CN104593437A - 一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法 - Google Patents

一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104593437A
CN104593437A CN201410838277.1A CN201410838277A CN104593437A CN 104593437 A CN104593437 A CN 104593437A CN 201410838277 A CN201410838277 A CN 201410838277A CN 104593437 A CN104593437 A CN 104593437A
Authority
CN
China
Prior art keywords
removal methods
graphitized carbon
fermentation
methods according
acid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410838277.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104593437B (zh
Inventor
李志强
江泽慧
费本华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
International Center for Bamboo and Rattan
Original Assignee
International Center for Bamboo and Rattan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by International Center for Bamboo and Rattan filed Critical International Center for Bamboo and Rattan
Priority to CN201410838277.1A priority Critical patent/CN104593437B/zh
Publication of CN104593437A publication Critical patent/CN104593437A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104593437B publication Critical patent/CN104593437B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
    • C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Landscapes

  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

本发明涉及一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法，先将木质纤维水解液pH值调至2.0-6.0，离心，取上清液，以空气为洗脱剂，经石墨化碳洗脱，再经水系滤膜过滤，即可。本发明工艺简单、条件温和、脱除效果好，处理后的预水解液中发酵抑制物去除率达95％以上，并且糖类物质减少率控制在20％以内。脱除后的预水解液还可用于乙醇发酵，大大降低了木质纤维原料的组分流失，不会对环境造成污染。脱毒后的石墨化碳可回收且重复使用。因此本发明特别适合于工业化推广应用。

