酵菌種3 乙醇發(fā)酵 不同發(fā)酵方式對(duì)酵母菌利用褐藻殘?jiān)a(chǎn)乙醇的影響酵母菌發(fā)酵方式的研究酵母菌發(fā)酵方式的研究3 乙醇發(fā)酵Escherichia coli K011對(duì)單糖的發(fā)酵情況 不同溫度對(duì)E. coli K011發(fā)酵木糖的影響E. coli K011 24h轉(zhuǎn)化其它單糖的能力Escherichia coli K011對(duì)單糖的發(fā)酵情況 所試驗(yàn)酵母菌對(duì)葡萄糖以外單糖的發(fā)酵能力較差，僅能夠?qū)Ω事短呛桶肴樘沁M(jìn)行低水平發(fā)酵； 同步糖化發(fā)酵（SSF）具有提高乙醇轉(zhuǎn)化率和縮短發(fā)酵時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)褐藻殘?jiān)w維素乙醇轉(zhuǎn)化率 48.00%。 對(duì)于E. coli K011，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種單糖的發(fā)酵，特別是甘