CN103773904A

CN103773904A - 一种脱除木质纤维素酶解液抑制物的方法

Info

Publication number: CN103773904A
Application number: CN201210408332.4A
Authority: CN
Inventors: 唐开宇
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-10-24
Also published as: CN103773904B

Abstract

本发明公开了一种脱除木质纤维素酶解液的方法。木质纤维素酶解液以上流方式通过极性大孔树脂层析柱，然后投加亚硫酸盐进行进一步脱毒处理，用H₂O₂-臭氧-紫外法对饱和树脂上的抑制物进行化学氧化降解并用有机溶剂、水对树脂进行再生，再生后的吸附树脂循环使用。本发明方法对纤维素酶解液的脱毒效果好，葡萄糖和木糖损失率低；同时，吸附树脂先经氧化降解再洗涤再生，吸附性能得到了较好恢复，从而减少了树脂的再生次数，提高了树脂利用率。

Description

一种脱除木质纤维素酶解液抑制物的方法

技术领域

本发明属于生物化工领域，特别涉及一种利用极性大孔吸附树脂和亚硫酸盐法对酶解液进行脱毒的方法，主要用于玉米秸秆、麦杆、甜高梁杆等多种植物秸秆的酶解液脱毒或其预处理水解液的脱毒。

背景技术

预处理过程中由于糖类及木质素的降解，会释放一些微生物生长的抑制剂，有弱酸类抑制物（甲酸，乙酸，乙酰丙酸等），糠醛类抑制物（糠醛、5-羟甲基糠醛）以及酚类抑制物（香草醛，对苯二酚，4-羟基苯甲酸）等物质。这些抑制物尤其是酚类对随后的微生物发酵有明显的抑制作用，降低产物产率，因此发酵之前应进行必要的脱毒处理。目前使用的脱毒方法较多，有物理脱毒、化学脱毒、生物脱毒等方法，为了达到更好的脱毒效果，经常将几种脱毒方法混合使用。

物理方面包括旋转蒸发、溶剂萃取和吸附等。旋转蒸发可减少低沸点有机物，如乙酸、糠醛，但同时增加了非挥发性抑制物的浓度，导致发酵效率降低。溶剂萃取法存在溶剂回收困难的缺点，且成本较高。活性炭吸附在脱除抑制物的同时会除去一些可发酵糖，使发酵产物产量降低。

化学方法主要是通过化学反应通过化学沉淀或通过改变pH值和一些抑制物的电离特性。其中最常用的是使用过量的固体Ca(OH)₂预处理酸解液，该方法的缺点是由于钙离子的沉淀，易对后续的蒸馏等步骤不利，而且过量碱会使糖类成分遭到破坏。

生物方法是指用一些特定的酶或微生物作用于发酵抑制物，通过改变抑制物的结构而降低其毒性。但酶的费用较高，而微生物需要培养，且会消耗水解液中糖类。

CN1415763公开了一种在现有脱毒方法中增加使用大孔树脂脱除木质纤维水解物中抑制物的方法。该方法为将水解液用石灰乳中和，然后将水解液流经大孔树脂柱，或用与大孔树脂浸泡搅拌30-60分钟，处理后抑制物减少。

CN102191340A公开了一种应用渗透汽化技术对木质纤维素预水解液中毒性抑制物进行脱除/回收、糖分进行浓缩的方法。该方法将水解液pH值调至2.0～5.0，过滤，然后用渗透汽化膜进行抑制物脱除/回收，葡萄糖、木糖等糖分被渗透汽化膜截留，弱酸性抑制物(甲酸、乙酸、乙酰丙酸)、糠醛类抑制物(糠醛、5-羟甲基糠醛)则不断透过渗透汽化膜。

