專利名稱：：高壓下生產(chǎn)生物乙醇的海藻液化萃取物及其提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種高壓下生產(chǎn)生物乙醇的海藻高壓液化萃取物及其提取方法，特別涉及到一種在高壓下從海藻中得到液體萃取物以及利用酵母發(fā)酵液體萃取物生產(chǎn)生物乙醇的方法。
背景技術(shù)：
：在高油價(jià)、能源安全以及對(duì)溫室氣體排放的嚴(yán)格限制的背景下，替代能源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為全球性議題，作為新一代燃料，生物乙醇也在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)。布什政府宣稱他們將增加替代能源如生物乙醇的使用，計(jì)劃在2017年前將美國(guó)國(guó)內(nèi)石油的消費(fèi)量減少20%。日本、中國(guó)以及東南亞各國(guó)也相繼出臺(tái)了擴(kuò)大生物乙醇生產(chǎn)的政策。生物乙醇是一種從甘蔗和玉米等植物中萃取出來(lái)的燃料。由于生物乙醇可以單獨(dú)或者與汽油混配作為汽車的燃料，生物乙醇已經(jīng)成為除生物柴油以外的進(jìn)入人們視野的最典型的替代能源。此外，生物乙醇還可以降低對(duì)原油進(jìn)口的依賴。生物乙醇燃燒過(guò)程中排放的二氧化碳不在《京都議定書(shū)》提出的溫室氣體排放量的計(jì)算之列。因此可以達(dá)到減少溫室氣體排放量的目標(biāo)。不像其他的清潔燃料需要重新建立地下結(jié)構(gòu)(如加汽站)保證供給，生物乙醇只需用已有的地下結(jié)構(gòu)(如加油站)即可，從而保證了生物乙醇的早期的商業(yè)使用。就此而言，生物乙醇的需求的增加使得它的生產(chǎn)也在逐步的增加。然而，由于生物乙醇成為替代能源使得玉米、蔗糖以及小麥這些制造生物乙醇的原材料的需求也迅速增加。這是谷物價(jià)格猛漲的原因之一。特別地，預(yù)計(jì)對(duì)于具有競(jìng)爭(zhēng)力的農(nóng)產(chǎn)品的使用會(huì)進(jìn)一步增加，比如玉米，它可以作為乙醇生產(chǎn)的原材料。因此，生物燃料的擴(kuò)大生產(chǎn)增加了對(duì)玉米的需求量。而對(duì)玉米需求的增加很可能會(huì)提高以谷類為原材料的飲料和食品生產(chǎn)商的成本，也提高了飼養(yǎng)家禽、家畜的農(nóng)民的飼養(yǎng)成本。結(jié)果食品和畜產(chǎn)品的零售價(jià)格就會(huì)提高。這種用谷類生產(chǎn)生物乙醇的做法不可避免的會(huì)引起谷類價(jià)格的提升，同時(shí)，由于谷類可以作為充饑之糧食，這一做法也會(huì)引起人們的不滿。因此，國(guó)際生物乙醇市場(chǎng)正在尋求將其原料由谷物轉(zhuǎn)向纖維素，但是生產(chǎn)纖維素乙醇過(guò)程中木質(zhì)素的去除仍然是個(gè)問(wèn)題，至今還沒(méi)有取得突破。最近，國(guó)內(nèi)外的一些研究小組正在開(kāi)發(fā)一項(xiàng)技術(shù)，使用這項(xiàng)技術(shù)可以利用碳水化合物和富含糖類的海藻生產(chǎn)生物乙醇。與其它原料如谷類和木材相比，海藻在產(chǎn)量的穩(wěn)定性、單位面積的作物產(chǎn)量、二氧化碳的吸收能力、能量輸出和單位成本等方面有更高的經(jīng)濟(jì)效益。而且，對(duì)食物資源和自然界的破壞有相對(duì)較少的副作用。由于海水的富營(yíng)養(yǎng)化引起了海藻的過(guò)度生長(zhǎng)，從而引起了海水污染。若要把海藻作為原料來(lái)生產(chǎn)生物乙醇，可以想象，這種變廢為寶的作法無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上還是從環(huán)境上都有很大的優(yōu)點(diǎn)。生物乙醇的生產(chǎn)包括三個(gè)步驟首先是對(duì)原料的糖化，然后是發(fā)酵，最后是蒸餾。如化學(xué)處理、熱處理和酶處理等預(yù)處理工序都是在糖化作用這一過(guò)程中。但是，這些預(yù)處理工序又有很多缺點(diǎn)，比如，低產(chǎn)量、化學(xué)成分發(fā)生改變、添加劑對(duì)設(shè)備的腐蝕、環(huán)境污染和無(wú)用副產(chǎn)品的產(chǎn)出。目前尚未得出具有商業(yè)價(jià)值的研究成果。