响应曲面法优化酵母菌发酵产乙醇的工艺

安徽农业科学, J ournal of An hu iA g r. i Sc. i 2010, 38(22):12019-12022责任编辑姜丽责任校对况玲玲

响应曲面法优化酵母菌发酵产乙醇的工艺

杨士春

1, 2

, 吕晓龙

, 缪绎

(1. 天津工业大学中空纤维膜膜材料和膜过程教育部重点实验室, 天津工业大学生物化工研究所, 天津

3001602. 天津农学院农业分析测试中心, 天津300384)

摘要 [目的]应用响应曲面法优化酵母菌发酵产乙醇的工艺。[方法]首先以初糖浓度为因子进行单因素试验, 大致确定乙醇产量较高时初糖浓度的范围; 然后分析试验条件, 应用Bo x 2Behnken 的中心组合设计, 以初糖浓度、发酵温度和发酵时间为因素, 以酿酒酵母发酵过程中乙醇产量的变化为响应值, 进行试验, 运用S AS 统计软件对试验数据进行分析, 建立二次响应面回归模型, 得出重要因素的最佳水平, 从而确定最佳的发酵条件。[结果]经响应曲面法优化获得的酿酒酵母发酵生产乙醇的工艺参数为:初糖浓度24. 72%,发酵温度36. 05e , 发酵时间50. 65h , 在此优化条件下, 获得的乙醇产量达137. 59g/L。[结论]该研究可为提高生物发酵产乙醇的量提供科学依据。

关键词酵母菌; 发酵; 乙醇产量; 稳定点; 响应曲面法

中图分类号 T Q 920. 1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2010) 22-1201904

Op ti m i za tion of P rocess P aram eter s of P r oduci ng Ethanol by Saccharo myces cerevisi ae F erm en tation YANG Shi 2chun et al (Key Laborat ory ofH oll o w F i berM e mbraneM atera il s andMe mbrane Process , M i nistry ofEducati o n , Insti tute of Bi 2ol og y and Che m i stry Engineeri ng , T i an ji n Pol ytechni c Univ ersit y , T i an ji n 300160) Abstra ct [Obj ecti ve]The research am i ed to o ptm i i ze the process para m et ers of produc i ng et hanol by Saccha ro myces cerevisi a e fer m entati o n . [Met ho d]The i nfl uence of i niti a l s ugar co ncentrati o n on et hanol yiel d pro duci ng by Sa cc haro myces cerevisi a e f er m entatio n had been st udi ed t hroug h si ngl e f actor ex perm i en, t and appro xm i ate l y deter m i ned the a mount of the initial s ugar co ncentrati on . Then t he i n i ti a l sugar co ncentra 2tio n , t he fer m entati o n te mperat ure and t he fer mentati on tm i e were chose as t hree fact ors , t he center co mbi natio n of Bo x 2Behnken desi gn exper 2i entswas used to st udy t he change of et hanol yi eld in t he f m er m entatio n as response va l ue . The exper m i ent dates were anal yzed by the S AS sta 2tisti cal soft w are to set up quadrati c respo nse surface regressio nm o del f or obta i ni ng the t he o ptm i al level of the m i portant fact or , deter m i ni ng the optm i u m conditi o ns of fer mentati on . [R es ult]The respo nse surf ace met ho d res u lts sho wed t he o ptm i u m conditi o ns of pro duci ng et hanol by Sac 2c ha ro myces cerev is iae f er m entatio n was as foll o w :The i nitial s ug ar concentratio n 24. 72%,the fer ment ati on t empera t ure 36. 05e and t he fer 2mentati on tm i e 50. 65h , i n t he o ptm i al conditio ns , t he ethanol yiel d was 137. 59g/L. [Co ncl usio n]The st udy can provi de sc i entifi c basis f or i provi ng the yiel d of et hanol prod uci ng by Sa ccharo m myces cerevisi a e fer m entati o n . K ey words Saccharo myces cerevisi a e ; Fer ment a ti on ; Et hanol yi e l d ; Stable poi n; t R esponse surface method

甜高粱(Sorghu m bic olor L . Moenc) 也叫芦栗甜秆或糖高粱, 为粒用高粱的一个变种, 其秸秆具有较高生物量和糖含

量。甜高粱籽粒的产量一般为6t/hm , 同时产90~120t/hm 富含糖分的秸秆, 秸杆出汁率为60%左右, 其汁中含有糖类、蛋白质、氨基酸和矿质元素等物质。高粱属于C4植物, 具有耐旱、耐涝、耐痔、耐盐碱等特性, 素有/铁秆庄稼0之称。利用甜高粱秸秆汁生产燃料乙醇, 在国内外已有广泛

