CN103949223B - 一种用于脱除发酵抑制物的吸附剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于脱除发酵抑制物的吸附剂的制备方法。该方法将木质纤维素原料与稀酸溶液混合，升温至150～180℃，处理10～120min，固液分离后经粉碎得到木质纤维素底物；将木质纤维素底物和缓冲溶液混合后在35～60℃、纤维素酶的酶载量为10～50FPL/g葡聚糖的条件下酶解48～120h后分离得到酶解残渣；酶解残渣经水洗、干燥、粉碎、过筛后得到用于脱除发酵抑制物的吸附剂；结果显示制备的吸附剂对香兰素的单次吸附去除率可达95%，对糠醛的单次吸附去除率可达52%，对5‐羟甲基糠醛的单次吸附去除率可达35%。木质纤维素酶解残渣为生物炼制的废弃物，成本低廉，极大地降低了预处理液脱毒的成本。

Description

一种用于脱除发酵抑制物的吸附剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种吸附剂，特别是涉及一种用于脱除糠醛、5-羟甲基糠醛和香兰素等发酵抑制物的吸附剂的制备方法。
背景技术
随着石油能源的日益减少，石油价格的快速增长，人们迫切期望获得替代石油燃料的可再生能源。以木质纤维素等生物质为原料通过预处理、酶解和发酵制备乙醇、丁醇等燃料及化学品受到人们的关注。预处理破坏了木质纤维素原料对酶解的顽抗性，增加了木质纤维素底物与纤维素酶的可及性，降低了纤维素的结晶度，从而提供了木质纤维素底物的酶解效率(LeuSY,BioenergyResearch,2013,6(2):405-415)。但是预处理过程中，特别是酸性预处理过程中不但部分糖份溶解于预处理液中，而且还产生了糠醛、5-羟甲基糠醛以及香兰素等酚类物质，这些物质对后续的发酵过程有强烈的抑制作用(LJ,BiotechnologyforBiofuels,2013,6:16-25)。因此需要采用合适的方法去除预处理液中的糠醛、5-羟甲基糠醛和酚类抑制物才能使得预处理液用于酶解和发酵，从而提高产率和降低成本。
吸附(多孔树脂、活性炭)、化学处理(氢氧化钙、氢氧化钠碱处理)、蒸馏、萃取(醋酸乙酯、超临界CO2)、酶处理(漆酶、过氧化物酶)、微生物处理(Trichodermareesei)等方法都可用于去除预处理液中的发酵抑制物。蒸馏、萃取等物理方法和碱处理虽然适宜规模操作，但是会造成糖份损失和污染环境、且操作复杂、成本增加较多；酶处理和微生物处理虽然比较环保，但是比较耗时(BioenergyResearch,2013,6(1):388-401)。吸附脱除抑制物具有操作简单快速、容易实现的优点，采用多孔树脂和活性炭进行吸附可以有效去除糠醛和酚类抑制物。
程秀莲等(沈阳理工大学学报，2010，29(05)：77-81)使用多孔树脂吸附糠醛，多孔树脂的优点是对有机物选择性高，稳定性好，使用方便，再生后可重复使用。对糠醛的去除率高于羟甲基糠醛的去除率，在温度为25℃，固液比为10g/L时对0.4g/L糠醛溶液中糠醛的去除率达99％，对1.6g/L的糠醛溶液中糠醛的去除率为64％。ZhangK和AgrawalM等(Industrial&EngineeringChemistryResearch,2011,50(24):14055-14060)采用两种活性炭在25℃，固液比100g/L，吸附时间为10min的条件下吸附预水解液中的糠醛。对糠醛的吸附量可达200～250mg/g。但多孔树脂和活性炭的成本较高。LiuXin等(Industrial&EngineeringChemistryResearch,2011,50:11706–11711)探讨了用过氧化氢和硫酸氧化过的动物骨炭对糠醛的吸附效果，结果发现利用20％的H2O2在30℃下对骨炭氧化4h，最大吸附量由氧化前的80mg/g增加到100mg/g(固液比为1：20，以150rpm的震荡速度震荡24小时)。骨炭再生后对糠醛的吸附效果基本不变。多孔树脂、活性炭和骨炭在回收阶段的脱附过程中都需要加入乙醇等溶剂，所形成的糠醛乙醇水溶液因为浓度低导致精馏分离的能耗太大，再生成本偏高。
