Effect of compositional variability of distillers' grains on cellulosic ethanol production
- 作者
- Youngmi Kim, Rick Hendrickson, Nathan S. Mosier, Michael R. Ladisch, Bryan Bals, Venkatesh Balan, Bruce E. Dale, Bruce S. Dien, Michael A. Cotta
- 单位
- Laboratory of Renewable Resources Engineering, Purdue University; Biomass Conversion Research Laboratory, Michigan State University; National Center for Agricultural Utilization Research, USDA Agricultural Research Service
- 杂志
- Bioresource Technology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2010.02.054
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
干磨乙醇厂酒糟（DDGS/WDG等）的组成变异对纤维素乙醇生产过程中酶解糖化和发酵性能的影响
研究策略
收集四个干磨乙醇厂的酒糟副产物进行组成分析，选取组成差异显著的两个湿酒糟样品，分别采用可控pH液态热水和氨纤维膨胀预处理，在不同固形物浓度和补充酶条件下进行酶解，并用工业酵母和重组木糖共发酵酵母进行发酵，评估组成变异对糖化和发酵的影响
研究路线图
核心内容
该研究系统考察了干磨乙醇厂酒糟副产物组成变异对纤维素乙醇生产中酶解糖化与发酵性能的影响。研究从四个工厂收集酒糟样品进行组成分析，选取提取物含量差异显著的两个湿酒糟样品，分别经可控pH液态热水和氨纤维膨胀预处理，在不同固形物浓度和补充酶条件下酶解，并利用工业酵母D5A与重组木糖共发酵酵母424A进行发酵。结果表明，干磨厂每升乙醇约产生0.84公斤酒糟，多数样品组成变异系数低于5.7%，但4号湿酒糟水提取物含量高达31.9%，为其他样品的3倍以上。5%固形物下葡萄糖得率为70%至80%，15%固形物下葡萄糖得率降至55%至60%，添加补充酶后木糖得率提高11%至50%。发酵中，D5A乙醇产量达理论值的67%至79%，而424A按葡木糖总量计可达71%至95%。值得注意的是，高提取物含量虽然降低酶解率，却提升发酵性能，尤其促进木糖利用，推测浓缩釜馏物提供了营养与pH缓冲作用。预处理和转化湿酒糟可使每蒲式耳玉米的乙醇产量增加7%至10%，这为整合酒糟纤维素转化、提升玉米乙醇总收率提供了可行路径。
创新点
系统比较了不同来源酒糟的组成变异；发现高提取物含量（尤其浓缩釜馏物）会降低酶解率但提高发酵性能，尤其是促进木糖发酵；揭示了浓缩釜馏物作为发酵营养和pH缓冲剂的有益作用
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae D5A | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 工业酿酒酵母，用于同步糖化发酵（SSF） |
| Saccharomyces cerevisiae 424A (LNH-ST) | 葡萄糖/木糖共发酵 | — | — | 催化 | 基因工程重组木糖共发酵酵母，用于木糖和葡萄糖共发酵 |
| — | 纤维素水解 | — | Spezyme CP (cellulase) | 催化 | 商业纤维素酶，以15 FPU/g glucan添加 |
| — | 纤维素水解 | — | Novozym 188 (β-glucosidase) | 催化 | 商业β-葡萄糖苷酶，以40 CBU/g glucan添加 |
| — | 半纤维素水解 | — | Multifect Pectinase PE (xylanase) | 催化 | 补充木聚糖酶，以50 U/g dry solids添加 |
| — | 半纤维素水解 | — | Depol 740L (feruloyl esterase) | 催化 | 补充阿魏酸酯酶，以2 U/g dry solids添加 |
关键发现
- 干磨乙醇厂每升乙醇约产生0.84 kg DDGS
- DDGS组成变异系数平均小于5.7%，WDG（除#4）变异系数平均约5.4%
- 样品#4 WDG的水提取物含量（31.9%）是其他样品的3倍以上
- 经LHW或AFEX预处理后，5%固形物酶解葡萄糖得率为70-80%，15%固形物下葡萄糖得率55-60%、木糖得率12-23%，添加补充酶后木糖得率提高11-50%、葡萄糖得率提高10-15%
- SSF中工业酵母D5A的乙醇产量达理论最大值的67-79%（LHW #2为73.9%，#4为79%
- AFEX #2为78.4%，#4为67.3%）
- 重组酵母424A共发酵时乙醇产量达理论最大值的71-95%（按葡萄糖和木糖总量计，LHW #2为95.3%，#4为83.6%
- AFEX #2为80.8%，#4为71.4%）
- 代谢乙醇产率LHW处理为0.56-0.59 g/g（110-115%理论值），AFEX处理为0.63-0.68 g/g（123-133%）
- 预处理和转化湿酒糟可使每蒲式耳玉米乙醇产量增加7-10%
研究结论
酒糟组成变异主要由提取物含量差异导致，高提取物含量会降低酶解率但提高发酵性能，尤其是X4样品中浓缩釜馏物的存在有利于木糖发酵，可能是提供了营养和缓冲能力；通过预处理和酶解发酵，可将酒糟中的纤维素转化为乙醇，提高玉米乙醇总产量