[3]

报道。近年来, 已有部分学者对甜高粱乙醇产业开展了研究。张管生定性提出甜高粱乙醇加工模式以及综合利用副产物的途径; 黎大爵提出建设农、酒、牧、副、渔业共同发展

[6]

的可持续甜高粱农业生态系统; 赵景阳等分析了黄河三角洲甜高粱产业一体化综合开发模式; Nguyen 等讨论了以甘蔗和甜高粱为原料液态发酵法生产乙醇的最优企业模式; Gnanso unou 等考察了中国东北以甜高粱为原料液态发酵法生产乙醇的4种产业链的特点, 选出了最优的原料利用方式。郑士梅等选择以温度、初糖浓度和发酵时间为自变量, 以酿酒酵母发酵过程中乙醇产量的变化为响应值, 应用Box 2Be hnke n 的中心组合设计, 考察自变量与因变量之间的关系, 并以此对发酵工艺进行优化。在前人研究基础上, 笔者研究了1株乙醇高产菌株在清液发酵过程中基质浓度和产物浓度之间的关系, 建立了相关数学模型; 用葡萄糖模拟甜高粱汁, 得出初糖

基金项目天津市科技发展计划项目(06YFGZ NC00600); 天津农学院

基金发展计划项目(2009N07) 。

作者简介杨士春(1975-), 男, 辽宁建平人, 博士研究生, 从事膜材料

研究。*通讯作者, 博士, 教授, 博士生导师, 从事膜材料研究, E 2m ai :l l ux i aolong @263. net 。

收稿日期 2010206222

[10]

[9][8]

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[2]

浓度对酿酒酵母发酵乙醇产量的影响及优化工艺参数, 将其与甜高粱汁发酵生产乙醇相结合, 以提高乙醇产量。1 材料与方法1. 1 材料

1. 1. 1 菌种。酿酒酵母。

1. 1. 2 培养基。种子培养基:葡萄糖10. 000%,酵母膏0. 850%,N H 4Cl 0. 130%,MgS O 4#7H 2O 0. 010%,Ca C l . 006%,20p H 值4. 5~5. 0, 0. 6kg /c m 下灭菌15m in 。发酵培养基:蔗糖25. 000%,酵母膏0. 500%,蛋白胨0. 500%,N H 4Cl 0. 150%, K H 2P O 40. 150%,MgS O 40. 065%, Ca Cl 20. 280%。0. 6kg /c m 下灭菌15m i n(糖液与营养液分开灭菌) 。1. 1. 3 主要试剂。葡萄糖、氯化铵, 由天津市北方天医化学试剂厂生产; 酵母膏、酵母浸出液, 由上海天鹅啤酒有限公司生产; 琼脂粉、蛋白胨, 由天津市英博生化试剂有限公司生产; 无水硫酸镁、氯化钙, 由天津市化学试剂三厂生产; 磷酸氢二钾, 由天津市化学试剂六厂生产。

1. 1. 4 主要仪器。BS 224S 电子分析天平, 由德国塞多利斯公司生产; YX280B 手提式不锈钢蒸馏消毒器, 由上海申安医疗器械有限公司生产; S W 2CJ 21F 超净工作台, 由苏州苏净集团生产; H Z Q 2Q 气浴振荡器, 由哈尔滨东联电子技术开放有限公司生产; 三角瓶(250、500ml) 、容量瓶(100、500m l ), 试管(10m l ) 、培养皿、量筒(50、100ml) 、接种环、酒精灯、托盘天平。1. 2 培养方法

1. 2. 1 种子培养。接1环生长良好的斜面酵母至200m l 种子培养基中, 摇床中28e 、100r/min 下培养24h 。1. 2. 2 间歇发酵。以10%接种量将种子接入发酵培养基

12020

中, 置于33e 摇床中发酵。

安徽农业科学 2010年

因子对响应值的影响可用下列函数表示:

Y 1=a 0+a 1X 1+a 2X 2+a 3X 3+a 11X 1+a 22X 2+a 33X 2+

a 12X 1X 2+a 13X 1X 3+a 23X 2X 3

sio n) 程序

[14]

1. 2. 3 单因素试验。由于酿酒酵母的最适生存温度及反应

[11]

