一种木质纤维素水解液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，具体涉及一种对木质纤维素水解液脱毒的表面活性剂回收方法。

背景技术：

随着化石能源的日益枯竭和环境污染的日益加剧，可再生清洁能源燃料乙醇的开发和利用受到了人们的广泛关注。传统的乙醇发酵以糖或淀粉为原料，二者都是食物的主要来源，以粮食为原料生产燃料乙醇已经对世界粮食安全构成了威胁，寻找其它原料替代粮食势在必行。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。

把木质纤维素转化为乙醇一般需要四个步骤:热-化学预处理、纤维素酶解、微生物发酵和蒸馏。预处理需要在苛刻的条件下完成，才能破坏高度聚合的木质素、纤维素和半纤维素的结构，使得接下来的纤维素酶水解成为可能。酸解或蒸汽爆破等热化学预处理过程的高温、高压等条件会使水解液中生成或释放有机酸类、呋喃类和酚类等发酵抑制物，这些化合物对酵母菌的正常生长和乙醇发酵过程产生强烈抑制作用,已经成为纤维素乙醇大规模生产的一个主要障碍。

因此，对预处理的木质纤维素水解液进行脱毒处理显得尤其重要。目前文献报道的脱毒方法主要包括水洗脱毒、物理脱毒(真空浓缩气提法、膜分离法)、化学脱毒(石灰中和、活性炭吸附、离子交换、溶剂萃取)、生物脱毒。例如文献Bioprocess Biosyst Eng(2013)36:659–666采用活性炭吸附法讨论了糠醛、 HMF、乙酰丙酸等发酵抑制剂对酵母细胞生长速度的影响；专利CA102226204B公开了一种木质纤维素乙醇发酵液的脱毒方法，通过在待处理糖液中添加可溶性电解质盐后加热得到恒温原料液通过膜组件进行膜蒸馏去除糖液中对后续发酵产生抑制作用的物质。可是，水洗、物理、化学脱毒等方式消耗大量水资源、设备投资成本高且工艺复杂，而且脱毒效果差、糖分损失严重。本实验室通过向木质纤维素水解液中添加非离子表面活性剂，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(CN 201410280800.3和CN 201410454864.0)。

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水解液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水解液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回收酵母细胞；然后在对液体进行蒸馏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。

为了实现本发明目的，为本发明的思想提供明确的支撑，本发明首先制备了一系列木质纤维素水解液模型物，然后添加酵母细胞、表面活性剂、调整pH后进行发酵。发酵后进行固液分离，分别回收不溶物和上清液，不溶物为酵母细胞可再利用；上清液进行含有表面活性剂、发酵抑制物、缓冲剂。对上清液进行蒸馏、萃取、再蒸馏，蒸馏剩余物主要为表面活性剂、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。

一种一种木质纤维素水解液发酵过程表面活性剂回收技术，按照以下步骤进行：酸解或蒸汽爆破等热化学预处理的木质纤维素水解液，不需脱毒处理，直接添加缓冲液调整pH值、添加表面活性剂、接入酿酒酵母乙醇发酵后对表面活性剂与发酵抑制物进行耦合分离回收。

所述的对表面活性剂与发酵抑制物进行耦合分离回收，首先对发酵液进行固液分离回收酵母细胞；然后在对液体进行蒸馏乙醇的同时实现表面活性剂、发酵抑制物、缓冲剂的富集；最后再通过有机溶剂萃取发酵抑制物实现表面活性剂、缓冲剂与发酵抑制物的耦合分离回收。

所述的表面活性剂的浓度为0～0.4g/mL水解液，所述的酿酒酵母的细胞浓度为：0.13*10⁸亿-1.4*10⁹个/m。

所述发酵温度为30-39℃，发酵时间为4～100h；缓冲液的pH为4.0～5.5；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。

所述的木质纤维素水解液含有葡萄糖、木糖等一种或多种可发酵糖，可发酵糖浓度为60-500g/L。

所述的木质纤维素水解液含有发酵抑制物，发酵抑制物浓度为0～6.0g/L； 所述发酵抑制物为苯酚、愈创木酚、香草醛、5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛、乙酰丙酸或乙酸的一种或多种。

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：

所述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水解液脱毒发酵过程表面活性剂回收方法如图1所示，该方法具有如下优点：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、缓冲剂一体化循环利用示意图。

图2酵母的循环再利用示意图。

图3表面活性剂和酵母的共同循环再利用示意图。

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(Agilent 1260)，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：5Mm H₂SO₄，流速0.6ml/min，进样量25uL。

实施例1

木质纤维素水解液模型物20mL,其中含葡萄糖浓度71g.L^-1、混合抑制物(苯酚、愈创木酚、香兰素、HMF、糠醛、乙酰丙酸混合物)(2.0g.L^-1)，加入0.2g.mL^-1PEG-400(对比例中未添加PEG)，加入酵母细胞浓度0.8*10⁸～0.96*10⁸个/mL，将pH值调为4.3，放入摇床中进行震荡，在33℃条件下发酵48小时。发酵后进行固液分离，回收的酵母细胞直接用于下次发酵。葡萄糖转化率、乙醇浓度分别如图2所示。从图中对比例数据可以看出，发酵体系未加入PEG时，葡萄糖几乎不转化，酵母细胞几乎完全死亡，不能回收再利用。而当发酵体系中加入PEG后，葡萄糖完全100％转化并获得32g.L^-1的乙醇；回收酵母用于下一次发酵过程，仍然可使90％的葡萄糖转化可获得25g.L^-1的乙醇；即使酵母细胞的第二次循环仍然可使40％的葡萄糖转化生产乙醇，这说明PEG的加入大大改善了酵母细胞对发酵抑制剂的耐受性。