Description

一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法
技术领域
本发明属于木质纤维原料化学利用技术领域，具体涉及一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法。
背景技术
随着全球化石燃料的日趋紧张和环境污染日益严重，能源和环境危机已成为21世纪人类社会可持续发展的主要障碍。利用可再生生物质能作为化石燃料的替代品变得愈加迫切和重要。生物质燃料和生物基产品就是其中重要的研究方向之一。其中以生物质原料中的纤维素和半纤维素制取糖类，并进而制取一系列糖平台化合物(生物乙醇、丁醇等)是有效途径之一。
木质纤维原料中纤维素、半纤维素和木质素紧密交织结合在一起，使得糖化过程并不容易实现。因此在水解糖化之前，往往需要先进行预处理。而木质纤维原料预处理水解液中常含有纤维素和半纤维素的降解产物和一些中和形成的盐类，如糖类物质、甲酸、乙酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛(HMF)等。其中乙酸、糠醛等对酵母发酵具有较大的抑制作用；乙酸、甲酸等可以通过抑制酵母的呼吸来减弱酵母的发酵能力。因此，为减少环境污染，充分利用糖类物质，需对预水解液进行脱除发酵抑制物等脱毒研究，有利于脱毒后的预水解液中的糖类进行乙醇发酵生成乙醇。
常用的脱毒方法有物理法、化学法和生物法。主要有活性炭吸附、石灰中和、离子交换、真空浓缩汽提，有机溶剂萃取等，但是这些方法存在脱毒效果差、成本高、操作繁琐或在脱除发酵抑制物的同时糖分损失大等缺点。因此，木质纤维素乙醇工业急需一种脱毒效果好的脱毒方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种脱除发酵抑制物的方法，以解决目前木质纤维预处理液脱毒效果差的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法，先将木质纤维水解液pH值调至2.0-6.0，离心，取上清液，以空气为洗脱剂，经石墨化碳洗脱，再经水系滤膜过滤，即可。
本发明所述脱除方法对预水解液中发酵抑制物去除率高，糖类物质减少率低，脱除后的预水解液还可用于乙醇发酵。
本发明所述方法中，所述的木质纤维为竹材、木材、藤材、农作物秸秆中的一种或多种。
所述的预处理方法包括化学法预处理，物理法预处理，物理化学法预处理，以及生物法预处理。
所述的木质纤维素预水解液中甲酸、乙酸、乙酰丙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛的浓度之和为0.1-50g/L，优选25-30g/L。
所述的石墨化碳为粉状或颗粒状，优选粒径为80目-400目。
所述水系滤膜孔径为0.1-1.0微米。
所述石墨化碳用量为5ml洗脱柱中加入100-5000mg，优选500-1000mg。
所述洗脱工艺条件为：温度为25-40℃，pH值为2.0-6.0，流速为0.1-5mL/min，优选0.2-0.5ml/min，进一步优选0.2ml/min。
本发明中还提供一种石墨化碳再生方法，采用酸液与有机溶剂的混合液流经石墨化碳，再用水冲洗至中性，最后自然气干。
其中，所述再生条件为：温度为25-40℃，流速为0.1-10mL/min，优选1mL/min。
所述混合液中酸液质量分数为0.1％-6％。
所述酸液为盐酸、硝酸、硫酸或磷酸中的一种或多种；
所述有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙酮、乙腈、N’N-二甲基甲酰胺中的一种或多种。
作为本发明优选的实施方式，所述石墨化碳再生方法为：向预水解液脱除后的石墨化碳中加入10mL的3％硫酸乙醇溶液，调节流速1mL/min，可回收吸附到石墨化碳小柱中的发酵抑制物。洗脱后石墨化碳即可再生，仍可用于发酵抑制物的脱除。
所述的脱除发酵抑制物后预水解液的乙醇发酵为浓缩后单独乙醇发酵或加入到其他糖溶液中共同乙醇发酵。
作为本发明优选的实施方式，所述脱除发酵抑制物的预水解液的乙醇发酵方法如下：
1)向脱除发酵抑制物后的预水解液中加入无机盐；
所述无机盐配方(g/L)：蛋白胨，5.0；磷酸二氢钾，2.0；硫酸镁，1.0；氯化钙，0.25；
2)将混合液在120-125℃下灭菌处理20-25min；取出后，用0.6M的氢氧化钠或6％的硫酸调节pH值至5.5±0.1；
3)把活化好的酵母液按接种量为葡萄糖量的1-3％接种到水解液中，置于摇床中，控制温度为37-38℃、转速为150-180rpm，摇床发酵24小时。
采用本发明所述发酵方法，测定乙醇含量计算得葡萄糖转化为乙醇收率达92％以上。
本发明所述木质纤维预水解液脱毒方法工艺简单、条件温和、脱除效果好，处理后的预水解液中发酵抑制物去除率达95％以上，并且糖类物质减少率控制在20％以内。脱除后的预水解液还可用于乙醇发酵，大大降低了木质纤维原料的组分流失，不会对环境造成污染。脱毒后的石墨化碳可回收且重复使用。因此本发明特别适合于工业化推广应用。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1 竹材预水解液中发酵抑制物的脱除方法
将竹材采用化学法稀酸预处理，取所得水解液10mL，调节其pH值至5，置于离心管中，以12000转/分钟的转速离心分离10分钟，离心分离后取上清液1mL，加入到装有1000mg石墨化碳的5mL脱洗柱中，将脱洗柱安装到固相萃取装置中，以空气为洗脱剂，25℃，pH值为5，调节洗脱流速至0.2ml/min，接收洗脱液，并用孔径为0.1微米水系滤膜过滤后，取滤液用于分析。
其中，上清液中甲酸、乙酸、乙酰丙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛的浓度之和为26.2g/L。
所述石墨化碳为颗粒状，粒径为80目。
实施例2 木材预水解液中发酵抑制物的脱除方法
采用实施例1的方法对木材预水解液进行脱除，区别在于：洗脱流速至0.5ml/min；所述石墨化碳为粉末状，粒径为400目；水系滤膜孔径为1微米。
实施例3
采用实施例1的方法对玉米秸秆经稀酸预处理后的预水解液。区别在于：调节其pH值至6，用0.5微米的水系滤膜过滤。
实施例4
采用实施例1的方法对竹材预水解液进行脱除，区别在于：竹材经氢氧化钠预处理。
实施例5
采用实施例1的方法对竹材预水解液进行脱除，区别在于：竹材经蒸汽爆破预处理后的预水解液，石墨化碳用量为500mg。