时间有据可查, 可确定范围为25~35e 和24~72h , 因此, 单因素试验只是确定初糖浓度的范围。试验中, 选择初糖浓度分别为5%、10%、15%、20%、30%、35%、40%、45%进行试验。

1. 2. 4 Box 2Be hnken 试验设计。采用响应曲面分析法(Re 2sponse S urf aceMethodology , RS M ), 根据Box 2Behnke n 中心组合设计原理, 设计了初糖浓度(X 1, h) 、发酵温度(X 2, e ) 、发酵时间(X 3, h) 3个因素, 每个因素取3个水平, 以(-1, 0, 1) 编码。按方程X i =(xi -x 0) /v x 对自变量进行编码, 式中, X i 为自变量的编码值, x i 为自变量的真实值, x 0为试验中心点处自变量的真实值, v x 为自变量的变化步长。响应面分析方法试验因素编码和水平见表1。

表1 响应曲面分析法试验因素编码及水平

T ab l e 1 C o d es and levels of factor s cho s en for t h e ex p er i m en t u si n g

r es p o n se s u r face methodology

因素

Facto r

初糖浓度X 1发酵温度X 2Me 发酵时间X 3M h

编码及水平Co de and l evel s -[**************]

(1)

用S AS 统计分析软件RS REG (Response Surf ace Regres 2

对15个试验点的响应值进行回归分析, 并得到

表2 响应面分析试验设计及结果

T ab l e 2 Th e desi gn and r es u lts of response sur face ana l ysis test 编号Co de 123456

[**************]

X 1-1-1110000-11-11000

X 2-11-11-1-1110000000

X 30000-11-11-1-111000

乙醇产量E t h anol yield Y 1/g/100ml

4. 1293. 8688. 10211. 4487. 68410. 8738. 4688. 7823. 8168. 6254. 2869. 30513. 80012. 85913. 225

方差分析表。

注:X 1=(x 1-20) /15; X 2=(x2-35) /10; X 3=(x 3-48) /24。 Note :X 1=(x 1-20) /15; X 2=(x2-35) /10; X 3=(x 3-48) /24.

1. 3 发酵方法将装有配制好不同浓度的50m l 糖溶液和40m l 无机盐溶液的三角瓶放入高温灭菌锅中消毒灭菌; 然

后在无菌操作台中将两者置于一瓶中, 并接入10m l 种子培养基; 之后分别放入对应温度的摇床中, 100r/m in 下培养相应时间, 共作15组试验, 1组平行试验, 取平均值。1. 4 乙醇产量的测定方法采用称重法:每隔固定的时间测定1次发酵三角瓶的总重量, 其减少量即C O 2释放量, 由C O 2释放量B 乙醇=22B 23可以计算出乙醇的量。2 结果与分析

2. 1 单因素试验结果由图1可知, 当初糖浓度为20%时乙醇产量达到最大值, 因此将初糖浓度的范围确定为5%~35%,

进行优化试验。

对表2中的试验设计结果进行响应面回归分析, 得乙醇产量的二次回归全模型方程为:

Y 1=13. 29467+2. 680125X 1+0. 21475X 2+0. 581625

X 3-4. 418333X 2. 88675X 1X 2+0. 0525X 1X 3-1+01. 974583X 2-0. 71875X 2X 3-2. 368333X 3X 3

模型的方差检验结果见表3、4、5。

表3 二次回归模型的方差分析结果

T ab l e 3 ANOVA r es u lts of the s eco nd 2order r egressi on model 方差来源自由度df So u rces of Degree variance of freedo m 模型一次项平方项交互项

9333

平方和

Su m of s quares

均方Mean sq uare

F 值F val ue

P 值(显著水平) P v alue 0. 0014880. 0017810. 000605

161. 4119017. 9346623. 0750860. 5398020. 1799325. 9639095. 6494131. 8831441. 021465. 22273

模型的确定系数

R 2=0. 9765

1. 7409112. 239890. 201533

模型的调整确定系数

R =0. 9342

表4 回归模型的失拟性方差分析结果

T ab le 4 ANOVA res u lts of l ack 2of 2fit for th e regr essio n m o d el 方差来源自由度df

