本發(fā)明涉及生物質(zhì)原料降解通過發(fā)酵工藝生產(chǎn)燃料乙醇領(lǐng)域，具體涉及一種對木質(zhì)纖維素水解液脫毒的表面活性劑回收方法。

背景技術(shù)：

隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境污染的日益加劇，可再生清潔能源燃料乙醇的開發(fā)和利用受到了人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵以糖或淀粉為原料，二者都是食物的主要來源，以糧食為原料生產(chǎn)燃料乙醇已經(jīng)對世界糧食安全構(gòu)成了威脅，尋找其它原料替代糧食勢在必行。木質(zhì)纖維素是世界上最為豐富的生物質(zhì)資源，以木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)燃料乙醇不但能有效緩解能源危機(jī)、減輕環(huán)境污染，而且符合未來燃料乙醇大規(guī)模替代石油的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，具有重大的經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。

把木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇一般需要四個步驟:熱-化學(xué)預(yù)處理、纖維素酶解、微生物發(fā)酵和蒸餾。預(yù)處理需要在苛刻的條件下完成，才能破壞高度聚合的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的結(jié)構(gòu)，使得接下來的纖維素酶水解成為可能。酸解或蒸汽爆破等熱化學(xué)預(yù)處理過程的高溫、高壓等條件會使水解液中生成或釋放有機(jī)酸類、呋喃類和酚類等發(fā)酵抑制物，這些化合物對酵母菌的正常生長和乙醇發(fā)酵過程產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制作用,已經(jīng)成為纖維素乙醇大規(guī)模生產(chǎn)的一個主要障礙。

因此，對預(yù)處理的木質(zhì)纖維素水解液進(jìn)行脫毒處理顯得尤其重要。目前文獻(xiàn)報(bào)道的脫毒方法主要包括水洗脫毒、物理脫毒(真空濃縮氣提法、膜分離法)、化學(xué)脫毒(石灰中和、活性炭吸附、離子交換、溶劑萃取)、生物脫毒。例如文獻(xiàn)Bioprocess Biosyst Eng(2013)36:659–666采用活性炭吸附法討論了糠醛、 HMF、乙酰丙酸等發(fā)酵抑制劑對酵母細(xì)胞生長速度的影響；專利CA102226204B公開了一種木質(zhì)纖維素乙醇發(fā)酵液的脫毒方法，通過在待處理糖液中添加可溶性電解質(zhì)鹽后加熱得到恒溫原料液通過膜組件進(jìn)行膜蒸餾去除糖液中對后續(xù)發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用的物質(zhì)?？墒?，水洗、物理、化學(xué)脫毒等方式消耗大量水資源、設(shè)備投資成本高且工藝復(fù)雜，而且脫毒效果差、糖分損失嚴(yán)重。本實(shí)驗(yàn)室通過向木質(zhì)纖維素水解液中添加非離子表面活性劑，在乙醇發(fā)酵的同時對發(fā)酵菌株進(jìn)行化學(xué)外保護(hù)，提高酵母細(xì)胞對發(fā)酵抑制劑的耐受性，從而提高纖維素乙醇發(fā)酵效率(CN 201410280800.3和CN 201410454864.0)。

但是在乙醇分離過程中，含非離子表面活性劑和發(fā)酵抑制劑的廢水排放導(dǎo)致環(huán)境污染；而且表面活性劑是精細(xì)化學(xué)品，毒性抑制物也可通過化學(xué)轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品，回收表面活性劑和發(fā)酵抑制劑不僅可以減少污染、還能夠有效降低成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種木質(zhì)纖維素水解液發(fā)酵過程表面活性劑回收技術(shù)。本發(fā)明提出的一種木質(zhì)纖維素水解液發(fā)酵過程表面活性劑回收技術(shù)，基本思路首先對發(fā)酵液進(jìn)行固液分離回收酵母細(xì)胞；然后在對液體進(jìn)行蒸餾乙醇的同時實(shí)現(xiàn)表面活性劑與發(fā)酵抑制劑的富集；最后再通過有機(jī)溶劑萃取發(fā)酵抑制劑可實(shí)現(xiàn)表面活性劑、發(fā)酵抑制物的耦合分離回收。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，為本發(fā)明的思想提供明確的支撐，本發(fā)明首先制備了一系列木質(zhì)纖維素水解液模型物，然后添加酵母細(xì)胞、表面活性劑、調(diào)整pH后進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵后進(jìn)行固液分離，分別回收不溶物和上清液，不溶物為酵母細(xì)胞可再利用；上清液進(jìn)行含有表面活性劑、發(fā)酵抑制物、緩沖劑。對上清液進(jìn)行蒸餾、萃取、再蒸餾，蒸餾剩余物主要為表面活性劑、緩沖劑可直接用于 下一次發(fā)酵過程，發(fā)酵抑制物被萃取收集可用于化學(xué)轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品。