实验例1
将实施例1-5处理所得的预水解液采用带有紫外可见检测器的高效液相色谱仪测定其中五种发酵抑制物，其中检测波长为210nm，发酵抑制物的脱除率如表1所示。
对照组1：采用实施例4所述方法脱毒，其中将石墨化碳替换为硅胶；
对照组2：采用实施例4所述方法脱毒，其中将石墨化碳替换为活性炭；
表1 发酵抑制物的脱除率
由表1可以看出，本发明实施例1-5对不同方法处理后的木质纤维预水解液中发酵抑制物均具有很好的脱除效果。其中，糠醛和5-羟甲基糠醛的脱除率可达到99％以上。特别是当流速0.2ml/min时，五种发酵抑制物的脱除率都在99.7％以上，其中甲酸、乙酰丙酸和5-羟甲基糠醛在脱除后的废液中未检测到，表明已完全脱除掉了上述三种物质。
实验例2 石墨化碳脱除发酵抑制物对糖份的影响
将竹材采用化学法稀酸预处理，取所得水解液10mL，调节其pH值至5，置于离心管中，以12000转/分钟的转速离心分离10分钟，离心分离后取上清液1ml，加入到1000mg石墨化碳的洗脱柱中，将小柱安装到固相萃取装置中，以空气为洗脱剂，25℃，调节洗脱流速至0.2ml/min，接收洗脱液，并用水系滤膜过滤后，取滤液用于分析。
滤液中的糖份包括阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖和甘露糖，采用带有电导安培检测器的离子色谱仪测定。Hamilton RCX-30-250/4.6糖及氨基酸分析柱。五种单糖的脱除结果如表2所示。
表2 石墨化碳脱除发酵抑制物时对单糖的影响
脱除率(％) 1次 5次
阿拉伯糖 0.00 12.59
半乳糖 0.00 15.64
葡萄糖 1.98 19.01
木糖 7.01 19.90
甘露糖 8.80 24.14
由表2可以看出，石墨化碳在脱除发酵抑制物的同时保留了大量单糖，由表1、2可知发酵抑制物脱除率多在97.8％以上，而单糖的一次脱除率均在9％以内。当第五次使用石墨化碳萃取小柱后，甘露糖脱除率24.14％。其他四种糖类经过5次脱除后，其脱除率均仍控制在20％以内。说明石墨化碳脱除具有选择性。
实施例2-5中石墨化碳对单糖的影响与实施例1基本一致。
实施例6 石墨化碳再生方法
向实施例1中水解液脱除后的石墨化碳萃取小柱中加入10mL的3％硫酸乙醇溶液，调节流速1mL/min，回收吸附到石墨化碳小柱中的发酵抑制物，再用水冲洗石墨化碳至中性，最后自然气干后得到再生的石墨化碳。经检测，再生后的石墨化碳中发酵抑制物质量浓度为0.5g/L。
实施例7 石墨化碳再生方法
本实施例与实施例6的区别仅在于加入到石墨化碳萃取小柱中的再生液为10mL的3％磷酸丙酮溶液。经检测，再生后的石墨化碳中发酵抑制物质量浓度为1.0g/L。
实验例3 石墨化碳再生后的脱除发酵抑制物的效果测试
将实施例6再生后的石墨化碳用于发酵抑制物的脱除。表3是再生后的石墨化碳的脱除发酵抑制物的能力。
表3 发酵抑制物的脱除效率(％)
实施例7再生后的石墨化碳脱除效率与实施例6基本一致。
实施例8 预水解液脱除发酵抑制物后的乙醇发酵
在实施例1脱除发酵抑制物后的预水解液中加入下列无机盐(g/L)：蛋白胨，5.0；磷酸二氢钾，2.0；硫酸镁，1.0；氯化钙，0.25。然后将溶液放入不锈钢蒸汽灭菌锅中，在121℃下灭菌处理20min。取出后，溶液用0.6M的氢氧化钠或6％的硫酸调节pH值为5.5±0.1。把活化好的酵母液接种到水解液中。酵母接种量为葡萄糖量的2％。溶液置于摇床中开始乙醇发酵，控制温度为37℃、转速为150rpm。发酵24小时后，取样测定乙醇含量，计算得葡萄糖转化为乙醇收率为92.8％。
实施例9 预水解液脱除发酵抑制物后的乙醇发酵
本实施例与实施例8的区别仅在于脱除发酵抑制物后的预水解液加入到底物酶水解液中，与酶水解液共同乙醇发酵。其乙醇收率为94.9％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法，其特征在于，先将木质纤维水解液pH值调至2.0-6.0，离心，取上清液，以空气为洗脱剂，经石墨化碳洗脱，再经水系滤膜过滤，即可。
2.根据权利要求1所述的脱除方法，其特征在于，所述石墨化碳用量为5ml洗脱柱中加入100-5000mg。
3.根据权利要求1所述的脱除方法，其特征在于，所述水系滤膜孔径为0.1-1.0微米。
4.根据权利要求1所述的脱除方法，其特征在于，所述洗脱工艺条件为：温度为25-40℃，pH值2.0-6.0，流速为0.1-5mL/min。
5.根据权利要求4所述的脱除方法，其特征在于，所述洗脱工艺条件：流速为0.2-0.5ml/min。
6.根据权利要求1所述的脱除方法，其特征在于，洗脱后石墨化碳流经酸液与有机溶剂的混合液进行再生处理，然后用水冲洗至中性，再自然气干。
7.根据权利要求6所述的脱除方法，其特征在于，所述再生条件为：温度为25-40℃，流速为0.1-10mL/min。
8.根据权利要求6所述的脱除方法，其特征在于，所述混合液中酸液质量分数为0.1％-6％。
9.根据权利要求6所述的脱除方法，其特征在于，所述酸液为盐酸、硝酸、硫酸或磷酸中的一种或多种；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙酮、乙腈、N’N-二甲基甲酰胺中的一种或多种。
10.权利要求1-9任一所述脱除得到的预水解液在乙醇发酵中的应用，其特征在于，所得预水解液可浓缩后单独乙醇发酵或加入到其他糖溶液中共同乙醇发酵。
CN201410838277.1A 2014-12-29 2014-12-29 一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法 Active CN104593437B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410838277.1A CN104593437B (zh) 2014-12-29 2014-12-29 一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410838277.1A CN104593437B (zh) 2014-12-29 2014-12-29 一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104593437A true CN104593437A (zh) 2015-05-06
CN104593437B CN104593437B (zh) 2017-11-14