So u rces of Degree variance of freedo m

图1 不同初糖浓度下乙醇产量变化

Fig . 1 Ch an ges of ethano l y ield a t d i fferen t i n itial g l uco s e co n 2

ce n trati on

失拟项纯误差总误差

325

平方和Su m of s quares

均方Mean sq uare

F 值F val ue

P 值P v alue 0. 168571

3. 4361321. 1453775. 090333

0. 4500210. 2250103. 8861530. 777231

2. 2 响应曲面分析法试验结果

2. 2. 1 酿酒醇母发酵产乙醇工艺数学模型的建立及其显著

性检验。以乙醇产量(Y 1) 为响应值, 经回归拟合后, 各试验

由表3可知, 该模型能很好地解释试验数据的变异性。一次项、平方项对乙醇产量的影响都极显著, 交互项对乙醇产量的影响不显著。模型的调整确定系数R =0. 9765, 意

味着该模型能解释97. 65%试验数据的变异性。因而该模型拟合程度良好, 试验误差小, 该模型是合适的, 可以用此模型进行初糖浓度对乙醇产量的影响的分析和预测。由表4可知, 失拟项P =0. 168571>0. 05, 表明失拟不显著, 该模型是稳定的, 能很好地预测实际发酵过程中乙醇产量的变化。

在显著水平0. 05下, 当模型中检验项P 值小于0. 05时, 则该项是显著的, 否则该项不显著。由表5可知, 乙醇产量的回归模型中一次项初糖浓度X 1(P=0. 0003510. 05) 和时间X 3(P=0. 121033>0. 05) 不显著; 二次项X 1(P=0. 0002050. 05) 、X 1X 3(P=0. 909833>0. 05) 和X 2X 3(P=0. 163915>0. 05) 均不显著。去除回归方程中的不显著项, 得乙醇产量的二次回归精简模型方程为:

Y 1=13. 29467+2. 680125X 1-4. 418333X 1-1. 974583X 2-2. 368333X 3

该模型可以用来预测酿酒酵母发酵乙醇的产量。

表5 回归方差系数的显著性检验结果

T ab l e 5 T est r es u lts o f sig n i fican ce for the regressi on var i an ce coeffi 2

cien t

模型中系数项Coeffici ent i te ms i n t h emo del X 1X 2X 3X X 1X 2X 1X 3X 2X 2X 3X 3

2221

变化平缓, 再提高发酵温度乙醇产量出现下降趋势; 当发酵温度恒定, 发酵时间在24~72h 范围内变化时, 增加发酵时间有利于乙醇产量的提高, 但超过一定值后增加发酵时间对

乙醇产量的影响却为负面效应。

图3 发酵温度和发酵时间对乙醇产量影响的响应面俯视图(初

糖浓度=20%)

F ig . 3 R espo n se s u rface to p vie w of the effects o f ferm en t a tio n

te mp eratu re an d ti m e o n ethanol y i el d (initi al s ugar co n 2cen tratio n of 20%)

由图4可知, 当初糖浓度不变时, 随着发酵时间的延长, 乙醇产量呈现增加趋势, 而发酵时间达到一定值时, 乙醇产量变化平缓, 再增加发酵时间乙醇产量出现下降趋势; 当发

酵时间不变时, 增加初糖浓度会使乙醇产量增加, 当初糖浓度达到一定值时, 乙醇产量变化不再增加, 当初糖浓度超过此值时,

乙醇产量开始下降。

估计值E sti m ated val ue 2. 6801250. 2147500. 581625-4. 4183300. 8867500. 052500-1. 974580-0. 718750-2. 368330

标准误差

Standard error 0. 3116950. 3116950. 3116950. 4588030. 4408030. 4408030. 4588030. 4408030. 458803

t 值t val ue 8. 5985480. 6889751. 866006-9. 6301402. 0116680. 119101-4. 303770-1. 630550-5. 161990

P 值P val ue 0. 0003510. 5214990. 1210330. 0002050. 1004320. 9098330. 0076880. 1639150. 003579

2. 2. 2 乙醇产量的响应曲面分析。在响应曲面分析精简模型中, X 1、X 2、X 3交互作用对响应值乙醇产量Y 1的影响见图

2~6。由图2可知, 发酵时间不变, 随着发酵温度的升高,

乙

图4 初糖浓度和发酵时间对乙醇产量影响的响应面立体图(发

酵温度=35e )

F ig . 4 Res pon se s u r face stereogram o f th e effects o f i n iti al glu 2

cose co n cen tra tio n an d ferm en tati on ti m e o n ethano ly i eld (f er mentati o n te mperature of 35e

)

图2 发酵温度和发酵时间对乙醇产量影响的响应面立体图(初

糖浓度=20%)