此外，用于發(fā)酵過(guò)程的酵母菌的增長(zhǎng)受到產(chǎn)出酒精的抑制，導(dǎo)致生物乙醇的轉(zhuǎn)化效率愈加低下。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種利用海藻生產(chǎn)高產(chǎn)量生物乙醇的方法。本發(fā)明還提供一種生產(chǎn)生物乙醇的高壓液化萃取物及其制備方法。本發(fā)明還提供一種利用海藻而獲得的生物能源，這些海藻的過(guò)度生長(zhǎng)將導(dǎo)致海藻污染。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開(kāi)了一種利用高壓液化萃取器從海藻中提取的高壓液化萃取物及其提取方法。其中，本發(fā)明的海藻液化方法的壓力為500-1000MPa。當(dāng)壓力低于500MPa時(shí)，對(duì)細(xì)胞組織的破壞程度較低，因而使得萃取物中的葡萄糖的含量低。相反地，當(dāng)萃取時(shí)的壓力高于IOOOMPa時(shí)，細(xì)胞組織中的其他物質(zhì)也會(huì)被萃取出來(lái)。因此，在發(fā)酵之前，其他物質(zhì)都將被除去。特別是，本發(fā)明方法在壓力達(dá)到IOOOMPa后萃取30分鐘。其中，本發(fā)明的高壓萃取溫度為60-80°C。當(dāng)萃取溫度低于70°C時(shí)，液化活性將會(huì)被抑制。而萃取溫度高于70°C時(shí)將會(huì)引起細(xì)胞組織變異。其中，本發(fā)明所述海藻選自褐藻、紅藻或者綠藻，但不僅限于它們。圖3為高壓液化綠藻，萃取得到的葡萄糖的產(chǎn)量與萃取時(shí)間的曲線圖。其中，通過(guò)酵母對(duì)高壓液化萃取物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，所述的高壓液化萃取物按照本發(fā)明所述方法制備而成。其中，傳壓介質(zhì)為水或者油，用來(lái)傳遞均衡的壓力。有益效果依據(jù)本發(fā)明的方法，用海藻生產(chǎn)生物乙醇的過(guò)程非常簡(jiǎn)單，可以得到高產(chǎn)量的高壓液化萃取物，同時(shí)可以縮短發(fā)酵時(shí)間，從而提高了生物乙醇的產(chǎn)量。雖然一般而言，對(duì)萃取物副產(chǎn)品的弱酸處理需要較長(zhǎng)時(shí)間和較高成本，但是本發(fā)明提供的方法成本仍然很低。此外，海藻在近海領(lǐng)域過(guò)度生長(zhǎng)可能會(huì)引起環(huán)境污染，當(dāng)我們用本發(fā)明的方法用海藻生產(chǎn)生物乙醇時(shí)，可以從海藻廢物中創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)和環(huán)境價(jià)值。本發(fā)明的目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)通過(guò)對(duì)以下相關(guān)的照片和附圖的詳細(xì)描述，可以更清楚的得到說(shuō)明。圖1本發(fā)明實(shí)施方式中利用海藻生產(chǎn)生物乙醇的方法流程圖；圖2本發(fā)明實(shí)施方式中經(jīng)過(guò)高壓液化萃取處理后的孔石莼的表面形態(tài)的電子顯微鏡掃描圖；圖3本發(fā)明實(shí)施方式中高壓液化綠藻后萃取的葡萄糖的產(chǎn)量與萃取時(shí)間的曲線圖4:本發(fā)明實(shí)施方式中的樣品的照片，其中圖4A為高壓液化萃取物的照片，圖4B為孔石莼的發(fā)酵液的照片，圖4C為發(fā)酵后的餾出物(即生物乙醇)的照片；圖5本發(fā)明實(shí)施方式中葡萄糖的消耗濃度、乙醇的生產(chǎn)濃度以及酵母的生長(zhǎng)與發(fā)酵時(shí)間的曲線圖。具體實(shí)施例方式下文中詳細(xì)描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下，對(duì)發(fā)明的基本構(gòu)思所做的任何變化和修改，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。一方面，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)生物乙醇的海藻高壓液化萃取物及其制備方法，特別是，提供一種高壓下從海藻中制得液體萃取物以及利用酵母發(fā)酵液體萃取物生產(chǎn)生物乙醇的方法。