发明内容

本发明提供了一种利用极性大孔吸附树脂和亚硫酸盐法对酶解液进行脱毒，用化学氧化法对吸附的抑制物进行降解，并用有机溶剂和水对树脂进行再生的酶解液脱毒方法。

本发明提供了的一种脱除木质纤维素酶解液抑制物的方法，包括以下内容：

（1）在温度10～30℃，pH值4～10时，将酶解液以一定流速通过吸附塔，吸附塔内装填有极性大孔吸附树脂；

（2）往步骤（1）所得吸附后的酶解液中加入亚硫酸盐，调节pH值为4～8；

（3）从吸附塔内排出吸附饱和的吸附树脂，将其输送至降解塔，通入含有H₂O₂的水溶液，在紫外臭氧灯的作用下，对饱和树脂上的抑制物进行降解反应；

（4）用含有机溶剂的水通过降解后的吸附树脂床层，对树脂进行再生，最后用水清洗树脂，得到再生后的吸附树脂；

（5）将（3）步骤得到再生后的吸附树脂，循环回吸附塔，继续通入酶解液进行吸附。

根据本发明的酶解液脱毒方法，其中步骤（1）中所述的酶解液为木质纤维素酶解液，其为含糖及多种有机物的溶液。一种典型的纤维素酶解液的制备方法为，将纤维素或者秸秆蒸爆物料用NaOH调节pH值为3～10，加入纤维素酶，在40～70℃水解24～168h，经离心即得到酶解液。

步骤（1）所述的吸附塔内装填有大孔极性树脂。所述的大孔极性吸附树脂为有立体结构的大孔高分子吸附树脂，应具有良好的大孔网状结构和较大的比表面积，可以通过物理吸附从水溶液中有选择地吸附有机物。可选择的大孔极性吸附树脂包括NKA-Ⅱ、 NKA-9、S-8、AB-8(天津南开大学化工厂)、Amberlite XAD-9、Amberlite XAD-10、Amberlite XAD 7HP、Amberlite XAD 761 (美国Rohm-Haas公司)等树脂。

酶解液通过吸附塔的体积空速（即酶解液流量/吸附树脂装填体积）一般可以为0.1～10 h^-1，优选0.5～4 h^-1。通常控制吸附塔流出液中吸光度小于 0.05～0.6。

步骤（2）中，步骤（1）排出的吸附液中继续投加亚硫酸盐，控制溶液pH值4～8。

本发明特别在步骤（3）中增加了一步饱和吸附树脂上抑制物的降解过程。所述的步骤（3）中，H₂O₂的加入量为1~10 mg/L，臭氧的通入量为5~100 mg/L。臭氧和紫外光联用使H₂O₂产生大量的羟基自由基，诱发后面的链反应，使糠醛、酚类等抑制物降解为二氧化碳、水等。步骤（3）中将饱和树脂输送到降解塔采用水流输送的方式。

步骤（4）中，经过步骤（3）中的降解处理后，再用含有机溶剂的水（溶液）对树脂进行洗涤即得到再生后的吸附树脂。有机溶剂一般选自乙醇、丙酮、甲醇和异丙醇等中的一种或几种。含有有机溶剂的水的空速一般为0.6~2 h^-1，水洗的空速一般为0.6~2 h^-1。

步骤（5）将（3）步骤得到再生后的吸附树脂，用水流送入吸附塔，继续通入酶解液进行吸附。

与现有技术中的纤维素水解液脱毒方法相比，本发明方法具有以下效果：

（1）与现有技术中的酶解液脱毒方法相比较，本方法使用极性大孔吸附树脂，对纤维素酶解液或水解液中的抑制物进行吸附脱除，对吸附后的酶解液，再加入亚硫酸盐进行处理。处理后所得酶解液的酚类脱除率高，同时其他杂质也能够得到很高的脱除率。本发明的方法具有较高的选择性，处理过程的葡萄糖和木糖的损失率很低，一般均在10%以下。