Fig . 2 R espo n se s u rface ster eogra m of t h e effects o f ferm en ta 2

tio n te m peratu re and ti m e on ethano l yiel d (i n iti al gl ucose co n centrati o n of 20%)

图5 初糖浓度和发酵时间对乙醇产量影响的响应面俯视图(发

酵温度=35e )

F ig . 5 Res p o n se s u rface top vie w o f th e effects of i n itial gl u cose

conce n trati on an d ferm en tati on ti m e on eth ano l yiel d (f er 2men t ati o n te mp erat u re of 35e )

醇产量呈现增加趋势, 而发酵温度达到一定值时, 乙醇产量

由图6可知, 当发酵温度恒定时, 提高初糖浓度, 乙醇产量不断增加, 但达到一定浓度时, 乙醇产量变化平稳, 再提高初糖浓度乙醇产量出现下降趋势; 当初糖浓度不变, 发酵温度在25~45e 变化时, 乙醇产量随发酵温度的升高而升高, 在一定发酵温度范围之内乙醇产量没有太大变化, 当超过一定值时, 乙醇产量随发酵温度升高而下降。

从响应面分析结果可知, 回归模型存在稳定点, 各编码值分别为:X 1=0. 246032, X 2=0. 435345, X 3=0. 282202。稳定点的特征值表明稳定点为最大值点, 即初糖浓度为24. 72%,发酵温度为36. 05e , 发酵时间为50. 65h 时乙醇产量达137. 59g /L

。

好地预测实际发酵产乙醇的情况。

3 结论与讨论

3. 1 结论响应曲面法获得的酿酒酵母发酵生产乙醇的优化工艺参数为:初糖浓度24. 72%,发酵温度36. 05e , 发酵时间50. 65h , 在此优化条件下, 乙醇产量达137. 59g /L。经检验证明, 该酿酒酵母发酵生产乙醇的工艺参数是合理可靠的。初糖浓度对乙醇产量的影响:初糖浓度小于24. 72%时, 乙醇产量随初糖浓度升高而增加, 但初糖浓度大于24. 72%后, 乙醇产量随初糖浓度的升高而降低。

3. 2 讨论

(1)初糖浓度对乙醇产率的影响。发酵温度与发酵时间保持不变的情况下, 乙醇产量随初糖浓度的升高而增加, 但增长率逐渐减少, 当初糖浓度超过一定值后乙醇产量呈下降趋势。这可能是由于发酵醪液中糖汁浓度过高, 其渗透压也高, 酵母菌体细胞在高渗透压的发酵醪液中生长和代谢都会受到抑制, 引起酵母细胞变形或损伤, 从而使发酵醪液中酵母数减少, 导致出芽率低、死亡率高, 从而影响发酵效率。

(2)发酵温度对乙醇产率的影响。在初糖浓度与发酵时间保持不变的情况下, 随着发酵温度的增加, 乙醇产量随发酵温度的升高而增加, 当发酵温度超过一定值后乙醇产量呈下降趋势。这是因为当发酵温度太高时, 超过了酿酒酵母的

图6 初糖浓度和发酵温度对乙醇产量影响的响应面立体图(发

酵时间=36h)

Fig . 6 R es p o n se sur face ster eogra m of t h e effects of i n iti a l g l u 2

cose concen trati on and ferm e n ta tio n te mp era t u re on eth 2an ol yield (fer mentati on ti m e of 36h

)

最适生存温度, 酿酒酵母的活性降低, 分解代谢能力降低, 从

而造成乙醇产量下降。

(3)发酵时间对乙醇产率的影响。在初糖浓度和发酵温度保持不变的情况下, 随着发酵时间的增加, 乙醇产量先增后减, 说明发酵时间过长和过短都不利于发酵产乙醇。这是由于时间过短时, 发酵不充分, 而时间太长时由于发酵出的乙醇浓度超过了微生物的乙醇耐受性, 抑制了微生物的生长。参考文献

[1]刘莉, 孙君社, 康利平, 等. 甜高粱茎秆生产燃料乙醇[J].化学进展,

2007, 19(8):1109-1115.

[2]倪维斗. 我国的能源现状与战略对策[J].山西能源与节能, 2008, 6(2):

1-5.

[3]刘杰, 李源有, 郑士梅, 等. 利用甜高粱秸秆加工乙醇存在的问题及建

议[J].吉林农业科学, 2007, 32(2):62-65.

