专利名称：：高压下生产生物乙醇的海藻液化萃取物及其提取方法
技术领域：
：本发明涉及一种高压下生产生物乙醇的海藻高压液化萃取物及其提取方法，特别涉及到一种在高压下从海藻中得到液体萃取物以及利用酵母发酵液体萃取物生产生物乙醇的方法。
背景技术：
：在高油价、能源安全以及对温室气体排放的严格限制的背景下，替代能源的开发已经成为全球性议题，作为新一代燃料，生物乙醇也在全球范围内迅速发展起来。布什政府宣称他们将增加替代能源如生物乙醇的使用，计划在2017年前将美国国内石油的消费量减少20%。日本、中国以及东南亚各国也相继出台了扩大生物乙醇生产的政策。生物乙醇是一种从甘蔗和玉米等植物中萃取出来的燃料。由于生物乙醇可以单独或者与汽油混配作为汽车的燃料，生物乙醇已经成为除生物柴油以外的进入人们视野的最典型的替代能源。此外，生物乙醇还可以降低对原油进口的依赖。生物乙醇燃烧过程中排放的二氧化碳不在《京都议定书》提出的温室气体排放量的计算之列。因此可以达到减少温室气体排放量的目标。不像其他的清洁燃料需要重新建立地下结构(如加汽站)保证供给，生物乙醇只需用已有的地下结构(如加油站)即可，从而保证了生物乙醇的早期的商业使用。就此而言，生物乙醇的需求的增加使得它的生产也在逐步的增加。然而，由于生物乙醇成为替代能源使得玉米、蔗糖以及小麦这些制造生物乙醇的原材料的需求也迅速增加。这是谷物价格猛涨的原因之一。特别地，预计对于具有竞争力的农产品的使用会进一步增加，比如玉米，它可以作为乙醇生产的原材料。因此，生物燃料的扩大生产增加了对玉米的需求量。而对玉米需求的增加很可能会提高以谷类为原材料的饮料和食品生产商的成本，也提高了饲养家禽、家畜的农民的饲养成本。结果食品和畜产品的零售价格就会提高。这种用谷类生产生物乙醇的做法不可避免的会引起谷类价格的提升，同时，由于谷类可以作为充饥之粮食，这一做法也会引起人们的不满。因此，国际生物乙醇市场正在寻求将其原料由谷物转向纤维素，但是生产纤维素乙醇过程中木质素的去除仍然是个问题，至今还没有取得突破。最近，国内外的一些研究小组正在开发一项技术，使用这项技术可以利用碳水化合物和富含糖类的海藻生产生物乙醇。与其它原料如谷类和木材相比，海藻在产量的稳定性、单位面积的作物产量、二氧化碳的吸收能力、能量输出和单位成本等方面有更高的经济效益。而且，对食物资源和自然界的破坏有相对较少的副作用。由于海水的富营养化引起了海藻的过度生长，从而引起了海水污染。若要把海藻作为原料来生产生物乙醇，可以想象，这种变废为宝的作法无论从经济上还是从环境上都有很大的优点。生物乙醇的生产包括三个步骤首先是对原料的糖化，然后是发酵，最后是蒸馏。如化学处理、热处理和酶处理等预处理工序都是在糖化作用这一过程中。但是，这些预处理工序又有很多缺点，比如，低产量、化学成分发生改变、添加剂对设备的腐蚀、环境污染和无用副产品的产出。目前尚未得出具有商业价值的研究成果。此外，用于发酵过程的酵母菌的增长受到产出酒精的抑制，导致生物乙醇的转化效率愈加低下。
发明内容本发明的目的是针对以上现有技术存在的问题，提供一种利用海藻生产高产量生物乙醇的方法。本发明还提供一种生产生物乙醇的高压液化萃取物及其制备方法。本发明还提供一种利用海藻而获得的生物能源，这些海藻的过度生长将导致海藻污染。技术方案为实现上述目的，本发明公开了一种利用高压液化萃取器从海藻中提取的高压液化萃取物及其提取方法。其中，本发明的海藻液化方法的压力为500-1000MPa。当压力低于500MPa时，对细胞组织的破坏程度较低，因而使得萃取物中的葡萄糖的含量低。相反地，当萃取时的压力高于IOOOMPa时，细胞组织中的其他物质也会被萃取出来。因此，在发酵之前，其他物质都将被除去。特别是，本发明方法在压力达到IOOOMPa后萃取30分钟。其中，本发明的高压萃取温度为60-80°C。当萃取温度低于70°C时，液化活性将会被抑制。而萃取温度高于70°C时将会引起细胞组织变异。