在本發(fā)明的實(shí)施方式中使用褐藻、紅藻以及綠藻，但是本發(fā)明并不僅限于這些海藻以及這些種類海藻。在本發(fā)明的實(shí)施方式中水或者油在高壓液化過(guò)程中用作傳壓介質(zhì)來(lái)傳遞均衡的壓力。本發(fā)明的一種實(shí)施方式中使用了綠藻中最常見(jiàn)的種類-孔石莼。近年來(lái)，韓國(guó)沿海水域的物種的迅速增長(zhǎng)是造成沿岸海水污染的因素之一，沿海水域海藻污染可能引起一系列經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等問(wèn)題。然而，由于孔石莼中碳水化合物和淀粉的干重約為其干重的50%，因此，它是生產(chǎn)生物乙醇的最有用和有價(jià)值的原材料。本發(fā)明的另一實(shí)施方式使用了褐藻(Eckloniacava)和紅藻(Pachymeniopsislanceolata禾口Gelidiumelegans)0下面將詳細(xì)介紹本發(fā)明的具體實(shí)施例，實(shí)施例中萃取方法采用非酶化方法進(jìn)行，這些實(shí)施例只是為了說(shuō)明本發(fā)明的目的，不能被看作對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。實(shí)施例對(duì)比例1對(duì)孔石莼進(jìn)行熱處理，萃取葡萄糖將孔石莼置于裝有豎直回流冷凝器的燒瓶中，加入10倍于孔石莼量的蒸餾水，于100°C下對(duì)孔石莼萃取2次，萃取時(shí)間為24小時(shí)。對(duì)比例2對(duì)孔石莼進(jìn)行弱酸處理，萃取葡萄糖將孔石莼置于裝有豎直回流冷凝器的燒瓶中，加入10倍于孔石莼量的濃度為的硫酸，于123°C下對(duì)孔石莼進(jìn)行弱酸萃取1小時(shí)。實(shí)施例1對(duì)孔石莼進(jìn)行高壓液化處理，萃取葡萄糖以水作為傳壓介質(zhì)，將IOOg孔石莼置于高壓液化萃取器中，然后在70°C下，加壓，使壓力從500MPa增大至lOOOMPa，并在保持壓力為IOOOMPa的條件下高壓萃取孔實(shí)莼30分鐘。圖2是萃取結(jié)束后的孔石莼的破碎細(xì)胞的表面形態(tài)照片。如圖2所示，在高壓液化處理之后，孔石莼的破碎的細(xì)胞組織是完全均勻分布的微粒。采用DNS方法測(cè)定萃取物葡萄糖的含量采用DNS方法測(cè)定對(duì)比例1和2，實(shí)施例1中的葡萄糖含量，測(cè)定結(jié)果如表1所示。表1對(duì)比例1~~對(duì)比例2實(shí)施例1~葡萄糖(g/L)Γθ980ITo表1中的測(cè)定結(jié)果表明，本發(fā)明實(shí)施例1的生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，葡萄糖產(chǎn)量高，是傳統(tǒng)葡萄糖萃取方法的葡萄糖產(chǎn)量的1.4-4.7倍?？紤]到孔石莼中葡萄糖的總含量為20%(w/w)，實(shí)施例1中高壓液化過(guò)程使萃取物和糖化過(guò)程的產(chǎn)量增加了20%。實(shí)施徹丨2乙醇^tili寸禾早中的酵母的培養(yǎng)乙酉享發(fā)酵的菌禾中酵母Saccharomycescerevisiae(AdenForbesLab,BakersYeast,4330910)為高壓液化萃取物的乙醇發(fā)酵提供了可靠的保證，并且抑制糖化過(guò)程中酵母的生長(zhǎng)。將高壓液化萃取物加入到酵母膏培養(yǎng)基中，作為發(fā)酵混合培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵，其中每500ml混合培養(yǎng)基中高壓液化萃取物占10-35%(ν/ν)。實(shí)施例3從綠藻孔石莼中制得的牛物乙醇將實(shí)施例1中得到的孔石莼的高壓液化萃取物用實(shí)施例2中的酵母進(jìn)行發(fā)酵，然后對(duì)發(fā)酵混合物進(jìn)行蒸餾，獲得生物乙醇。將高壓液化萃取物放置到一個(gè)生物工程系統(tǒng)中進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵溫度為25°C，發(fā)酵時(shí)攪拌速率為80rpm。乙醇發(fā)酵過(guò)程通常在無(wú)氧條件下進(jìn)行。對(duì)混合物進(jìn)行間歇地?cái)嚢瑁ＷC了發(fā)酵過(guò)程的無(wú)氧條件或微量通風(fēng)，使培養(yǎng)基中的酵母維持一定的濃度。