一种木质纤维素同步糖化发酵过程表面活性剂回收技术的制作方法

本发明涉及生物质原料降解通过发酵工艺生产燃料乙醇领域，具体涉及一种木质纤维素同步糖化发酵过程表面活性剂回收技术。
背景技术：
：木质纤维素是世界上最为丰富的生物质资源，以木质纤维素为原料生产燃料乙醇不但能有效缓解能源危机、减轻环境污染，而且符合未来燃料乙醇大规模替代石油的可持续发展目标，具有重大的经济价值和社会意义。目前，木质纤维素同步糖化发酵工艺(Simultaneoussaccharificationandfermentation,SSCF)被广泛用于纤维素乙醇的生产。然而，木质纤维素生产燃料乙醇必须经过预处理，预处理过程的高温、高压等条件会使木质纤维素发生部分降解，释放各种有机酸类、呋喃类和酚类等化合物。这些化合物对酶解过程中纤维素酶的活性、酵母菌的生长和发酵都有明显的抑制作用，导致纤维素酶、酿酒酵母无法正常工作，成为纤维素乙醇生产的主要障碍。本实验室通过向木质纤维素原料同步糖化发酵过程中添加非离子表面活性剂进行原位脱毒，在乙醇发酵的同时对发酵菌株进行化学外保护，提高酵母细胞对发酵抑制剂的耐受性，从而提高纤维素乙醇发酵效率(CN201410668100.1)。但是在乙醇分离过程中，含非离子表面活性剂和发酵抑制剂的废水排放导致环境污染；而且表面活性剂是精细化学品，毒性抑制物也可通过化学转化制高值化学品，回收表面活性剂和发酵抑制剂不仅可以减少污染、还能够有效降低成本。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明提供一种木质纤维素同步糖化发酵过程表面 活性剂回收技术。本发明提出的一种木质纤维素同步糖化发酵过程表面活性剂回收技术，基本思路首先对发酵液进行固液分离；然后蒸馏上清液分离乙醇的同时实现表面活性剂与发酵抑制剂的富集；最后再通过有机溶剂萃取发酵抑制剂可实现表面活性剂、发酵抑制物的耦合分离回收。回收的表面活性剂、缓冲剂可直接用于下一次发酵过程，发酵抑制物被萃取收集可用于化学转化制高值化学品。一种木质纤维素同步糖化发酵过程表面活性剂回收技术，具体步骤为：以预处理的木质纤维素为原料，直接添加表面活性剂、纤维素酶、缓冲液，在高温条件下预酶解；然后降低温度接入酿酒酵母进行乙醇，发酵后固液分离，蒸留上清液富集表面活性剂、发酵抑制物、缓冲剂；再通过有机溶剂萃取实现发酵抑制物表面活性剂、缓冲剂与发酵抑制物的耦合分离回收。所述的发酵体系中：预处理的木质纤维素与缓冲液的固液比为0.1-0.3g/mL；所述水溶性表面活性剂的浓度为0-0.4g/mL；纤维素酶的添加量为10-30FPU/g原料；酿酒酵母的细胞浓度为：0.1*108-1.0*108个/mL；所述的预酶解温度为45-60℃，预酶解时间为2-48小时；同步糖化和乙醇发酵生产的温度为30-39℃；同步糖化和乙醇发酵时间为16-96小时，150～300rpm。所述对表面活性剂进行耦合分离回收，即对发酵液进行固液分离后蒸馏乙醇的过程中同时实现表面活性剂、发酵抑制物、缓冲剂的富集；再通过有机溶剂萃取发酵抑制物完成表面活性剂、缓冲剂与发酵抑制物的耦合分离回收。所述蒸馏温度为30-100℃，蒸馏压力为-0.01Mpa～-0.1Mpa，蒸馏时间为10 分钟-120分钟。所述的木质纤维素来自农业废弃物、林业废弃物、专门的能源作物或/和各种含纤维素的废弃物；所述农业废弃物为小麦秸秆、玉米秸秆或/和稻草；所述林业废弃物为伐木产生的枝叶、废弃木头或/和木屑；所述专门的能源作物为甜高粱或/和柳枝程；所述各种含纤维素的废弃物为城市固体垃圾、废纸或/和甘蔗渣。所述的所述表面活性剂为聚乙二醇、聚乙二醇单甲醚、聚乙二醇二甲醚、聚二甲基硅氧烷、吐温中的至少一种；优选为聚乙二醇。所述的表面活性剂聚乙二醇的分子量为200-8000；优选为200-2000。所述的有机溶剂为：苯、甲苯、乙醚、乙酸乙酯、正丁醚、石油醚、二甲基亚砜或甲基异丁基酮。所述缓冲液的pH为4.0～5.5，pH缓冲剂为：醋酸-醋酸钠、柠檬酸-柠檬酸钠、磷酸-磷酸钠、硫酸溶液。相对现有技术，本发明提出的一种木质纤维素同步糖化发酵过程表面活性剂回收方法具有如下优点：本发明在分离乙醇过程中是同步实现了表面活性剂、缓冲剂、酵母细胞的富集，未增加任何额外的能量消耗；然后对富集的表面活性剂通过萃取实现表面活性剂、缓冲剂、发酵抑制物的耦合分离回收。发酵抑制物可用于生产高值化学品，进一步提高木质纤维素原料的原子利用率。总而言之，纤维素生产过程中表面活性剂的回收技术进一步推动了纤维素乙醇工业化进程，具有广泛的应用前景。附图说明图1表面活性剂、酵母、缓冲剂耦合循环过程示意图。图2表面活性剂、酵母、缓冲剂耦合循环。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围不受实施例的限制，下述实施例和说明书中描述的内容只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。另外，值得说明的是，以下各实施例中发酵液中各组分物的含量测定采用高效液相色谱仪(Agilent1260)，依据底物的投料量计算其转化率、乙醇收率，依据发酵液中乙醇质量、活化水与pH液体积计算乙醇浓度。色谱条件为：离子交换柱，柱温为65℃，视差折光检测器，检测器为50℃；流动相：5MmH2SO4，流速0.6ml/min，进样量25uL。具体表面活性剂回收过程可见附图1。实施例如下所示。实施例1将预处理的速生杨粉末1.5g作为底物、0.2g/mlPEG-1000、12ml缓冲液、纤维素酶20FPU/g原料混合,在50℃预酶解24小时，然后将温度降到33℃，然后加入酿酒酵母保持细胞浓度为0.8*108/mL进行SSF发酵72小时。