综上所述，吸附树脂、活性炭等对糠醛及羟甲基糠醛的去除效果好，但成本高，吸附糠醛和羟甲基糠醛后脱附工艺复杂，容易造成抑制物对环境的污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有吸附剂成本高、再生过程复杂、容易产生抑制物的二次污染等问题，提供一种原料来源丰富，用于脱除发酵抑制物的吸附剂的制备方法，所得的吸附剂对香兰素的单次吸附去除率可达95％，对糠醛的单次吸附去除率可达52％，对5-羟甲基糠醛的单次吸附去除率可达35％。
本发明以来源丰富、成本低廉、可再生的木质纤维素为原料，通过稀酸或者酸性亚硫酸盐法预处理后，再经过酶解、分离后，将酶解残渣洗涤、干燥、粉碎后作为吸附剂，用于吸附脱除糠醛、5-羟甲基糠醛和香兰素等发酵抑制物。经过羟甲基化改性后，吸附剂对发酵抑制物的吸附去除率更高。结果显示吸附剂对香兰素的单次吸附去除率可达95％，对糠醛的单次吸附去除率可达52％，对5-羟甲基糠醛的单次吸附去除率可达35％。木质纤维素酶解残渣是木质纤维素进行酶解和发酵后残留的废弃物，成分包括木质素、纤维素和半纤维素，目前主要用作燃料；将其处理后用于脱除预处理液中的发酵抑制物是“变废为宝”，且吸附抑制物后的残渣不需要脱附，可直接焚烧产生热量，不会形成抑制物二次污染的问题。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种用于脱除发酵抑制物的吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将木质纤维素原料与稀酸溶液按照固液比1克：(3～10)毫升混合，升温至150～180℃，处理10～120min，固液分离后经粉碎得到木质纤维素底物；所述的稀酸溶液为质量浓度0.1～5％的硫酸水溶液；
(2)将木质纤维素底物和pH为4.5～6.0的缓冲溶液混合后在35～60℃、固液比为1克：(4～50)毫升、摇床转速为100～300rpm、纤维素酶的酶载量为10～50FPL/g葡聚糖的条件下酶解48～120h后分离得到酶解残渣；所述的缓冲液为醋酸和醋酸钠溶液或者柠檬酸和柠檬酸钠的溶液；
(3)酶解残渣经水洗、干燥、粉碎、过筛后得到用于脱除发酵抑制物的吸附剂；所述发酵抑制物包括糠醛、5-羟甲基糠醛和香兰素。
步骤(1)所述的木质纤维素原料是木材、竹子、草、玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯中的一种或一种以上的混合物，优选木材和玉米秸秆；
步骤(1)所述的稀酸溶液是硫酸质量浓度为0.1～5％、亚硫酸氢钠质量浓度为0～5％的水溶液；
步骤(3)所述的过筛的筛网孔径为30～300目；
步骤(3)所述发酵抑制物包括糠醛、5-羟甲基糠醛和香兰素。
优选地，所述木质纤维素酶解残渣粉末是经过羟甲基化改性，所述羟甲基化改性方法是木质纤维素酶解残渣在碱性条件下与甲醛反应，甲醛用量为绝干酶解木质纤维素酶解残渣质量的5～20％，用氢氧化钠溶液调节混合溶液pH＝7～12，固液比为1克：(3～8)毫升，反应温度为70～90℃，反应时间1～4h，然后冷却、过滤、干燥、粉碎得到羟甲基化木质纤维素酶解残渣，用于脱除发酵抑制物的吸附剂。
本发明的有益效果：
本发明创造性地采用木材、秸秆等木质纤维素经过预处理、酶解或发酵后得到残渣作为吸附剂用于去除预处理液中的糠醛、5-羟甲基糠醛和香兰素等发酵抑制物。吸附剂的主要成份是木质素，利用木质素的苯丙烷疏水骨架和抑制物之间通过疏水作用和π-π相互作用达到吸附脱除的目的。本发明还通过羟甲基化改性，在木质素分子上引入更多羟基，利用其与糠醛、5-羟甲基糠醛、香兰素等发酵抑制物分子中的醛基之间的氢键加强对抑制物的吸附能力，显著提高其吸附去除能力。