定期采集相同量的培養(yǎng)基作為子樣品，并將其保存在4°C的冰箱中。對(duì)上述子樣品進(jìn)行離心分離，然后對(duì)上清液中的乙醇進(jìn)行定量分析。分析方法是采用裝有熱導(dǎo)檢測(cè)器的氣相色譜儀(HP5890-11,porapakQ柱)和薄層色譜(TLC)進(jìn)行分析。表2給出了本發(fā)明實(shí)施例3中發(fā)酵過(guò)程中所得乙醇的濃度。圖5是一幅曲線圖，說(shuō)明在發(fā)酵過(guò)程中，葡萄糖的消耗濃度、乙醇的生成濃度和發(fā)酵酵母的生長(zhǎng)曲線與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系。圖4是根據(jù)實(shí)施例的乙醇生產(chǎn)過(guò)程中所得的樣品的照片，其中圖4A為高壓液化萃取物的照片，圖4B為孔石莼發(fā)酵基質(zhì)，圖4C為發(fā)酵后的蒸餾產(chǎn)物(生物乙醇)。表2時(shí)間(hr)乙醇/丁醇乙醇(％，v/v)|乙醇(％，w/v)|乙醇(％，g/L)““0----~035Οθ036~~8Γ63771~3513.52~1226026520920.96243383Λ1Γθ926.95如圖5所示，當(dāng)孔石莼的高壓液化萃取物采用酵母發(fā)酵，發(fā)酵過(guò)程在24小時(shí)內(nèi)完成，并且持續(xù)生產(chǎn)出乙醇。隨著剩余的葡萄糖的量的不斷減少，乙醇生成量與之成比例的不斷升高，這表明從孔石莼中萃取得到的葡萄糖被用于酵母生長(zhǎng)和酒精發(fā)酵。實(shí)施例4關(guān)于褐藻Eckloniacava的葡萄糖轉(zhuǎn)化率的對(duì)比試騎用褐藻Eckloniacava(Ig干重)代替實(shí)施例1中的孔石莼來(lái)萃取葡萄糖。為了對(duì)比，測(cè)量對(duì)比例2方法中的葡萄糖轉(zhuǎn)化率。作為參考，褐藻Eckloniacava中碳水化合物的含量為28.9%(w/w)，葡萄糖的含量為15.7%(w/w)。表3示出了采用酸處理方法處理褐藻Eckloniacava獲得葡萄糖的轉(zhuǎn)化率和采用實(shí)例1的方法處理褐藻Eckloniacava獲得葡萄糖的轉(zhuǎn)化率。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例5采用褐藻Eckloniacava制取乙醇采用實(shí)施例3的方法，從實(shí)施例4中所獲得的萃取液樣品中生產(chǎn)生物乙醇。結(jié)果表明乙醇的最大含量為2.8%(ν/ν)，與高壓液化萃取液中現(xiàn)有的葡萄糖相比，制造了78%的乙醇。當(dāng)Imole的葡萄糖發(fā)酵，生成乙醇的產(chǎn)率為50%時(shí)，這個(gè)結(jié)果接近于最大理論產(chǎn)率3.2%(ν/ν)。實(shí)施仿}|6關(guān)于紅藻PachymeniopsisIanceolata禾口GelidiumeleRans的葡萄糖轉(zhuǎn)化率對(duì)比試驗(yàn)除了米用紅藻Pachymeniopsislanceolata(Ig干重)禾口Gelidiumelegans(Ig干重)萃取葡萄糖之外，其余與實(shí)施例1相同。為了對(duì)比說(shuō)明，測(cè)量對(duì)比例2方法中的葡萄糖轉(zhuǎn)化率。作為參考，紅藻Pachymeniopsislanceolata和Gelidiumelegans中碳水化合物的含量分別為60.1和51.3%(w/w)，葡萄糖的含量分別為45.9和15.3%(w/w)。表4顯示了采用酸處理方法分別處理Pachymeniopsislanceolata和Gelidiumelegans獲得的葡萄糖轉(zhuǎn)化率和采用實(shí)例1的方法分別處理Pachymeniopsislanceolata和Gelidiumelegans獲得的葡萄糖轉(zhuǎn)化率。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例7用紅藻Pachymeniopsislanceolata禾口Gelidiumelegans制取乙醇采用實(shí)施例3的方法，從實(shí)施例6中獲得的萃取液樣品中生產(chǎn)生物乙醇。結(jié)果表明采用紅藻Pachymeni-Opsislanceolata的液化萃取液發(fā)酵時(shí)，乙醇的最大含量為9.4%(ν/ν)；采用紅藻Gelidiumelegans的液化萃取液發(fā)酵時(shí)，乙醇的最大含量為2.4%(ν/ν)；與高壓液化萃取液中葡萄糖相比，分別生成了74%和65%的乙醇。