一種一種木質(zhì)纖維素水解液發(fā)酵過程表面活性劑回收技術(shù)，按照以下步驟進(jìn)行：酸解或蒸汽爆破等熱化學(xué)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素水解液，不需脫毒處理，直接添加緩沖液調(diào)整pH值、添加表面活性劑、接入釀酒酵母乙醇發(fā)酵后對表面活性劑與發(fā)酵抑制物進(jìn)行耦合分離回收。

所述的對表面活性劑與發(fā)酵抑制物進(jìn)行耦合分離回收，首先對發(fā)酵液進(jìn)行固液分離回收酵母細(xì)胞；然后在對液體進(jìn)行蒸餾乙醇的同時實(shí)現(xiàn)表面活性劑、發(fā)酵抑制物、緩沖劑的富集；最后再通過有機(jī)溶劑萃取發(fā)酵抑制物實(shí)現(xiàn)表面活性劑、緩沖劑與發(fā)酵抑制物的耦合分離回收。

所述的表面活性劑的濃度為0～0.4g/mL水解液，所述的釀酒酵母的細(xì)胞濃度為：0.13*10⁸億-1.4*10⁹個/m。

所述發(fā)酵溫度為30-39℃，發(fā)酵時間為4～100h；緩沖液的pH為4.0～5.5；蒸餾溫度為30-100℃，蒸餾壓力為-0.01Mpa～-0.1Mpa，蒸餾時間為10分鐘-120分鐘。

所述的木質(zhì)纖維素來自農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、專門的能源作物或/和各種含纖維素的廢棄物；

所述農(nóng)業(yè)廢棄物為小麥秸稈、玉米秸稈或/和稻草；

所述林業(yè)廢棄物為伐木產(chǎn)生的枝葉、廢棄木頭或/和木屑；

所述專門的能源作物為甜高粱或/和柳枝程；

所述各種含纖維素的廢棄物為城市固體垃圾、廢紙或/和甘蔗渣。

所述的木質(zhì)纖維素水解液含有葡萄糖、木糖等一種或多種可發(fā)酵糖，可發(fā)酵糖濃度為60-500g/L。

所述的木質(zhì)纖維素水解液含有發(fā)酵抑制物，發(fā)酵抑制物濃度為0～6.0g/L； 所述發(fā)酵抑制物為苯酚、愈創(chuàng)木酚、香草醛、5-羥甲基糠醛(HMF)、糠醛、乙酰丙酸或乙酸的一種或多種。

所述的所述表面活性劑為聚乙二醇、聚乙二醇單甲醚、聚乙二醇二甲醚、聚二甲基硅氧烷、吐溫中的至少一種；優(yōu)選為聚乙二醇。

所述的表面活性劑聚乙二醇的分子量為200-8000；優(yōu)選為200-2000。

所述的有機(jī)溶劑為：

所述pH緩沖劑為：醋酸-醋酸鈉、檸檬酸-檸檬酸鈉、磷酸-磷酸鈉、硫酸溶液。

相對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出的一種木質(zhì)纖維素水解液脫毒發(fā)酵過程表面活性劑回收方法如圖1所示，該方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明在分離乙醇過程中是同步實(shí)現(xiàn)了表面活性劑、緩沖劑、酵母細(xì)胞的富集，未增加任何額外的能量消耗；然后對富集的表面活性劑通過萃取實(shí)現(xiàn)表面活性劑、緩沖劑、發(fā)酵抑制物的耦合分離回收。發(fā)酵抑制物可用于生產(chǎn)高值化學(xué)品，進(jìn)一步提高木質(zhì)纖維素原料的原子利用率。總而言之，纖維素生產(chǎn)過程中表面活性劑的回收技術(shù)進(jìn)一步推動了纖維素乙醇工業(yè)化進(jìn)程，具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1表面活性劑、酵母、緩沖劑一體化循環(huán)利用示意圖。

圖2酵母的循環(huán)再利用示意圖。

圖3表面活性劑和酵母的共同循環(huán)再利用示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不受實(shí)施例的限制，下述實(shí)施例和說明書中描述的內(nèi)容只是說明本發(fā)明的原理，在 不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。

另外，值得說明的是，以下各實(shí)施例中發(fā)酵液中各組分物的含量測定采用高效液相色譜儀(Agilent 1260)，依據(jù)底物的投料量計(jì)算其轉(zhuǎn)化率、乙醇收率，依據(jù)發(fā)酵液中乙醇質(zhì)量、活化水與pH液體積計(jì)算乙醇濃度。

色譜條件為：離子交換柱，柱溫為65℃，視差折光檢測器，檢測器為50℃；流動相：5Mm H₂SO₄，流速0.6ml/min，進(jìn)樣量25uL。

實(shí)施例1

木質(zhì)纖維素水解液模型物20mL,其中含葡萄糖濃度71g.L^-1、混合抑制物(苯酚、愈創(chuàng)木酚、香蘭素、HMF、糠醛、乙酰丙酸混合物)(2.0g.L^-1)，加入0.2g.mL^-1PEG-400(對比例中未添加PEG)，加入酵母細(xì)胞濃度0.8*10⁸～0.96*10⁸個/mL，將pH值調(diào)為4.3，放入搖床中進(jìn)行震蕩，在33℃條件下發(fā)酵48小時。發(fā)酵后進(jìn)行固液分離，回收的酵母細(xì)胞直接用于下次發(fā)酵。葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度分別如圖2所示。從圖中對比例數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)酵體系未加入PEG時，葡萄糖幾乎不轉(zhuǎn)化，酵母細(xì)胞幾乎完全死亡，不能回收再利用。而當(dāng)發(fā)酵體系中加入PEG后，葡萄糖完全100％轉(zhuǎn)化并獲得32g.L^-1的乙醇；回收酵母用于下一次發(fā)酵過程，仍然可使90％的葡萄糖轉(zhuǎn)化可獲得25g.L^-1的乙醇；即使酵母細(xì)胞的第二次循環(huán)仍然可使40％的葡萄糖轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乙醇，這說明PEG的加入大大改善了酵母細(xì)胞對發(fā)酵抑制劑的耐受性。

實(shí)施例2

木質(zhì)纖維素水解液模型物20mL,其中含葡萄糖濃度71g.L^-1、混合抑制物 (苯酚、愈創(chuàng)木酚、香蘭素、HMF、糠醛、乙酰丙酸混合物)(2.0g.L^-1)，加入0.2g.mL^-1PEG-1000，加入酵母細(xì)胞濃度0.8*10⁸～0.96*10⁸個/mL，用硫酸溶液將pH值調(diào)為4.3，放入搖床中進(jìn)行震蕩，在33℃條件下發(fā)酵48小時。發(fā)酵后進(jìn)行固液分離，上層液體進(jìn)行蒸餾、萃取、再蒸餾，剩余液體即為表面活性劑、緩沖劑連同回收的酵母可直接用于下一次發(fā)酵過程(如圖1)，添加部分新酵母。PEG-1000與回收的酵母共循環(huán)3次結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，PEG-1000可以回收再利用，葡萄糖轉(zhuǎn)化率及乙醇濃度基本維持不變。

實(shí)施例3

實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)施例2相同，不同點(diǎn)在加入0.2g.mL^-1PEG-200，葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇收率及濃度數(shù)據(jù)見表1.從表中可以看出，PEG-200可以回收再利用，三次循環(huán)后葡萄糖完全轉(zhuǎn)化，乙醇濃度基本維持不變。

表1 葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度數(shù)據(jù)

實(shí)施例4

木質(zhì)纖維素水解液模型物20mL，其中含葡萄糖濃度70g.L^-1，苯酚、愈創(chuàng)木酚(2.0g.L^-1)，0.2g.mL^-1PEG-800，加入酵母細(xì)胞濃度0.8*10⁸～0.96*10⁸個/mL，用硫酸溶液將pH值調(diào)為4.3，放入搖床中進(jìn)行震蕩，在33℃條件下發(fā)酵48 小時。發(fā)酵后進(jìn)行固液分離，上層液體進(jìn)行蒸餾、萃取、再蒸餾，剩余液體即為表面活性劑、緩沖劑可直接用于下一次發(fā)酵過程。PEG-800回收共循環(huán)3次結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，PEG-800可以回收再利用，葡萄糖轉(zhuǎn)化率及乙醇濃度基本維持不變。

表2 葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度數(shù)據(jù)

實(shí)施例5

木質(zhì)纖維素水解液模型物20mL,其中含葡萄糖濃度400g.L^-1、苯酚1.0g.L^-1，加入0.2g.mL^-1PEG-600，加入酵母細(xì)胞濃度5*10⁸個/mL，用硫酸溶液將pH值調(diào)為4.3，放入搖床中進(jìn)行震蕩，在33℃條件下發(fā)酵72小時。發(fā)酵后進(jìn)行固液分離，上層液體進(jìn)行蒸餾、萃取、再蒸餾，剩余液體即為表面活性劑、緩沖劑連同回收的酵母可直接用于下一次發(fā)酵過程(如圖1)，添加部分新酵母。PEG-600與回收的酵母共循環(huán)3次結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，PEG-600可以回收再利用，三次循環(huán)后葡萄糖完全轉(zhuǎn)化，乙醇濃度基本維持不變。

表3 葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度數(shù)據(jù)

實(shí)施例6

實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)施例5相同，不同點(diǎn)在用醋酸-醋酸鈉調(diào)整pH為4.3，葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇收率及濃度數(shù)據(jù)見表4.從表中可以看出，PEG-600可以回收再利用，三次循環(huán)后葡萄糖完全轉(zhuǎn)化，乙醇濃度基本維持不變。

表4 葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度數(shù)據(jù)

實(shí)施例7

實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)施例5相同，不同點(diǎn)為發(fā)酵溫度為39℃，表面活性劑為PEG-2000,葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇收率及濃度數(shù)據(jù)見表5.從表中可以看出，PEG-2000可以回收再利用，三次循環(huán)后葡萄糖完全轉(zhuǎn)化，乙醇濃度基本維持不變。

表5 葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度數(shù)據(jù)

實(shí)施例8

實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)施例5相同，不同點(diǎn)為發(fā)酵溫度為30℃，表面活性劑為PEG-1500,葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇收率及濃度數(shù)據(jù)見表6.從表中可以看出，PEG-1500可以回收再利用，三次循環(huán)后葡萄糖完全轉(zhuǎn)化，乙醇濃度基本維持不變。

表6 葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度數(shù)據(jù)

實(shí)施例9

實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)施例2相同，不同點(diǎn)在加入0.2g.mL^-1PEG-4000，葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇收率及濃度數(shù)據(jù)見表7.從表中可以看出，PEG-4000可以回收再利用，三次循環(huán)后葡萄糖完全轉(zhuǎn)化，乙醇濃度基本維持不變。

表7 葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度數(shù)據(jù)

實(shí)施例10

實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)施例2相同，不同點(diǎn)在加入0.2g.mL^-1PEG-6000，葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇收率及濃度數(shù)據(jù)見表8.從表中可以看出，PEG-6000可以回收再利用，三次循環(huán)后葡萄糖完全轉(zhuǎn)化，乙醇濃度基本維持不變。

表8 葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度數(shù)據(jù)

實(shí)施例11

實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)施例2相同，不同點(diǎn)在加入0.2g.mL^-1吐溫-80，葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇收率及濃度數(shù)據(jù)見表9.從表中可以看出，吐溫-80可以回收再利用，三次循環(huán)后葡萄糖完全轉(zhuǎn)化，乙醇濃度基本維持不變。

表9 葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度數(shù)據(jù)

實(shí)施例12

實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)施例2相同，不同點(diǎn)在加入0.2g.mL^-1聚乙二醇單甲醚，葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇收率及濃度數(shù)據(jù)見表10.從表中可以看出，聚乙二醇單甲醚可以回收再利用，三次循環(huán)后葡萄糖完全轉(zhuǎn)化，乙醇濃度基本維持不變。

表10 葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度數(shù)據(jù)

實(shí)施例13

實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)施例2相同，不同點(diǎn)在加入0.2g.mL^-1聚乙二醇二甲醚，葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇收率及濃度數(shù)據(jù)見表11.從表中可以看出，聚乙二醇二甲醚可 以回收再利用，三次循環(huán)后葡萄糖完全轉(zhuǎn)化，乙醇濃度基本維持不變。

表10 葡萄糖轉(zhuǎn)化率、乙醇濃度數(shù)據(jù)