（2）现有技术中，吸附饱和后的树脂用通常直接含稀碱的有机溶剂或有机溶剂（丙酮、甲醇、乙醇、苯等）做脱附剂将吸附的物质脱附，并用水洗至中性，树脂吸附性能下降较大时反复用大体积的稀酸、稀碱溶液交替强化洗脱后，水洗至PH值中性即可使用。再生后树脂的吸附能力一般能恢复至新鲜树脂的85%左右。而本发明方法中，对吸附饱和后的树脂，首先对抑制物进行化学降解，然后再用溶剂和水进行洗涤，可以减少树脂再生所需的试剂，而且还有利于后续树脂的再生。经过处理后，大孔极性树脂的吸附能力能够得到最大程度的恢复，经过本发明方法处理后，其吸附能力通常能够恢复至新鲜树脂的90%以上，而且可使用或再生次数也得到了增加。即本发明方法能够节省树脂的用量。因为用H₂O₂-臭氧-紫外法，臭氧和紫外光联用使H₂O₂产生大量的羟基自由基，诱发后面的链反应，使糠醛，酚类等抑制物降解为二氧化碳，水等，即相当于使用含有稀碱的有机溶剂的脱附过程，而且这种羟基自由基的反应速度快，降解彻底，能有效去除吸附的抑制物，比常规脱附法的效果更好。而且可以减少树脂再生所需的试剂，减少反复冲洗浸泡次数，可以减少树脂的破碎损耗。

（3）用H₂O₂-臭氧-紫外法对已饱和树脂上的糠醛，5-羟甲基糠醛，酚类进行降解，降解速度快，且产物为CO₂和H₂O及其它无害产物。既对抑制物进行化学氧化法降解，并使抑制物从树脂上脱除，也避免了酚类等造成二次污染问题。

（4）酶解液经大孔吸附树脂处理后，投加亚硫酸盐进行处理，可以进一步去除糠醛类及酸类抑制物。

附图说明

图1为本发明方法的示意流程图。

其中：1-酶解液罐，2-吸附塔，3-降解塔，4-再生塔，5-紫外灯，6-酶解液解入罐。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的方法做更详细的描述。

结合图1所示，本发明的脱除木质纤维素酶解液抑制物的方法如下：酶解液自酶解液罐 1中流出，以一定流速自下而上通过吸附塔2，吸附塔内2装填有极性大孔吸附树脂；经吸附后酶解液进入酶解液接入罐6，往酶解液接入罐6中加入亚硝酸钠，经过处理后得到脱除了抑制物的酶解液。当极性树脂吸附饱和后，从吸附塔2内排出饱和吸附树脂，用水输送至降解塔3，通入含有H₂O₂的水溶液，在紫外灯5的作用下，对饱和树脂上的抑制物进行降解反应。降解后的树脂输送到再生塔4，先用含有溶剂的水进行洗涤，再用水进行洗涤得到再生后树脂。再生后的树脂用水输送到吸附塔2中，循环利用。本发明方法中，所述的吸附、降解、再生以及树脂循环的过程可以为间歇操作，也可以为连续操作。

实施例1

蒸爆物料用NaOH调pH值5，加入山东泽生纤维素酶，50℃水解120h，离心得酶解液。

（1）将酶解液在流速3.5mL/min，pH值为5，温度20℃时，以上流方式进入到φ30*500mm的吸附层析柱，树脂为NKA-Ⅱ（购自南开大学化工厂），NKA-Ⅱ树脂装填高度300mm，用紫外分光光度计检测流出酶解液的吸光度，当吸光度小于0.2时，停止进酶解液。经实验检测新鲜NKA-Ⅱ树脂的吸附容量为140mg/g(以苯酚为基准物)。

（2）在层析柱上方排酶解液，并返回至酶解液罐，排液同时树脂层下降，由柱底排出部分已饱和的树脂，同时从上部加入等量已再生好的树脂，并继续以流速3.5mL/min，pH值为5，温度20℃，以上流方式进入到吸附层析柱进行抑制物吸附。

（3）当吸附塔流出液中吸光度小于0.2时，即已饱和吸附的树脂用水流输送至降解塔，通入H₂O₂，H₂O₂通入量为5mg/L，点亮紫外灯，紫外灯功率为30W，主波长为253.7nm，通入臭氧，臭氧通入量为30mg/L，处理时间为120min，使已饱和的树脂上的抑制物降解。

（4）抑制物降解后，用水流将树脂输送至再生-水洗塔，用200mL5%的乙醇，流速2mL/min，以上流方式对树脂进行再生，最后用水清洗树脂。再生后树脂的吸附容量为129mg/g(以苯酚为基准物)。

（5）将再生后的树脂用水流输送回吸附塔。

（6）从吸附塔流出的酶解液流入酶解液接入罐，然后投加5g/L的亚硫酸钠，使pH值为5.5。

（7）检测酶解液中的葡萄糖，木糖，5-羟甲基糠醛，糠醛，乙酰丙酸，甲酸，乙酸，总酚含量，脱毒后(葡萄糖+木糖)为原液的95%，5-羟甲基糠醛去除率为76%，糠醛去除率为80%，乙酰丙酸去除率为92%，甲酸去除率为96%，乙酸去除率为93%，总酚去除率为78%。

实施例2

（1）将酶解液在流速5.0mL/min ，pH值5，温度20℃时，以上流方式进入到φ30*500mm的吸附层析柱，树脂为NKA-Ⅱ（购自南开大学化工厂），NKA-Ⅱ树脂装填高度300mm，用紫外分光光度计检测流出酶解液的吸光度，当吸光度小于0.2时，停止进酶解液。经实验检测NKA-Ⅱ树脂的吸附容量为140mg/g(以苯酚为基准物)。

（2）在层析柱上方排酶解液，并返回至酶解液罐，排液同时树脂层下降，由柱底排出部分已饱和的树脂，同时从上部加入等量已再生好的树脂，并继续以流速5.0mL/min，pH值5，温度20℃，以上流方式进入到吸附层析柱进行抑制物吸附。

（3）当吸附塔流出液中吸光度小于0.2时，将已饱和的树脂用水流输送至降解塔，通入H₂O₂，H₂O₂通入量为5mg/L，点亮紫外灯，紫外灯功率为30W，主波长为253.7nm，通入臭氧，臭氧通入量为30mg/L，处理时间为120min，使已饱和的树脂上的抑制物降解。

（4）抑制物降解后，用水流将树脂输送至再生-水洗塔，用200mL 5%的乙醇，流速3mL/min，以上流方式对树脂进行再生，最后用水清洗树脂。再生后树脂的吸附容量为132mg/g(以苯酚为基准物)。

（5）将再生后的树脂用水流输送回吸附塔。

（7）检测酶解液中的葡萄糖，木糖，5-羟甲基糠醛，糠醛，乙酰丙酸，甲酸，乙酸，总酚含量，脱毒后(葡萄糖+木糖)为原液的95%，5-羟甲基糠醛去除率为72%，糠醛去除率为75%，乙酰丙酸去除率为88%，甲酸去除率为94%，乙酸去除率为90%，总酚去除率为74%。

实施例3

（1）将酶解液在流速7mL/min，pH值5，温度20℃时，以上流方式进入到φ30*500mm的吸附层析柱，树脂为NKA-Ⅱ（购自南开大学化工厂），NKA-Ⅱ树脂装填高度300mm，用紫外分光光度计检测流出酶解液的吸光度，当吸光度小于0.2时，停止进酶解液。经实验检测新鲜NKA-Ⅱ树脂的吸附容量为140mg/g (以苯酚为基准物)。

（2）在层析柱上方排酶解液，并返回至酶解液罐，排液同时树脂层下降，由柱底排出部分已饱和的树脂，同时从上部加入等量已再生好的树脂，并继续以流速7mL/min，pH值5，温度20℃，以上流方式进入到吸附层析柱进行抑制物吸附。

（3）当吸附塔流出液中吸光度小于0.2时，即已饱和的树脂用水流输送至降解塔，通入H₂O₂，H₂O₂通入量为5mg/L，点亮紫外灯，紫外灯功率为30W，主波长为253.7nm，通入臭氧，臭氧通入量为30mg/L，处理时间为120min，使已饱和的树脂上的抑制物降解。

（4）抑制物降解后，用水流将树脂输送至再生-水洗塔，用200mL5%的乙醇，流速4mL/min，以上流方式对树脂进行再生，最后用水清洗树脂。再生后树脂的吸附容量为128mg/g(以苯酚为基准物)。

（5）将再生后的树脂用水流输送回吸附塔。

（7）检测酶解液中的葡萄糖，木糖，5-羟甲基糠醛，糠醛，乙酰丙酸，甲酸，乙酸，总酚含量，脱毒后葡萄糖+木糖为原液的96%，5-羟甲基糠醛去除率为70%，糠醛去除率为71%，乙酰丙酸去除率为85%，甲酸去除率为92%，乙酸去除率为89%，总酚去除率为72%。

比较例1

（1）将酶解液在流速5.0mL/min，pH值5，温度20℃时，以上流方式进入到φ30*500mm的吸附层析柱，树脂为NKA-Ⅱ（购自南开大学化工厂），NKA-Ⅱ树脂装填高度300mm，用紫外分光光度计检测流出酶解液的吸光度，当吸光度小于0.2时，停止进酶解液。经实验检测新鲜NKA-Ⅱ树脂的吸附容量为140mg/g (以苯酚为基准物)。

（4）当吸附塔流出液中吸光度小于0.2时，将吸附饱和的树脂用800mL 70%的乙醇以3mL/min的速度进行解吸，然后用水冲洗至中性。再生后树脂的吸附容量为115mg/g(以苯酚为基准物)。

（5）将再生后的树脂输送回吸附塔。

（6）脱毒后葡(萄糖+木糖)为原液的94%，5-羟甲基糠醛去除率为28%，糠醛去除率为32%，乙酰丙酸去除率为80%，甲酸去除率为90%，乙酸去除率为85%，总酚去除率为67%。

比较例1中因为只采用极性大孔树脂进行脱毒，所以各种抑制物的去除率减少。吸附饱和的树脂需要较多的有机溶剂和大量水处理，在树脂污染严重时需要的更多的碱液，酸液和水，并且洗脱液需要回收处理，否则会对环境造成污染。

Claims

1.一种脱除木质纤维素酶解液抑制物的方法，包括以下步骤：

（4）用含有机溶剂的水溶液通过降解后的吸附树脂床层，对树脂进行再生，然后用水清洗树脂，得到再生后的吸附树脂；

（5）将步骤（4）得到再生后的吸附树脂，循环回吸附塔，继续通入酶解液进行吸附。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述的大孔极性吸附树脂为具有立体结构的大孔高分子吸附树脂。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的大孔极性吸附树脂选自NKA-Ⅱ、 NKA-9、S-8、AB-8、Amberlite XAD-9、Amberlite XAD-10、Amberlite XAD 7HP或Amberlite XAD 761树脂中的一种或几种。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）酶解液通过吸附塔的体积空速为0.1～10 h^-1。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中控制吸附塔流出液的吸光度小于 0.05～0.6。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤（3）中，含H₂O₂水溶液中H₂O₂的加入量为1~10 mg/L。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤（4）中，有机溶剂-水对通过吸附树脂床层的体积空速为0.6~2 h^-1，所述水洗的空速为0.6~2 h^-1。

8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中臭氧的通入量为5~100 mg/L。

9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的有机溶剂选自乙醇、丙酮、甲醇和异丙醇中的一种或几种。

10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的木质纤维素酶解液的制备方法为，将纤维素或者秸秆蒸爆物料用NaOH调节pH值为3～10，加入纤维素酶，在40～70℃水解24～168h，经离心即得到酶解液。