當(dāng)Imole的葡萄糖發(fā)酵，生成乙醇的產(chǎn)率為50%時(shí)，采用紅藻Pachymeni-OpsisIanceolata的液化萃取液發(fā)酵，結(jié)果接近最大理論產(chǎn)率12.7%(ν/ν)；采用紅藻Gelidiumelegans的液化萃取液發(fā)酵，結(jié)果接近最大理論產(chǎn)率3.7%(ν/ν)0如表3和表4所示，本發(fā)明方法的葡萄糖轉(zhuǎn)化率高于酸處理方法的葡萄糖轉(zhuǎn)化率。這種簡(jiǎn)單的高壓液化方法對(duì)緩解綠潮問(wèn)題、酸化處理的成本問(wèn)題以及使用傳統(tǒng)方法制造工藝復(fù)雜問(wèn)題都將更有用和更可靠。對(duì)樣品進(jìn)行發(fā)酵處理后，與液體中含有的葡萄糖的最大理論轉(zhuǎn)化率相比，乙醇的轉(zhuǎn)化率約為80%。這要高于已報(bào)道的采用纖維素發(fā)酵生成乙醇的轉(zhuǎn)化率。此外，高壓液化萃取物有利于酵母的生長(zhǎng)。工業(yè)用途綜上所述，本發(fā)明利用海藻生產(chǎn)生物乙醇的方法工藝簡(jiǎn)單，高壓液化萃取物的產(chǎn)量高，減少了發(fā)酵時(shí)間，生物乙醇的產(chǎn)率高。通常使用弱酸處理海藻的方法耗時(shí)，對(duì)弱酸萃取后的副產(chǎn)物的處理成本高，本發(fā)明提供了一種生成成本低，生物乙醇產(chǎn)量高的生產(chǎn)方法。本發(fā)明方法提供了一種利用由于過(guò)度生長(zhǎng)造成近海領(lǐng)域污染的新的生物質(zhì)綠藻，提取具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境友好的產(chǎn)品生物乙醇。權(quán)利要求一種通過(guò)增加壓力液化處理海藻的方法，其特征在于，液化處理的壓力為500-1000MPa。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于液化處理溫度為60-80°C。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述液化處理時(shí)的傳壓介質(zhì)選擇水或者油。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的海藻為綠藻、褐藻或紅藻中的一種或多種。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的海藻為孔石莼。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的海藻為褐藻Eckloniacava.7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的海藻為紅藻PachymeniopsisIanceolata08.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的海藻為紅藻Gelidiumelegans.9.一種高壓液化萃取物，其特征在于按照如權(quán)利要求1-8任一所述方法制得。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高壓液化萃取物，其特征在于所述高壓液化萃取物被用于生物乙醇發(fā)酵。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種生產(chǎn)生物乙醇的高壓液化萃取物，高壓下從海藻中生產(chǎn)液化萃取物的方法，以及用酵母發(fā)酵上述高壓液化萃取物從而獲得生物乙醇的方法。按照使用海藻生產(chǎn)生物乙醇的方法，高壓液化萃取物的產(chǎn)量高，同時(shí)發(fā)酵時(shí)間短。因此，生物乙醇的產(chǎn)量也得到了提高。此外，本方法從天然海藻資源中獲得了良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。文檔編號(hào)C12P7/04GK101802206SQ200880001480公開(kāi)日2010年8月11日申請(qǐng)日期2008年12月17日優(yōu)先權(quán)日2008年8月12日發(fā)明者姜來(lái)善,姜道京,樸興植,李熙承,李賢永,韓載君申請(qǐng)人:韓國(guó)海洋設(shè)計(jì)研究院