相对于现有技术，本发明具有以下显著的有益效果：
(1)本发明以木质纤维素酶解残渣作为原料，与树脂、活性炭、酸解木质素等相比，不但原料来源丰富，而且成本低廉。吸附剂吸附抑制物后不需要脱附，可直接焚烧产生热量，不会形成抑制物二次污染的问题。
(2)本发明酶解木质素经羟甲基化改性后对糠醛、5-羟甲基糠醛的去除率可提高5～10％。
(3)本发明适用于不同木质纤维素原料、不同预处理工艺得到酶解残渣，适应面宽。其实施有助于预处理液的高效利用，提高后续糖和乙醇的产率，降低纤维素乙醇的成本。
具体实施方案
本发明用以下实例说明，但本发明并不限于下述实施案例，在不脱离前后宗旨的范围下，变化实施都包含在本发明的技术范围内。
实施例1
将杨木片通过稀酸预处理(稀酸溶液中硫酸的质量浓度为0.4％，折干木片与稀酸溶液的固液比为1g：3mL，预处理温度为170℃，预处理时间为30min)后经盘磨后得到底物，再经过酶解(离子强度为50mM、pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液，固液比为1g：10mL，摇床转速为200rpm，纤维素酶CTec2的用量为15FPU/g葡聚糖，在50℃下酶解72h)后分离得到酶解残渣，进行羟甲基化改性(甲醛质量为酶解残渣的20％，固液比1g：5mL，并用质量浓度为20％的氢氧化钠溶液调节混合溶液pH＝7.45，反应温度为90℃，反应时间3h)，然后用25℃的自来水按固液比1g：5mL清洗，105℃干燥2h后球磨粉碎，取200目～300目之间的筛份，用作脱除发酵抑制物的吸附剂。
按固液比300g/L将上述吸附剂加入到稀酸预处理液(糠醛浓度为1.65g/L，5-羟甲基糠醛浓度为2.60g/L，香兰素含量为0.55g/L)中，在25℃下以200r/min的速度振荡混合，吸附2h后，以10000rpm的转速离心10min，用高效液相色谱(日本岛津LP-20高效液相色谱系统，色谱柱为AgilentSB-C18，流动相为V甲醇:V水＝20:80，流速为0.8mL/min；紫外检测波长为280nm；柱温为40℃)测定吸附后预处理液中的发酵抑制物的浓度，根据吸附前后的浓度差计算得到糠醛的去除率为52％，5-羟甲基糠醛的去除率为35％，香兰素的去除率为95％；再次用吸附剂按照上述过程对离心后的预处理液进行吸附，得到糠醛的去除率为75％，5-羟甲基糠醛的去除率为56％，香兰素的去除率为99％。
实施例2
将松木片通过酸性亚硫酸盐法预处理(稀酸溶液中硫酸质量浓度为0.4％，亚硫酸氢钠质量浓度为1％，折干木片与稀酸溶液的固液比为1g：4mL，预处理温度为165℃，预处理时间为45min)后经盘磨后得到底物，经过酶解(离子强度为25mM、pH为5.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，固液比为1g：20mL，摇床转速为100rpm，纤维素酶CTec2的用量为10FPU/g葡聚糖，在45℃下酶解96h)后得到残渣，然后用50℃的自来水按固液比1g：3mL清洗，105℃干燥2h后球磨粉碎，取200目～300目之间的筛份用作吸附剂。
按固液比100g/L将上述吸附剂加入到酸性亚硫酸盐预处理液(糠醛浓度为1.20g/L，5-羟甲基糠醛浓度为1.95g/L，香兰素含量为0.30g/L，用质量浓度为10％NaOH溶液将pH调至6)中，在10℃下以200r/min的速度振荡混合，吸附2h后，以10000rpm的转速离心10min，用高效液相色谱(日本岛津LP-20高效液相色谱系统，色谱柱为AgilentSB-C18，流动相为V甲醇:V水＝20:80，流速为0.8mL/min；紫外检测波长为280nm；柱温为40℃)测定吸附后预处理液中的发酵抑制物的浓度，根据吸附前后的浓度差计算得到糠醛的去除率为23％，5-羟甲基糠醛的去除率为15％，香兰素的去除率为80％；再次用吸附剂按照上述过程重复对离心后的预处理液进行吸附5次，得到糠醛的去除率为90％，5-羟甲基糠醛的去除率为70％，香兰素的去除率为99％。