实施例2

木质纤维素水解液模型物20mL,其中含葡萄糖浓度71g.L^-1、混合抑制物 (苯酚、愈创木酚、香兰素、HMF、糠醛、乙酰丙酸混合物)(2.0g.L^-1)，加入0.2g.mL^-1PEG-1000，加入酵母细胞浓度0.8*10⁸～0.96*10⁸个/mL，用硫酸溶液将pH值调为4.3，放入摇床中进行震荡，在33℃条件下发酵48小时。发酵后进行固液分离，上层液体进行蒸馏、萃取、再蒸馏，剩余液体即为表面活性剂、缓冲剂连同回收的酵母可直接用于下一次发酵过程(如图1)，添加部分新酵母。PEG-1000与回收的酵母共循环3次结果如图3所示。从图中可以看出，PEG-1000可以回收再利用，葡萄糖转化率及乙醇浓度基本维持不变。

实施例3

实验步骤和实施例2相同，不同点在加入0.2g.mL^-1PEG-200，葡萄糖转化率、乙醇收率及浓度数据见表1.从表中可以看出，PEG-200可以回收再利用，三次循环后葡萄糖完全转化，乙醇浓度基本维持不变。

表1 葡萄糖转化率、乙醇浓度数据

实施例4

木质纤维素水解液模型物20mL，其中含葡萄糖浓度70g.L^-1，苯酚、愈创木酚(2.0g.L^-1)，0.2g.mL^-1PEG-800，加入酵母细胞浓度0.8*10⁸～0.96*10⁸个/mL，用硫酸溶液将pH值调为4.3，放入摇床中进行震荡，在33℃条件下发酵48 小时。发酵后进行固液分离，上层液体进行蒸馏、萃取、再蒸馏，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。PEG-800回收共循环3次结果如表2所示。从表中可以看出，PEG-800可以回收再利用，葡萄糖转化率及乙醇浓度基本维持不变。

表2 葡萄糖转化率、乙醇浓度数据

实施例5

木质纤维素水解液模型物20mL,其中含葡萄糖浓度400g.L^-1、苯酚1.0g.L^-1，加入0.2g.mL^-1PEG-600，加入酵母细胞浓度5*10⁸个/mL，用硫酸溶液将pH值调为4.3，放入摇床中进行震荡，在33℃条件下发酵72小时。发酵后进行固液分离，上层液体进行蒸馏、萃取、再蒸馏，剩余液体即为表面活性剂、缓冲剂连同回收的酵母可直接用于下一次发酵过程(如图1)，添加部分新酵母。PEG-600与回收的酵母共循环3次结果如表3所示。从表中可以看出，PEG-600可以回收再利用，三次循环后葡萄糖完全转化，乙醇浓度基本维持不变。

表3 葡萄糖转化率、乙醇浓度数据

实施例6

实验步骤和实施例5相同，不同点在用醋酸-醋酸钠调整pH为4.3，葡萄糖转化率、乙醇收率及浓度数据见表4.从表中可以看出，PEG-600可以回收再利用，三次循环后葡萄糖完全转化，乙醇浓度基本维持不变。

表4 葡萄糖转化率、乙醇浓度数据

实施例7

实验步骤和实施例5相同，不同点为发酵温度为39℃，表面活性剂为PEG-2000,葡萄糖转化率、乙醇收率及浓度数据见表5.从表中可以看出，PEG-2000可以回收再利用，三次循环后葡萄糖完全转化，乙醇浓度基本维持不变。

表5 葡萄糖转化率、乙醇浓度数据

实施例8

实验步骤和实施例5相同，不同点为发酵温度为30℃，表面活性剂为PEG-1500,葡萄糖转化率、乙醇收率及浓度数据见表6.从表中可以看出，PEG-1500可以回收再利用，三次循环后葡萄糖完全转化，乙醇浓度基本维持不变。

表6 葡萄糖转化率、乙醇浓度数据

实施例9

实验步骤和实施例2相同，不同点在加入0.2g.mL^-1PEG-4000，葡萄糖转化率、乙醇收率及浓度数据见表7.从表中可以看出，PEG-4000可以回收再利用，三次循环后葡萄糖完全转化，乙醇浓度基本维持不变。

表7 葡萄糖转化率、乙醇浓度数据

实施例10

实验步骤和实施例2相同，不同点在加入0.2g.mL^-1PEG-6000，葡萄糖转化率、乙醇收率及浓度数据见表8.从表中可以看出，PEG-6000可以回收再利用，三次循环后葡萄糖完全转化，乙醇浓度基本维持不变。

表8 葡萄糖转化率、乙醇浓度数据

实施例11

实验步骤和实施例2相同，不同点在加入0.2g.mL^-1吐温-80，葡萄糖转化率、乙醇收率及浓度数据见表9.从表中可以看出，吐温-80可以回收再利用，三次循环后葡萄糖完全转化，乙醇浓度基本维持不变。

表9 葡萄糖转化率、乙醇浓度数据

实施例12

实验步骤和实施例2相同，不同点在加入0.2g.mL^-1聚乙二醇单甲醚，葡萄糖转化率、乙醇收率及浓度数据见表10.从表中可以看出，聚乙二醇单甲醚可以回收再利用，三次循环后葡萄糖完全转化，乙醇浓度基本维持不变。

表10 葡萄糖转化率、乙醇浓度数据

实施例13

实验步骤和实施例2相同，不同点在加入0.2g.mL^-1聚乙二醇二甲醚，葡萄糖转化率、乙醇收率及浓度数据见表11.从表中可以看出，聚乙二醇二甲醚可 以回收再利用，三次循环后葡萄糖完全转化，乙醇浓度基本维持不变。

表10 葡萄糖转化率、乙醇浓度数据