[4]杨登峰, 关妮. 乙醇生产酵母菌的选育[J ].现代食品科技, 2008, 24(6):

506-508.

[5]张管生. 甜高粱茎杆制燃料乙醇工程路线探讨[J].中外能源, 2006, 11

(4):104-107.

[6]黎大爵. 甜高粱可持续农业生态系统研究[J].中国农业科学, 2002, 35

(8):1021-1024.

[7]赵景阳, 米庆华. 黄河三角洲甜高粱产业一体化综合开发探索[J].中

国糖料, 2007(1):54-57. [8]NG UYEN MH, PRI NCE R G H. A sm i p l e rule for b i oenerg y co nv ersi o n 2

plant siz e o ptm i i zati o n :Bi oet hanol fro m sug ar cane an d s weet s org hu m[J].Bi o mass an d Bi oenerg y , 1996, 10(5/6):361-365[9]GNA NS OUNO U E , DA URI AT A , WY M AN C E. Refi ni ng s weet so rg hu m

to et hanol and s ug ar :E co no mi c t rade 2offs i n the co ntext of No rt h Ch i na [J ].Bi ores o urce Techn o l o g y , 2005, 96:985-1002.

[10]郑士梅, 李原有, 吴利兴, 等. 利用甜高粱茎秆加工粗乙醇(原酒) 技术

之一:简易固体发酵法技术要点[J].酿酒, 2007, 34(4):45-47.

图7 初糖浓度和发酵温度对乙醇产量影响的响应面俯视图(发

酵时间=36h)

Fig . 7 R es p o n se sur face to p v i ew of t h e effects o f in itial glucose

con cen trati on an d ferm en tati on te mp eratu re on ethano l y i el d (fer men tati o n ti m e of 36h)

2. 3 最佳工艺条件的验证为了检验模型预测的准确性, 采用上面优化的工艺条件(初糖浓度24. 72%、发酵温度36e

和发酵时间50h) 进行酿酒酵母发酵试验, 3次重复。所测得的乙醇产量分别是133. 2、140. 3、130. 9g /L, 平均值为134. 8g /L。实际试验值与模型预测值基本一致, 可见该模型能较

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响应曲面法优化酵母菌发酵产乙醇的工艺

杨士春

1, 2

, 吕晓龙

, 缪绎

(1. 天津工业大学中空纤维膜膜材料和膜过程教育部重点实验室, 天津工业大学生物化工研究所, 天津

3001602. 天津农学院农业分析测试中心, 天津300384)

关键词酵母菌; 发酵; 乙醇产量; 稳定点; 响应曲面法

中图分类号 T Q 920. 1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2010) 22-1201904

甜高粱(Sorghu m bic olor L . Moenc) 也叫芦栗甜秆或糖高粱, 为粒用高粱的一个变种, 其秸秆具有较高生物量和糖含

[3]

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基金项目天津市科技发展计划项目(06YFGZ NC00600); 天津农学院

基金发展计划项目(2009N07) 。

作者简介杨士春(1975-), 男, 辽宁建平人, 博士研究生, 从事膜材料

研究。*通讯作者, 博士, 教授, 博士生导师, 从事膜材料研究, E 2m ai :l l ux i aolong @263. net 。

收稿日期 2010206222

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浓度对酿酒酵母发酵乙醇产量的影响及优化工艺参数, 将其与甜高粱汁发酵生产乙醇相结合, 以提高乙醇产量。1 材料与方法1. 1 材料

1. 1. 1 菌种。酿酒酵母。

1. 2. 1 种子培养。接1环生长良好的斜面酵母至200m l 种子培养基中, 摇床中28e 、100r/min 下培养24h 。1. 2. 2 间歇发酵。以10%接种量将种子接入发酵培养基

12020

中, 置于33e 摇床中发酵。

安徽农业科学 2010年

因子对响应值的影响可用下列函数表示:

Y 1=a 0+a 1X 1+a 2X 2+a 3X 3+a 11X 1+a 22X 2+a 33X 2+

a 12X 1X 2+a 13X 1X 3+a 23X 2X 3

sio n) 程序

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1. 2. 3 单因素试验。由于酿酒酵母的最适生存温度及反应

[11]

表1 响应曲面分析法试验因素编码及水平

T ab l e 1 C o d es and levels of factor s cho s en for t h e ex p er i m en t u si n g

r es p o n se s u r face methodology

因素

Facto r

初糖浓度X 1发酵温度X 2Me 发酵时间X 3M h

编码及水平Co de and l evel s -[**************]