实施例3
将玉米秸秆用稀酸预处理(稀酸溶液中硫酸质量浓度为0.2％，折干玉米秸秆与稀酸溶液的固液比为1g：5mL，预处理温度为160℃，预处理时间为40min)后经机械粉碎得到底物，再经过酶解(离子强度为100mM、pH为5.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液，固液比为1g：50mL，摇床转速为250rpm，纤维素酶CTec2的用量为20FPU/g葡聚糖，在55℃下酶解120h)后分离得到酶解残渣，进行羟甲基化改性(甲醛质量为酶解残渣的15％，固液比1g：4mL，并用质量浓度为20％的氢氧化钠溶液调节混合溶液pH＝8.0，反应温度为80℃，反应时间4h)，然后用40℃的自来水按固液比1g：3mL清洗，105℃干燥2h后球磨粉碎，取100目～200目之间的筛份用作吸附剂。
按固液比100g/L将上述吸附剂加入到稀酸预处理液(糠醛浓度为1.65g/L，5-羟甲基糠醛浓度为2.60g/L，香兰素含量为0.55g/L，用质量浓度10％NaOH溶液将pH调至6)中，在10℃下以200r/min的速度振荡混合，吸附2h后，以10000rpm的转速离心10min，用高效液相色谱(日本岛津LP-20高效液相色谱系统，色谱柱为AgilentSB-C18，流动相为V甲 醇:V水＝20:80，流速为0.8mL/min；紫外检测波长为280nm；柱温为40℃)测定吸附后预处理液中的发酵抑制物的浓度，根据吸附前后的浓度差计算得到糠醛的去除率为26％，5-羟甲基糠醛的去除率为18％，香兰素的去除率为85％；再次用吸附剂按照上述过程重复对离心后的预处理液进行吸附5次，得到糠醛的去除率为98％，5-羟甲基糠醛的去除率为80％，香兰素的去除率为99％。

Claims (5)

1.一种用于脱除发酵抑制物的吸附剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将木质纤维素原料与稀酸溶液按照固液比1g：(3～10)mL混合，升温至150～180℃，处理10～120min，固液分离后经粉碎得到木质纤维素底物；所述的稀酸溶液为质量浓度0.1～5％的硫酸水溶液；
(2)将木质纤维素底物和pH为4.5～6.0的缓冲溶液混合后在35～60℃、固液比为1g：(4～50)mL、摇床转速为100～300rpm、纤维素酶的酶载量为10～50FPL/g葡聚糖的条件下酶解48～120h后分离得到酶解残渣；所述的缓冲液为醋酸和醋酸钠溶液或者柠檬酸和柠檬酸钠的溶液；
(3)酶解残渣经水洗、干燥、粉碎、过筛后得到用于脱除发酵抑制物的吸附剂；所述发酵抑制物包括糠醛、5‐羟甲基糠醛和香兰素。
所述酶解残渣经水洗前还包括羟甲基化改性，所述羟甲基化改性是木质纤维素酶解残渣在碱性条件下与甲醛反应，甲醛用量为绝干酶解木质纤维素酶解残渣质量的5～20％，用氢氧化钠溶液调节混合溶液pH＝7～12，固液比为1g：(3～8)mL，反应温度为70～90℃，反应时间1～4h。
2.根据权利要求1所述的用于脱除发酵抑制物的吸附剂的制备方法，其特征在于，所述的木质纤维素原料为木材、竹子、草、玉米秸秆、小麦秸秆和玉米芯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的用于脱除发酵抑制物的吸附剂的制备方法，其特征在于，所述的水洗是将酶解残渣用20～90℃的自来水按固液比为1g：(2～20)mL进行清洗。
4.根据权利要求1所述的用于脱除发酵抑制物的吸附剂的制备方法，其特征在于，所述的过筛的筛网孔径为30～300目。
5.根据权利要求1所述的用于脱除发酵抑制物的吸附剂的制备方法，其特征在于，所述的稀酸溶液还包括质量浓度为0～5％的亚硫酸氢钠。
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