其中，本发明所述海藻选自褐藻、红藻或者绿藻，但不仅限于它们。图3为高压液化绿藻，萃取得到的葡萄糖的产量与萃取时间的曲线图。其中，通过酵母对高压液化萃取物进行发酵生产乙醇，所述的高压液化萃取物按照本发明所述方法制备而成。其中，传压介质为水或者油，用来传递均衡的压力。有益效果依据本发明的方法，用海藻生产生物乙醇的过程非常简单，可以得到高产量的高压液化萃取物，同时可以缩短发酵时间，从而提高了生物乙醇的产量。虽然一般而言，对萃取物副产品的弱酸处理需要较长时间和较高成本，但是本发明提供的方法成本仍然很低。此外，海藻在近海领域过度生长可能会引起环境污染，当我们用本发明的方法用海藻生产生物乙醇时，可以从海藻废物中创造经济和环境价值。本发明的目的、特征以及优点通过对以下相关的照片和附图的详细描述，可以更清楚的得到说明。图1本发明实施方式中利用海藻生产生物乙醇的方法流程图；图2本发明实施方式中经过高压液化萃取处理后的孔石莼的表面形态的电子显微镜扫描图；图3本发明实施方式中高压液化绿藻后萃取的葡萄糖的产量与萃取时间的曲线图4:本发明实施方式中的样品的照片，其中图4A为高压液化萃取物的照片，图4B为孔石莼的发酵液的照片，图4C为发酵后的馏出物(即生物乙醇)的照片；图5本发明实施方式中葡萄糖的消耗浓度、乙醇的生产浓度以及酵母的生长与发酵时间的曲线图。具体实施例方式下文中详细描述了本发明的具体实施方式。在不偏离本发明的精神和范围下，对发明的基本构思所做的任何变化和修改，均落入本发明保护范围之内。一方面，本发明提供了一种生产生物乙醇的海藻高压液化萃取物及其制备方法，特别是，提供一种高压下从海藻中制得液体萃取物以及利用酵母发酵液体萃取物生产生物乙醇的方法。在本发明的实施方式中使用褐藻、红藻以及绿藻，但是本发明并不仅限于这些海藻以及这些种类海藻。在本发明的实施方式中水或者油在高压液化过程中用作传压介质来传递均衡的压力。本发明的一种实施方式中使用了绿藻中最常见的种类-孔石莼。近年来，韩国沿海水域的物种的迅速增长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经济和社会等问题。然而，由于孔石莼中碳水化合物和淀粉的干重约为其干重的50%，因此，它是生产生物乙醇的最有用和有价值的原材料。本发明的另一实施方式使用了褐藻(Eckloniacava)和红藻(Pachymeniopsislanceolata禾口Gelidiumelegans)0下面将详细介绍本发明的具体实施例，实施例中萃取方法采用非酶化方法进行，这些实施例只是为了说明本发明的目的，不能被看作对本发明保护范围的限制。实施例对比例1对孔石莼进行热处理，萃取葡萄糖将孔石莼置于装有竖直回流冷凝器的烧瓶中，加入10倍于孔石莼量的蒸馏水，于100°C下对孔石莼萃取2次，萃取时间为24小时。对比例2对孔石莼进行弱酸处理，萃取葡萄糖将孔石莼置于装有竖直回流冷凝器的烧瓶中，加入10倍于孔石莼量的浓度为的硫酸，于123°C下对孔石莼进行弱酸萃取1小时。实施例1对孔石莼进行高压液化处理，萃取葡萄糖以水作为传压介质，将IOOg孔石莼置于高压液化萃取器中，然后在70°C下，加压，使压力从500MPa增大至lOOOMPa，并在保持压力为IOOOMPa的条件下高压萃取孔实莼30分钟。图2是萃取结束后的孔石莼的破碎细胞的表面形态照片。如图2所示，在高压液化处理之后，孔石莼的破碎的细胞组织是完全均勻分布的微粒。采用DNS方法测定萃取物葡萄糖的含量采用DNS方法测定对比例1和2，实施例1中的葡萄糖含量，测定结果如表1所示。表1对比例1~~对比例2实施例1~葡萄糖(g/L)Γθ980ITo表1中的测定结果表明，本发明实施例1的生产过程简单，葡萄糖产量高，是传统葡萄糖萃取方法的葡萄糖产量的1.4-4.7倍。考虑到孔石莼中葡萄糖的总含量为20%(w/w)，实施例1中高压液化过程使萃取物和糖化过程的产量增加了20%。