(1)

用S AS 统计分析软件RS REG (Response Surf ace Regres 2

对15个试验点的响应值进行回归分析, 并得到

表2 响应面分析试验设计及结果

T ab l e 2 Th e desi gn and r es u lts of response sur face ana l ysis test 编号Co de 123456

[**************]

X 1-1-1110000-11-11000

X 2-11-11-1-1110000000

X 30000-11-11-1-111000

乙醇产量E t h anol yield Y 1/g/100ml

4. 1293. 8688. 10211. 4487. 68410. 8738. 4688. 7823. 8168. 6254. 2869. 30513. 80012. 85913. 225

方差分析表。

注:X 1=(x 1-20) /15; X 2=(x2-35) /10; X 3=(x 3-48) /24。 Note :X 1=(x 1-20) /15; X 2=(x2-35) /10; X 3=(x 3-48) /24.

1. 3 发酵方法将装有配制好不同浓度的50m l 糖溶液和40m l 无机盐溶液的三角瓶放入高温灭菌锅中消毒灭菌; 然

2. 1 单因素试验结果由图1可知, 当初糖浓度为20%时乙醇产量达到最大值, 因此将初糖浓度的范围确定为5%~35%,

进行优化试验。

对表2中的试验设计结果进行响应面回归分析, 得乙醇产量的二次回归全模型方程为:

Y 1=13. 29467+2. 680125X 1+0. 21475X 2+0. 581625

X 3-4. 418333X 2. 88675X 1X 2+0. 0525X 1X 3-1+01. 974583X 2-0. 71875X 2X 3-2. 368333X 3X 3

模型的方差检验结果见表3、4、5。

表3 二次回归模型的方差分析结果

T ab l e 3 ANOVA r es u lts of the s eco nd 2order r egressi on model 方差来源自由度df So u rces of Degree variance of freedo m 模型一次项平方项交互项

9333

平方和

Su m of s quares

均方Mean sq uare

F 值F val ue

P 值(显著水平) P v alue 0. 0014880. 0017810. 000605

161. 4119017. 9346623. 0750860. 5398020. 1799325. 9639095. 6494131. 8831441. 021465. 22273

模型的确定系数

R 2=0. 9765

1. 7409112. 239890. 201533

模型的调整确定系数

R =0. 9342

表4 回归模型的失拟性方差分析结果

T ab le 4 ANOVA res u lts of l ack 2of 2fit for th e regr essio n m o d el 方差来源自由度df

So u rces of Degree variance of freedo m

图1 不同初糖浓度下乙醇产量变化

Fig . 1 Ch an ges of ethano l y ield a t d i fferen t i n itial g l uco s e co n 2

ce n trati on

失拟项纯误差总误差

325

平方和Su m of s quares

均方Mean sq uare

F 值F val ue

P 值P v alue 0. 168571

3. 4361321. 1453775. 090333

0. 4500210. 2250103. 8861530. 777231

2. 2 响应曲面分析法试验结果

2. 2. 1 酿酒醇母发酵产乙醇工艺数学模型的建立及其显著

性检验。以乙醇产量(Y 1) 为响应值, 经回归拟合后, 各试验

Y 1=13. 29467+2. 680125X 1-4. 418333X 1-1. 974583X 2-2. 368333X 3

该模型可以用来预测酿酒酵母发酵乙醇的产量。

表5 回归方差系数的显著性检验结果

T ab l e 5 T est r es u lts o f sig n i fican ce for the regressi on var i an ce coeffi 2

cien t

模型中系数项Coeffici ent i te ms i n t h emo del X 1X 2X 3X X 1X 2X 1X 3X 2X 2X 3X 3

2221

乙醇产量的影响却为负面效应。

图3 发酵温度和发酵时间对乙醇产量影响的响应面俯视图(初

糖浓度=20%)

F ig . 3 R espo n se s u rface to p vie w of the effects o f ferm en t a tio n

te mp eratu re an d ti m e o n ethanol y i el d (initi al s ugar co n 2cen tratio n of 20%)

酵时间不变时, 增加初糖浓度会使乙醇产量增加, 当初糖浓度达到一定值时, 乙醇产量变化不再增加, 当初糖浓度超过此值时,

乙醇产量开始下降。

估计值E sti m ated val ue 2. 6801250. 2147500. 581625-4. 4183300. 8867500. 052500-1. 974580-0. 718750-2. 368330

