用酸水解法制备NCC的废液制备生物乙醇

孙勇慧 刘鹏涛,2 刘 忠

（1天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457 2华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广州，510640）

1 前言

纤维素是自然界中最丰富的天然高分子聚合物之一。纤维素的聚集状态是结晶区和无定形区交错结合的体系。一般情况下，纳米微晶纤维素（NCC）是由纤维素的非结晶区断裂得到的直径在10～30 nm之间，长度在100～300 nm之间的[1]、高结晶度的刚性棒状聚集态结构。与普通纤维素相比，纳米微晶纤维素除了具有普通纤维素的质量轻、可降解、可再生和生物相容等特点，还具有高结晶度、高强度、高纯度、高杨氏模量、超精细结构和亲水性强等特点[2]。因此在许多领域都具有很大的发展前景，如：造纸、建筑、汽车、食品、化妆品、电子产品和医药领域等。

正是由于纳米微晶纤维素在多个领域都有潜在的发展，所以它的制备就变得十分重要。就目前来看，它的制备方法有很多。但最为普遍的还是硫酸水解法制备NCC[3-4]。硫酸水解纤维素制备NCC后，其废液中含有大量的低聚糖、硫酸和葡萄糖。

随着社会的不断发展，人类的不断进步，人们对能源的需求也在不断的提高。由于化石资源的不断匮乏，开发新能源成为人们关心的话题之一。乙醇作为一种新能源，清洁环保，可大量工业化生产。如美国、巴西和加拿大等国，把乙醇作为添加剂加入到汽油中，使辛烷值增加，燃烧更加充分，使得能量转化率提高[5]。乙醇可做乙醇燃料电池，将化学能转化成电能，在这个过程中，其除了具有燃料电池都具有的能量转化率较高、对环境污染小、辐射性小、可靠性高、操作简单且噪音小等特点，还具有资源丰富、毒害性小和较高的氢含量等特点[6]。乙醇也可作为原料生产一种更清洁的能源—氢气。与其他碳氢化合物（如甲烷）相比，乙醇用于生产氢气具有毒性小、生产原料广泛等特点，并且在此过程中与传统的燃料相比二氧化碳的排放量较低[7]。由此乙醇在近些年也得到了大家的广泛关注。

乙醇的制备方法和原料多种多样。如Junjun Zhu等人将油菜籽的壳作为原料，用碱处理的方法将纤维素、半纤维素和木素分离，得到纤维素水解的单糖作为原料用生物发酵的方法制备乙醇[8]。2011年，在美国已经建立了规模为年产526.8亿升的燃料乙醇的工业化工厂，而且95%以上的原料为玉米粒。Ke Wang等人又对运用玉米粒生产生物乙醇的流程进行改良，充分利用发酵后产生的酒糟和废水，使生产更加低资本、低能耗和多产出[9]。还有许多种纤维素及淀粉原料可以用来生产乙醇。

在本文中，对酸水解制备NCC的废液经过一定的处理后，利用废液中的葡萄糖发酵制备乙醇。本实验废物利用，使得更加充分地利用能源，不浪费资源，同时不造成环境污染。

2 实验部分

2.1 实验原料及药品

制备纳米微晶纤维素的原料来自山东Papermaking有限公司的漂白阔叶木溶解浆。分析纯的硫酸、氢氧化钠、葡萄糖和无水乙醇由天津市化学试剂一厂生产。酿酒酵母菌由天津科技大学生物学院培养。

2.2 实验仪器

HWS24型电热恒温水浴锅：上海一恒科技有限公司；TGL-20M台式高速冷冻离心机：长沙湘仪离心机仪器有限公司；DSX-280A不锈钢手提式灭菌器：上海申安医疗器械厂；LRH-250生化培养箱：韶关市泰宏医疗器械有限公司；XB.K.25血球计数板：上海市求精生化试剂仪器有限公司；WV-CP410/G电脑摄影生物显微镜：日本松下株式会社；SBA-40C生物传感分析仪：山东省科学院生物研究所；UV-2550紫外分光光度计：美国安捷伦科技有限公司。

2.3 废液的提取

用质量分数为60%的硫酸与漂白阔叶木浆充分混合，在40℃下反应4 h，得到的混合溶液加入一定量的水使得离心时NCC和废液更好的分离开。将混合液放在10℃下高速冷冻离心机中，在10000 r/min下离心10 min，得到的上清液即为收取的废液。下面沉淀物为NCC。

2.4 生物发酵制备乙醇

在得到的葡萄糖溶液中含有大量的硫酸，分离膜处理后再用碳酸钙中和除去剩余的硫酸。以处理后的混合液为发酵液，在121℃的灭菌锅里灭菌30 min，加入酿酒酵母菌，放置于恒温培养箱中，对发酵时间、pH值和菌种加入量的工艺进行优化研究。