实施彻丨2乙醇^tili寸禾早中的酵母的培养乙酉享发酵的菌禾中酵母Saccharomycescerevisiae(AdenForbesLab,BakersYeast,4330910)为高压液化萃取物的乙醇发酵提供了可靠的保证，并且抑制糖化过程中酵母的生长。将高压液化萃取物加入到酵母膏培养基中，作为发酵混合培养基进行发酵，其中每500ml混合培养基中高压液化萃取物占10-35%(ν/ν)。实施例3从绿藻孔石莼中制得的牛物乙醇将实施例1中得到的孔石莼的高压液化萃取物用实施例2中的酵母进行发酵，然后对发酵混合物进行蒸馏，获得生物乙醇。将高压液化萃取物放置到一个生物工程系统中进行厌氧发酵，发酵温度为25°C，发酵时搅拌速率为80rpm。乙醇发酵过程通常在无氧条件下进行。对混合物进行间歇地搅拌，保证了发酵过程的无氧条件或微量通风，使培养基中的酵母维持一定的浓度。定期采集相同量的培养基作为子样品，并将其保存在4°C的冰箱中。对上述子样品进行离心分离，然后对上清液中的乙醇进行定量分析。分析方法是采用装有热导检测器的气相色谱仪(HP5890-11,porapakQ柱)和薄层色谱(TLC)进行分析。表2给出了本发明实施例3中发酵过程中所得乙醇的浓度。图5是一幅曲线图，说明在发酵过程中，葡萄糖的消耗浓度、乙醇的生成浓度和发酵酵母的生长曲线与发酵时间的关系。图4是根据实施例的乙醇生产过程中所得的样品的照片，其中图4A为高压液化萃取物的照片，图4B为孔石莼发酵基质，图4C为发酵后的蒸馏产物(生物乙醇)。表2时间(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如图5所示，当孔石莼的高压液化萃取物采用酵母发酵，发酵过程在24小时内完成，并且持续生产出乙醇。随着剩余的葡萄糖的量的不断减少，乙醇生成量与之成比例的不断升高，这表明从孔石莼中萃取得到的葡萄糖被用于酵母生长和酒精发酵。实施例4关于褐藻Eckloniacava的葡萄糖转化率的对比试骑用褐藻Eckloniacava(Ig干重)代替实施例1中的孔石莼来萃取葡萄糖。为了对比，测量对比例2方法中的葡萄糖转化率。作为参考，褐藻Eckloniacava中碳水化合物的含量为28.9%(w/w)，葡萄糖的含量为15.7%(w/w)。表3示出了采用酸处理方法处理褐藻Eckloniacava获得葡萄糖的转化率和采用实例1的方法处理褐藻Eckloniacava获得葡萄糖的转化率。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>实施例5采用褐藻Eckloniacava制取乙醇采用实施例3的方法，从实施例4中所获得的萃取液样品中生产生物乙醇。结果表明乙醇的最大含量为2.8%(ν/ν)，与高压液化萃取液中现有的葡萄糖相比，制造了78%的乙醇。当Imole的葡萄糖发酵，生成乙醇的产率为50%时，这个结果接近于最大理论产率3.2%(ν/ν)。实施仿}|6关于红藻PachymeniopsisIanceolata禾口GelidiumeleRans的葡萄糖转化率对比试验除了米用红藻Pachymeniopsislanceolata(Ig干重)禾口Gelidiumelegans(Ig干重)萃取葡萄糖之外，其余与实施例1相同。为了对比说明，测量对比例2方法中的葡萄糖转化率。作为参考，红藻Pachymeniopsislanceolata和Gelidiumelegans中碳水化合物的含量分别为60.1和51.3%(w/w)，葡萄糖的含量分别为45.9和15.3%(w/w)。表4显示了采用酸处理方法分别处理Pachymeniopsislanceolata和Gelidiumelegans获得的葡萄糖转化率和采用实例1的方法分别处理Pachymeniopsislanceolata和Gelidiumelegans获得的葡萄糖转化率。