标准误差

Standard error 0. 3116950. 3116950. 3116950. 4588030. 4408030. 4408030. 4588030. 4408030. 458803

t 值t val ue 8. 5985480. 6889751. 866006-9. 6301402. 0116680. 119101-4. 303770-1. 630550-5. 161990

P 值P val ue 0. 0003510. 5214990. 1210330. 0002050. 1004320. 9098330. 0076880. 1639150. 003579

2. 2. 2 乙醇产量的响应曲面分析。在响应曲面分析精简模型中, X 1、X 2、X 3交互作用对响应值乙醇产量Y 1的影响见图

2~6。由图2可知, 发酵时间不变, 随着发酵温度的升高,

乙

图4 初糖浓度和发酵时间对乙醇产量影响的响应面立体图(发

酵温度=35e )

F ig . 4 Res pon se s u r face stereogram o f th e effects o f i n iti al glu 2

cose co n cen tra tio n an d ferm en tati on ti m e o n ethano ly i eld (f er mentati o n te mperature of 35e

)

图2 发酵温度和发酵时间对乙醇产量影响的响应面立体图(初

糖浓度=20%)

Fig . 2 R espo n se s u rface ster eogra m of t h e effects o f ferm en ta 2

tio n te m peratu re and ti m e on ethano l yiel d (i n iti al gl ucose co n centrati o n of 20%)

图5 初糖浓度和发酵时间对乙醇产量影响的响应面俯视图(发

酵温度=35e )

F ig . 5 Res p o n se s u rface top vie w o f th e effects of i n itial gl u cose

conce n trati on an d ferm en tati on ti m e on eth ano l yiel d (f er 2men t ati o n te mp erat u re of 35e )

醇产量呈现增加趋势, 而发酵温度达到一定值时, 乙醇产量

。

好地预测实际发酵产乙醇的情况。

3 结论与讨论

3. 2 讨论

图6 初糖浓度和发酵温度对乙醇产量影响的响应面立体图(发

酵时间=36h)

Fig . 6 R es p o n se sur face ster eogra m of t h e effects of i n iti a l g l u 2

cose concen trati on and ferm e n ta tio n te mp era t u re on eth 2an ol yield (fer mentati on ti m e of 36h

)

最适生存温度, 酿酒酵母的活性降低, 分解代谢能力降低, 从

而造成乙醇产量下降。

[1]刘莉, 孙君社, 康利平, 等. 甜高粱茎秆生产燃料乙醇[J].化学进展,

2007, 19(8):1109-1115.

[2]倪维斗. 我国的能源现状与战略对策[J].山西能源与节能, 2008, 6(2):

1-5.

[3]刘杰, 李源有, 郑士梅, 等. 利用甜高粱秸秆加工乙醇存在的问题及建

议[J].吉林农业科学, 2007, 32(2):62-65.

[4]杨登峰, 关妮. 乙醇生产酵母菌的选育[J ].现代食品科技, 2008, 24(6):

506-508.

[5]张管生. 甜高粱茎杆制燃料乙醇工程路线探讨[J].中外能源, 2006, 11

(4):104-107.

[6]黎大爵. 甜高粱可持续农业生态系统研究[J].中国农业科学, 2002, 35

(8):1021-1024.

[7]赵景阳, 米庆华. 黄河三角洲甜高粱产业一体化综合开发探索[J].中

国糖料, 2007(1):54-57. [8]NG UYEN MH, PRI NCE R G H. A sm i p l e rule for b i oenerg y co nv ersi o n 2

to et hanol and s ug ar :E co no mi c t rade 2offs i n the co ntext of No rt h Ch i na [J ].Bi ores o urce Techn o l o g y , 2005, 96:985-1002.

[10]郑士梅, 李原有, 吴利兴, 等. 利用甜高粱茎秆加工粗乙醇(原酒) 技术

之一:简易固体发酵法技术要点[J].酿酒, 2007, 34(4):45-47.

图7 初糖浓度和发酵温度对乙醇产量影响的响应面俯视图(发

酵时间=36h)

Fig . 7 R es p o n se sur face to p v i ew of t h e effects o f in itial glucose

con cen trati on an d ferm en tati on te mp eratu re on ethano l y i el d (fer men tati o n ti m e of 36h)

2. 3 最佳工艺条件的验证为了检验模型预测的准确性, 采用上面优化的工艺条件(初糖浓度24. 72%、发酵温度36e

响应曲面法优化酵母菌发酵产乙醇的工艺

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