其中葡萄糖用生物传感分析仪测定，菌种个数用细胞计数法测定，乙醇用重铬酸钾法测定。

3 结果与讨论

得到的废液中所含的硫酸质量含量是40.6%，葡萄糖含量是7.75 g·L-1。经过除酸处理后混合液中的葡萄糖含量是5.50 g·L-1。用处理后的糖液进行生物发酵，优化发酵条件，使得酿酒酵母菌在此体系里尽可能的将葡萄糖发酵成乙醇。

3.1 发酵时间的优化

在25 mL废液中加入5 mL的菌种浓度为4.24×108个/mL的菌种，pH调节为7，放在25℃下，分别测定发酵时间为24 h、48 h、72 h和117 h下的葡萄糖含量、乙醇含量和菌种数量。得到的数据如图 1、2 所示

图1 发酵时间和乙醇含量与葡萄糖含量的关系图

图2 发酵时间和菌种个数的关系图

如图所示，随着发酵时间的增加，葡萄糖的含量减少，乙醇含量逐渐增加后趋于水平。菌种个数随着发酵时间的增加而增加。

3.2 pH值的优化

在25 mL的废液中加入5 mL的菌种浓度为4.24×108个/mL 的菌种，调节其 pH 值分别为 5、6、7、8 和 9，放置在25℃下，发酵48h后分别测定溶液中葡萄糖含量、乙醇含量和菌种个数。得到的数据如图3、4所示

图3 pH值和乙醇含量与葡萄糖含量的关系图

图4 pH值和菌种个数的关系图

如图所示，当pH为5时乙醇含量和葡萄糖含量都很低，随着pH的增加葡萄糖含量和乙醇含量都增加，表明pH为5时葡萄糖用于菌种的生长较多，在菌种个数上也可以说明这一点。pH值为7以后，随着pH的增加，乙醇含量和葡萄糖含量保持不变。

3.3 菌种加入量的优化

在15 mL的废液中分别加入菌种浓度为4.24×108个/mL 的菌种 1 mL、2 mL、3 mL、4 mL 和 5 mL，使得初始加入菌种个数为 2.65个/mL、4.99个/mL、7.07个/mL、8.90个/mL和11.06个/mL，pH调节为7， 放在25℃下，发酵48 h后分别测定溶液中葡萄糖含量、乙醇含量和菌种个数，得到的数据如图5、6所示，随着初始菌种加入量的增加，乙醇含量不断增加，葡萄糖迅速减少。发酵后的菌种数量也不断增加。

图5 菌种加入量和乙醇含量与葡萄糖含量的关系图

图6 菌种加入量和菌种个数的关系图

4 结论

用酿酒酵母菌在处理后的葡萄糖混合溶液中进行生物发酵，优化的最佳发酵条件是：菌种加入量 1.06×108个/mL、发酵时间 48 h和 pH值7。在最佳条件下发酵得到的乙醇含量是2.1 g·L-1、葡萄糖含量是 0.03 g·L-1。 葡萄糖的转化率达到38.4%。

[1]Boor Singh Lalia,Elena Guillen,Hassan A.Arafat,Raed Hashaikeh.Nanocrystalline cellulose reinforced PVDF-HFP membranes for membrane distillation application[J].Desalination,2014,1(332)：134-141.

[2]范金石.国外纳米木质纤维素研发概述 [J].国际造纸,2010,29(4)：65-69.

[3]Jackson John K.,Letchford Kevin,Wasserman Benjamin Z.The use of nanocrystalline cellulose for the binding and controlled release of drugs[J].International Journal of Nanomedicine,2011,2011(6)：321-330.

[4]Saxena Amit,Elder Thomas J.,Kenvin Jeffrey.High Oxygen Nanocomposite Barrier Films Based on Xylan and Nanocrystalline Cellulose[J].Nanomicro Letters,2010,2(4)：235-241.

[5]Poulopoulos SG,Samaras DP,Philippopoulos CJ.Regulated and unregulated emissions from an internal combustion engine operating on ethanolcontaining fuels.Atmos Environ 2001,35(26)：4399-406.

[6]Zhu Y,Wang X X,Ni H J,Huang M Y.Effect of Molding Process Conditions Upon Performance of MCMB/Graphite Composite.Journal of Nantong University(Natural Science Edition),2009,8(1)：5-8.

[7]Nieto-Márquez,D.Sánchez,Miranda-Dahdal,F.Dorado,de Lucas-Consuegra,J.L.Valverde.Auto thermal reforming and water-gas shift double bed reactor for H2 production from ethanol[J].Chemical Engineering and Processing：Process Intensification,2013,74：14-18.

[8]Junjun Zhu,Yuanyuan Zhu,Faxian Jiang,Yong Xu,Jia Ouyang,Shiyuan Yu.An integrated process to produce ethanol,vanillin,and xylooligosaccharides from Camellia oleifera shell[J].Carbohydrate Research,2013,382：52-57.

[9]Ke Wang,Jianhua Zhang,Lei Tang,Hongjian Zhang,Guiying Zhang,Xizhao Yang,Pei Liu,Zhonggui Mao.Establishment and assessment of a novel cleaner production process of corn grain fuel ethanol[J].Bioresource Technology,2013,184：453-460.