发酵后进行固液分离，对上清液进行蒸馏、萃取、蒸馏剩余液体即为表面活性剂、缓冲剂可直接用于下一次发酵过程(如图1)。PEG-1000循环4次结果如图2所示。从图中可以看出，PEG-1000可以回收再利用，乙醇浓度基本恒定。实施例2实验步骤和实施例1相同，不同点在于PEG-200，乙醇浓度见表1.从表中可以看出，PEG-200可以回收再利用。表1乙醇浓度数据PEG-200新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]17.018.2516.2015.08实施例3实验步骤和实施例1相同，不同点在于加入0.2g/mlPEG-400，乙醇浓度见表2.从表中可以看出，PEG-400可以回收再利用。表2乙醇浓度数据PEG-400新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]21.2020.3518.5119.68实施例4实验步骤和实施例1相同，不同点在于在50℃预酶解4小时，乙醇浓度见表3.从表中可以看出，PEG-1000可以回收再利用。表3乙醇浓度数据PEG-1000新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]14.0213.9015.8312.30实施例5实验步骤和实施例1相同，不同点在于在50℃预酶解48小时，乙醇浓度见表4.从表中可以看出，PEG-1000可以回收再利用。表4乙醇浓度数据PEG-1000新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]26.8025.8926.1224.88实施例6实验步骤和实施例1相同，不同点在于在45℃下预酶解，乙醇浓度见表5.从表中可以看出，PEG-1000可以回收再利用。表5乙醇浓度数据PEG-1000新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]15.0214.8013.8314.60实施例7实验步骤和实施例1相同，不同点在于在60℃下预酶解，乙醇浓度见表6.从表中可以看出，PEG-1000可以回收再利用。表6乙醇浓度数据PEG-1000新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]14.0213.5014.6313.82实施例8实验步骤和实施例1相同，不同点在于纤维素酶为30FPU/g木质纤维素，乙醇浓度见表7.从表中可以看出，PEG-1000可以回收再利用。表7乙醇浓度数据PEG-1000新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]28.3027.8926.1227.43实施例9实验步骤和实施例1相同，不同点在于纤维素酶为10FPU/g木质纤维素，乙醇浓度见表8.从表中可以看出，PEG-1000可以回收再利用。表8乙醇浓度数据PEG-1000新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]15.0214.8013.8314.38实施例10实验步骤和实施例1相同，不同点在于发酵时间为48小时，乙醇浓度见表9.从表中可以看出，PEG-1000可以回收再利用。表9乙醇浓度数据PEG-1000新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]11.0211.9010.8311.28实施例11实验步骤和实施例1相同，不同点在于发酵时间为96小时，乙醇浓度见表10.从表中可以看出，PEG-1000可以回收再利用。表10乙醇浓度数据PEG-1000新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]21.1220.5018.2219.78实施例12实验步骤和实施例1相同，不同点在于加入酿酒酵母保持细胞浓度为0.1*108/mL于发酵时间为96小时，乙醇浓度见表11.从表中可以看出，PEG-1000可以回收再利用。表11乙醇浓度数据PEG-200新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]10.029.909.8310.22实施例13实验步骤和实施例1相同，不同点在于加入酿酒酵母保持细胞浓度为1.0*108/mL于发酵时间为96小时，乙醇浓度见表12.从表中可以看出，PEG-1000可以回收再利用。表12乙醇浓度数据PEG-1000新鲜循环1循环2循环3乙醇浓度[g/l]20.1221.2819.2218.78实施例14-17实验步骤和实施例1相同，不同点在于不同浓的PEG-1000，乙醇浓度见表13.从表中可以看出，PEG-1000可以回收再利用。表13.乙醇浓度数据实施例PEG-1000[g/ml]新鲜循环1循环2循环3140.058.129.087.998.53150.1011.8812.2311.7912.02170.1520.1221.2819.2218.78实施例18-20实验步骤和实施例1相同，不同点在于加入不同的表面活性剂，乙醇浓度见表14.从表中可以看出，表面活性剂均可以回收再利用。表14乙醇浓度数据实施例表面活性剂新鲜循环1循环2循环318PEG-200020.1221.2819.2218.7819聚乙二醇单甲醚8.328.088.997.5320聚乙二醇二甲醚7.127.087.098.12当前第1页1 2 3