CN101691587A - 一种木质纤维水解糖液脱毒方法 - Google Patents

一种木质纤维水解糖液脱毒方法 Download PDF

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朱均均
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Abstract

一种木质纤维水解糖液脱毒方法，以稀硫酸预处理玉米秸秆的预水解糖液浓缩液为原料，其特征是用三烷基胺、正辛醇和煤油配制成的混合物作络合萃取剂，对浓缩后的预水解糖液在室温条件下进行络合萃取脱毒。络合萃取后的浓缩预水解糖液，主要抑制物乙酸去除率超过70％，羟甲基糠醛去除率超过40％，糠醛去除率达100％，同时也去除了部分木质素降解产物。

Description

一种木质纤维水解糖液脱毒方法
一、技术领域
本发明属于生物化学中木质纤维原料生物降解与生物转化生产燃料乙醇、化工平台化合物和其他生物基产品领域，特别涉及一种络合萃取技术作为木质纤维原料水解糖液脱毒的方法。
二、背景技术
在以木质纤维原料生物法制备乙醇、化工平台化合物和其他生物基产品的工艺中，由于木质纤维原料结构紧密，纤维素很难被纤维素酶水解成单糖，因此在纤维素酶水解之前必须进行预处理，以增加纤维素对纤维素酶的可及度。原料预处理方法主要有物理法、化学法、生物法以及以上几种方法的联用，在各种原料预处理方法中，稀酸预处理、蒸汽爆破预处理方法普遍被认为较为有效而有工业应用前景的方法。在木质纤维原料稀酸预处理、蒸汽爆破预处理过程中，由于酸或热的作用，部分纤维素、半纤维素和木质素发生降解和分解作用产生甲酸、乙酸、乙酰丙酸、糠醛、羟甲基糠醛和酚类化合物等对后续发酵有抑制作用的物质，这些物质必须在发酵之前脱毒去除。
木质纤维原料水解糖液的脱毒方法很多，主要包括石灰过量中和、活性炭吸附、有机溶剂萃取、离子交换、蒸汽汽提和生物脱毒等，但这些方法存在脱毒效果差、成本高，或在发酵抑制物质脱除的同时糖分损失大等缺点，限制了它们在工业规模上的应用。因此，寻找一种脱毒效果好、工业适应性强的发酵抑制物脱除方法，对于木质纤维原料生物制备乙醇、化工平台化合物和其他生物基产品十分必要。
三、发明内容
本发明的目的是寻找一种木质纤维原料水解糖液脱毒的新方法，希望能够有效除去多种对后续糖液发酵产生抑制作用的物质，同时在脱毒的过程中，尽量不损失或少损失有效糖组分。
络合萃取法是一种基于可逆络合反应的萃取分离方法，它克服了物理萃取法根据“相似相溶”规则选择萃取剂，造成极性较大的溶剂在生产中的大量损失和环境的“二次污染”等问题；且络合萃取法克服了有些化学分离过程需要消耗大量昂贵的反应剂、反应产物的化学形态发生变化等缺点，因此具有广泛的工业应用价值。
络合萃取法的基本原理是溶液中的待分离物质与含有络合剂的萃取剂相接触，络合剂与待分离的溶质形成络合物，使其转移到萃取相中达到分离的目的；第二步则是进行逆向反应使萃取剂再生循环使用，而溶质得以回收。
络合萃取法是为解决极性有机物稀溶液的分离问题而提出的，但尚无将该技术应用到木质纤维原料水解糖液脱毒工艺上的先例。
本发明的技术解决方案为：
一种木质纤维水解糖液脱毒方法，以稀硫酸预处理玉米秸秆的预水解糖液浓缩液为原料，其特征是用三烷基胺、正辛醇和煤油配制成的混合物作络合萃取剂，对浓缩后的预水解糖液在室温条件下进行络合萃取脱毒。
络合萃取剂的配比范围为(10～50％三烷基胺)+(10～50％正辛醇)+(0～80％煤油)，其最佳配比为30％三烷基胺+50％正辛醇+20％煤油；
浓缩预水解糖液与络合萃取剂之比(以下简称水油比)为1∶0.5～4，最佳水油比为1∶2；
萃取平衡60min，即可达到理想的脱毒效果。
有益效果：稀硫酸预处理的玉米秸秆预水解糖液浓缩液经过络合萃取后，其中主要抑制物，如乙酸去除率超过70％，羟甲基糠醛去除率超过40％，糠醛去除率达100％，同时也去除了部分木质素降解产物。另外，含发酵抑制物的糖液经络合萃取后糖液的pH值从初始的0.59上升到4.55，说明在去除抑制物的同时，也去除了部分残留在水解液中的硫酸，从而减轻了萃取后糖液的离子强度，有利于后续的发酵。
四、附图说明
图1萃取平衡时间对乙酸D*R′的影响；
图2水油比对乙酸D*R′的影响；
图3温度对乙酸D*R′的影响；
图4树干毕赤酵母NLP31对未脱毒浓缩预水解糖液的乙醇发酵历程；
图5树干毕赤酵母NLP31对脱毒浓缩预水解糖液的乙醇发酵历程。
五、具体实施方式
原料采用稀硫酸预处理工艺获得的玉米秸秆预水解糖液，真空蒸发浓缩。浓缩前后主要糖组分、发酵抑制物采用高效液相色谱(HPLC)分析，280nm吸收值(λ280)采用紫外分光光度计测定。预水解糖液浓缩前后的主要成分变化如表1所示。
表1稀酸预处理水解糖液真空浓缩前后主要成分变化
用三烷基胺、正辛醇和煤油按一定比例配制成的混合物作络合萃取剂，对浓缩后的预水解糖液进行络合萃取。以下分别是萃取平衡时间、水油比、萃取温度及络合剂组成对脱毒效果的影响情况。
a.萃取平衡时间对乙酸D*R′的影响
分别移取10ml浓缩预水解糖液于100ml三角瓶中，按水油比1∶1加入萃取剂(30％三烷基胺+50％正辛醇+20％煤油)，置于摇床中萃取，条件：25℃，转速：200r/min，每隔5、15、30、45和60min取样，于5000r/min下离心10min，取水相用于HPLC分析，其结果如表2所示。萃取时间对乙酸D*R′的影响如图1所示。
表2萃取时间对浓缩预水解糖液中各成分的影响
Figure G2009100359992D0000032
从表2可以看出，络合萃取60min效果最佳。图1中D代表的是乙酸的分配系数，其值为有机相中乙酸浓度与水相中乙酸浓度之比，而R′代表的是水油比，D*R′代表的是同样体积下的有机相萃取乙酸的能力。因此，从图1的D*R′的值也可以看出，萃取60min效果最佳。
b.水油比对乙酸D*R′的影响
分别移取10ml浓缩预水解糖液于100ml三角瓶中，按水油比1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3和1∶4加入萃取剂(30％三烷基胺+50％正辛醇+20％煤油)，置于摇床中萃取，条件：25℃，转速：200r/min，萃取60min，取样，于5000r/min下离心5min，取水相用于HPLC分析，其结果如表3所示。萃取时间对乙酸D*R′的影响如图2所示。
表3水油比对浓缩预水解糖液中各成分的影响
从表3可以看出，随着水油比的减小，糖浓度均在增加，这可能是因为极少量水被萃取到有机相中。从抑制物的去除效果，特别是乙酸，在水油比为1∶4时，残留乙酸的浓度仅为0.58g/L。从经济的角度来看，增加有机相的体积势必会增加成本，因此，我们同时也考虑乙酸的D*R′值来衡量萃取的效果。从图2中可以看出，在水油比为1∶2时，D*R′值为1.33，比水油比为1∶3时的1.40低0.07，这说明在水油比为1∶2时，已达到较好的脱毒效果，因此，水油比选择为1∶2。
c.萃取温度对乙酸D*R′的影响
分别移取10ml浓缩预水解糖液于100ml三角瓶中，按水油比1∶2加入萃取剂(30％三烷基胺+50％正辛醇+20％煤油)，置于摇床中萃取，条件：温度分别为5、15、25、35和45℃，转速：200r/min，萃取60min取样，于5000r/min下离心5min，取水相用于HPLC分析，其结果如表4所示。萃取时间对乙酸D*R′的影响如图3所示。
表4温度对浓缩预水解糖液各成分的影响
Figure G2009100359992D0000051
结合表4和图3的结果可以看出，三烷基胺络合萃取是一个放热过程，提高温度乙酸D*R′值降低，不利于络合萃取操作的进行。低温有利于萃取，但对乙酸D*R值提高不大。因此，选择室温25℃作为络合萃取温度。
d.络合剂组成对乙酸D*R′的影响
分别移取10ml浓缩预水解糖液于100ml三角瓶中，按水油比1∶2加入萃取剂，三烷基胺(R3N，R＝C8～10，工业级)、正辛醇(C8H180，分析纯)和煤油(脱芳烃煤油JLD-60，密度：0.811g/cm3；沸程：194.5～212.0℃)的体积比如表5所示，置于摇床中萃取，条件：25℃，转速：200r/min，萃取60min取样，于5000r/min下离心5min，取水相用于HPLC分析，其结果如表5所示。
表5络合萃取剂的组成对浓缩预水解糖液各成分的影响
Figure G2009100359992D0000052
Figure G2009100359992D0000061
从表5可以看出，30％三烷基胺、50％正辛醇和20％煤油组成的络合萃取剂的乙酸D*R′值为1.33，此时残余乙酸浓度为1.02g/L，增加三烷基胺的含量，可以提高乙酸D*R′值，当三烷基胺和正辛醇各为50％时，乙酸D*R′值达到最高为1.79。但增加三烷基胺的含量会增加有机相的粘度，使分离困难，并且残余乙酸浓度仅相差0.2g/L，因此，综合考虑选择络合萃取剂的比例为30％三烷基胺、50％正辛醇和20％煤油。
为了比较脱毒的效果，将脱毒前后的浓缩预水解糖液进行发酵比较。酵母采用戊糖己糖同步乙醇发酵菌株树干毕赤酵母(Pichia stipitis)NLP31，发酵培养基组成如下(每1L的含量)：5g(NH4)2SO4，3g KH2PO4，0.5g MgSO4·7H2O，30mg EDTA，9mg ZnSO4·7H2O，2mg MnCl2·2H2O，0.6mg CoCl2·6H2O，0.6mgCuSO4·5H2O，0.8mgNa2MoO4·H2O，9mg CaCl2·2H2O，6mg FeSO4·7H2O，2mg H3BO3，0.2mg KI。用柠檬酸缓冲液调节pH值为5.4。发酵条件为，30℃、150r/min。发酵历程如图4所示。
从图4可以看出，树干毕赤酵母NLP31对未脱毒的浓缩预水解糖液发酵，在24～84h内，乙醇浓度维持在2.94～3.79g/L之间，说明未脱毒水解液很难被酵母发酵。而图5为树干毕赤酵母NLP31对脱毒的浓缩预水解糖液的发酵历程，从图5中可以看出，在48h时乙醇浓度达到较高，为21.76g/L，此时糖利用率和乙醇的理论得率分别为93.17％和82.34％。因此，浓缩预水解糖液经过络合萃取脱毒后，其乙醇发酵性能大大增加。
本方法也可用于其他木质纤维原料用稀硫酸预处理或蒸汽爆破预处理、稀酸蒸汽爆破预处理方法获得的预水解糖液及其浓缩液的脱毒。

Claims (4)

1.一种木质纤维水解糖液脱毒方法，以稀硫酸预处理玉米秸秆的预水解糖液浓缩液为原料，其特征是用(10～50％三烷基胺)+(10～50％正辛醇)+(0～80％煤油)配制成的混合物作络合萃取剂，浓缩预水解糖液与络合剂之比为1∶0.5～4，在室温条件下进行络合萃取脱毒。
2.如权利要求1所述的木质纤维水解糖液脱毒方法，其特征是络合萃取剂的最佳配比为30％三烷基胺+50％正辛醇+20％煤油。
3.如权利要求1所述的木质纤维水解糖液脱毒方法，其特征是浓缩预水解糖液与络合剂之最佳比例为1∶2。
4.如权利要求1所述的木质纤维水解糖液脱毒方法，其特征是萃取平衡时间为不少于60min。
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