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>实施例7用红藻Pachymeniopsislanceolata禾口Gelidiumelegans制取乙醇采用实施例3的方法，从实施例6中获得的萃取液样品中生产生物乙醇。结果表明采用红藻Pachymeni-Opsislanceolata的液化萃取液发酵时，乙醇的最大含量为9.4%(ν/ν)；采用红藻Gelidiumelegans的液化萃取液发酵时，乙醇的最大含量为2.4%(ν/ν)；与高压液化萃取液中葡萄糖相比，分别生成了74%和65%的乙醇。当Imole的葡萄糖发酵，生成乙醇的产率为50%时，采用红藻Pachymeni-OpsisIanceolata的液化萃取液发酵，结果接近最大理论产率12.7%(ν/ν)；采用红藻Gelidiumelegans的液化萃取液发酵，结果接近最大理论产率3.7%(ν/ν)0如表3和表4所示，本发明方法的葡萄糖转化率高于酸处理方法的葡萄糖转化率。这种简单的高压液化方法对缓解绿潮问题、酸化处理的成本问题以及使用传统方法制造工艺复杂问题都将更有用和更可靠。对样品进行发酵处理后，与液体中含有的葡萄糖的最大理论转化率相比，乙醇的转化率约为80%。这要高于已报道的采用纤维素发酵生成乙醇的转化率。此外，高压液化萃取物有利于酵母的生长。工业用途综上所述，本发明利用海藻生产生物乙醇的方法工艺简单，高压液化萃取物的产量高，减少了发酵时间，生物乙醇的产率高。通常使用弱酸处理海藻的方法耗时，对弱酸萃取后的副产物的处理成本高，本发明提供了一种生成成本低，生物乙醇产量高的生产方法。本发明方法提供了一种利用由于过度生长造成近海领域污染的新的生物质绿藻，提取具有经济价值和环境友好的产品生物乙醇。权利要求一种通过增加压力液化处理海藻的方法，其特征在于，液化处理的压力为500-1000MPa。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于液化处理温度为60-80°C。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述液化处理时的传压介质选择水或者油。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的海藻为绿藻、褐藻或红藻中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的海藻为孔石莼。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的海藻为褐藻Eckloniacava.7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的海藻为红藻PachymeniopsisIanceolata08.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的海藻为红藻Gelidiumelegans.9.一种高压液化萃取物，其特征在于按照如权利要求1-8任一所述方法制得。10.根据权利要求9所述的高压液化萃取物，其特征在于所述高压液化萃取物被用于生物乙醇发酵。全文摘要本发明公开了一种生产生物乙醇的高压液化萃取物，高压下从海藻中生产液化萃取物的方法，以及用酵母发酵上述高压液化萃取物从而获得生物乙醇的方法。按照使用海藻生产生物乙醇的方法，高压液化萃取物的产量高，同时发酵时间短。因此，生物乙醇的产量也得到了提高。此外，本方法从天然海藻资源中获得了良好的经济和环境效益。文档编号C12P7/04GK101802206SQ200880001480公开日2010年8月11日申请日期2008年12月17日优先权日2008年8月12日发明者姜来善,姜道京,朴兴植,李熙承,李贤永,韩载君申请人:韩国海洋设计研究院