[發明專利]一種利用發酵檸檬酸廢水水解植物半纖維素的裝置和方法

有效

• 申請號: 201010110047.5
• 申請日: 2010-02-11
• 公開（公告）號: CN101787086A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發明（設計）人: 黃和;張紅漫;金強;趙晶;林增祥;陳敬文;鄭榮平
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: C08B37/14
• 分類號: C08B37/14;C12P19/14
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 樊文紅

技術領域

本發明涉及一種利用發酵檸檬酸廢水水解植物半纖維素的裝置和方法，以及由此衍生的下一步酶解植物纖維素得糖的工藝，屬于生物化學工程領域。

背景技術

工業發酵檸檬酸后產生的廢水的特點是濃度高、pH值較低。傳統的處理發酵檸檬酸廢水的方法一般采用厭氧、好氧法生物法或生物組合法等，但是這些方法不僅需要大型的塔和池等設備，而且處理后的廢水仍需排放，污染了環境并浪費了大量的水資源。

對于植物纖維素的預處理方法而言，稀酸水解是常見的預處理方法之一，與其它方法相比(如蒸汽爆破、堿處理等)，稀酸可以有效水解半纖維素，轉化80％～90％的半纖維素糖，并有利于下一步纖維素的酶水解糖化，且成本較低，因此稀酸水解預處理-酶解發酵工藝已成為纖維素乙醇中試生產中比較成熟的工藝之一，即利用該工藝處理纖維素得到的物料可以直接用于發酵生產乙醇。

對植物纖維素的酸水解通常采用無機酸，由于酸在水中形成的水合氫離子能打開糖苷鍵，水解半纖維素生成可發酵的單糖如木糖、阿拉伯糖等，同時破壞纖維素內部氫鍵，降低聚合度，并提高后續酶水解效率。然而傳統的無機酸如硫酸和鹽酸等，雖然可以將植物纖維素大部分轉化成糖，但同時產生大量的乙醇發酵抑制物如糠醛、羥甲基糠醛、甲酸、乙酰丙酸等，使得水解得到的糖液需要經過中和、脫毒等復雜工序，不僅加劇了糖的損失同時還增加了后續操作成本。而有機酸對還原糖的降解沒有催化效果，有機酸氫離子不完全電離，解離的氫離子使糖苷鍵斷裂，未離解的羧酸與糖環上的羥基相互作用，使半纖維素變得易于水解，而且水解產物降解少，剩余纖維素酶解效果好。然而有機酸比常用無機酸成本高，因此，需要尋找一種廉價易得的有機酸來替代無機酸水解植物纖維素。發酵檸檬酸的廢水中含有一定量的檸檬酸、草酸等有機酸，而它們都是一種多元有機酸，通常工廠需花費較高的成本來處理這些廢水，而利用它們來預處理纖維素原料制取乙醇用可發酵糖，不僅很好地處理了這些廢水，還節約了水資源，降低了纖維素原料預處理成本。

發明內容

本發明的技術目的是綜合利用發酵檸檬酸廢水，并提供一種能夠有效利用發酵檸檬酸廢水水解植物半纖維素的裝置和方法。主要解決的技術問題是綜合利用發酵檸檬酸廢水，并克服現有無機酸(如硫酸)水解的不足，提供一種成本低、工藝簡單的水解植物纖維素中的半纖維素的的生產工藝。

為了實現本發明的技術目的，本發明的技術方案為：

一、一種能夠有效利用發酵檸檬酸廢水水解植物半纖維素的裝置，其特征在于該裝置主要由循環噴淋沖濾反應器、儲酸罐、儲水罐、換熱器構成，其中循環噴淋沖濾反應器的頂部進口一方面通過泵分別與儲酸罐和儲水罐相連接，另一方面通過第一換熱器和壓力閥與循環噴淋沖濾反應器的底部出口循環聯通；循環噴淋沖濾反應器的底部出口還連接有第二換熱器。

其中，所述的循環噴淋沖濾反應器的上側面設有物料進口、下側面設有物料出口；其頂部進口下方連接有噴淋裝置、其底部出口上方設有篩板；反應器內部設有熱電偶，并與反應器外部的控溫儀連接。

二、一種利用本發明所述的裝置水解植物半纖維素的方法，包括以下步驟：

(1)發酵檸檬酸廢水的預處理：將經過自然沉降后的發酵檸檬酸的廢水溫度加熱至90℃～110℃蒸發濃縮；加入體積比0.1％～0.01％的濃硫酸并混合均勻、過濾后置于儲酸罐中待用；

(2)水解半纖維素：將植物纖維素風干粉碎后從物料進口添加并置于循環噴淋沖濾反應器的底部篩板之上，從儲酸罐中按照發酵檸檬酸廢水和植物纖維素的液固比10∶1～20∶1(w/v)注入發酵檸檬酸廢水；通過控溫儀控制熱電偶使反應器溫度100℃～200℃，同時控制第一換熱器保持同樣溫度，開始檸檬酸水解半纖維素的反應；反應過程中發酵檸檬酸廢水從噴淋裝置以噴淋的方式實現液體于植物纖維素固體的充分接觸，并流經篩板后通過反應器底部出口流出，再經壓力閥通過第一換熱器后回流至反應器頂部入口循環回噴淋裝置；循環水解反應10min～120min；

(3)收集水解液和物料：從反應器底部出口經第二換熱器冷卻后放出水解液，并從儲水罐中向反應器中通入水沖洗篩板上的固體物料除酸，得到總的半纖維素水解液；從物料出口處收集除去了半纖維素的固體物料。

本發明所述的步驟(2)中，所述的植物纖維素粉碎目數為10～40目；

本發明所述的步驟(2)中，所述的壓力閥控制發酵檸檬酸廢水循環的流速為5～15L/min；

本發明所述的步驟(3)中，所述的從儲水罐中放出的水量為使沖洗后水解液的pH值為4.8～5.2所需的水量；