Family

ID=53119490

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410838277.1A Active CN104593437B (zh) 2014-12-29 2014-12-29 一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104593437B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105350369A (zh) * 2015-12-08 2016-02-24 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 具有高效发酵能力的木质纤维素制浆预水解液的制备工艺
CN110029135A (zh) * 2019-03-27 2019-07-19 农业部沼气科学研究所 一种提高木质纤维素水解液发酵速率的方法
CN114317838A (zh) * 2022-03-11 2022-04-12 中国科学院过程工程研究所 一种木质纤维素水解液的脱毒方法和脱毒装置

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HYEON-BEOM SEO等: "Improved Bioethanol Production Using Activated Carbon-treated Acid Hydrolysate from Corn Hull in Pachysolen tannophilus", 《MYCOBIOLOGY》 *
吴琪等: "活性炭再生技术研究进展和发展趋势", 《中国环保产业》 *
朱玲玲等: "石墨化碳材料对苯蒸气吸脱附性能的研究", 《材料导报》 *
段钢等: "《酶制剂在大宗生化品生产中的应用》", 31 January 2014, 中国轻工业出版社 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105350369A (zh) * 2015-12-08 2016-02-24 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 具有高效发酵能力的木质纤维素制浆预水解液的制备工艺
CN105350369B (zh) * 2015-12-08 2017-06-06 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 具有高效发酵能力的木质纤维素制浆预水解液的制备工艺
CN110029135A (zh) * 2019-03-27 2019-07-19 农业部沼气科学研究所 一种提高木质纤维素水解液发酵速率的方法
CN114317838A (zh) * 2022-03-11 2022-04-12 中国科学院过程工程研究所 一种木质纤维素水解液的脱毒方法和脱毒装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN104593437B (zh) 2017-11-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2747823C (en) Improved method for the production of glucose from lignocellulosic feedstocks
Zhang et al. Simultaneous concentration and detoxification of lignocellulosic hydrolyzates by vacuum membrane distillation coupled with adsorption
CN103044570B (zh) 一种高效提取浒苔多糖的提取工艺
JP6704597B2 (ja) 界面活性剤を利用して改良したリグノセルロースの同時糖化発酵方法
JP5322150B2 (ja) セルロースを含むバイオマスの糖化方法
Luo et al. Separation of phenolic acids from monosaccharides by low-pressure nanofiltration integrated with laccase pre-treatments
US20090023187A1 (en) Method of obtaining a product sugar stream from cellulosic biomass
BRPI0509886B1 (pt) Método para o processamento de uma matéria-prima lignocelulósica e obtenção de um sal inorgânico
WO2015005589A1 (ko) 목질계 바이오매스로부터 당, 바이오에탄올 또는 미생물 대사산물을 제조하는 방법
CN103131802B (zh) 一种由木质纤维素生物质生产木糖的工艺
Lee et al. A feasibility study on the multistage process for the oxalic acid pretreatment of a lignocellulosic biomass using electrodialysis
Trinh et al. An integrated detoxification process with electrodialysis and adsorption from the hemicellulose hydrolysates of yellow poplars
CN104593437A (zh) 一种木质纤维预水解液中发酵抑制物的脱除方法
Nguyen et al. Optimization and modeling of diananofiltration process for the detoxification of ligno-cellulosic hydrolysates-Study at pre-industrial scale
Fakhrudin et al. Bioethanol production from seaweed Eucheuma cottonii by neutralization and detoxification of acidic catalyzed hydrolysate
Lee et al. Innovative methods to generate clean sugar stream from biomass feedstocks for efficient fermentation
Seong et al. Fermentation characteristics of acid hydrolysates by different neutralizing agents
Tian et al. Recycling cellulase from enzymatic hydrolyzate of laser-pretreated corn stover by UF membrane
CN103949223A (zh) 一种用于脱除发酵抑制物的吸附剂的制备方法
CN102719490B (zh) 一种木质纤维水解糖液的脱毒方法
CN104419733A (zh) 一种大型红藻生物质降解液的脱毒发酵方法
CN105524959A (zh) 促进木质纤维素酶催化水解的方法
JP5842757B2 (ja) バイオマスからのフルフラール類の製造方法
CN106188612B (zh) 一种木质纤维素水解液发酵过程表面活性剂回收技术
Lanka et al. Studies on different detoxification methods for the acid hydrolysate of lignocellulosic substrate Saccharum spontaneum

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant