[發明專利]一種脫除木質纖維素預水解液中抑制物的方法

有效

• 申請號: 201010119148.9
• 申請日: 2010-03-04
• 公開（公告）號: CN102191340A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 萬印華;伊守亮;齊本坤;蘇儀;陳向榮;沈飛
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: C13K1/04
• 分類號: C13K1/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

發明領域

本發明屬于化工領域，涉及一種木質纖維素預水解液中抑制物脫除/回收及糖分的精制的方法，尤其涉及應用滲透汽化技術對預水解液中毒性抑制物進行脫除/資源化回收，對木質纖維素預水解液中的糖分進行濃縮的方法。

背景技術

木質纖維素是自然界中來源廣泛、價格低廉的可再生資源，主要由纖維素、半纖維素和木質素等三種高分子物質構成，還含有少量的礦物質、植物油等其它成分。生物轉化木質纖維素中的糖類聚合物生產生物燃料或生物基化學品是木質纖維素綜合利用的一個有效途徑。但由于木質纖維素結構和成分都很復雜，必須對其進行預處理才能使酶將其水解為可發酵性糖，進而被微生物發酵產各種化學品。

木質纖維素預處理的方法有很多，常用的有四種：物理法、化學法、物理化學法和生物法。在用除物理法以外的其它預處理方法對木質纖維素進行預處理時，除了纖維素和半纖維素降解產生的各種發酵性戊糖和己糖外，還會形成各種發酵抑制物，主要包括弱酸類抑制物(如甲酸、乙酸和乙酰丙酸)、糠醛類抑制物(如糠醛和5-羥甲基糠醛)和酚類抑制物(如4-羥基苯甲酸、香草醛和鄰苯二酚)。這些抑制物特別是濃度高的弱酸性抑制物和糠醛類抑制物對隨后的酶水解和微生物發酵過程都有明顯的抑制作用，降低產物產率。由于纖維素水解產物中發酵抑制物的存在一直以來是阻礙纖維素水解發酵產生乙醇、有機酸及其他化學品的主要因素，因此必須采取方法將木質纖維素預水解液中的弱酸性抑制物和糠醛類抑制物脫除。目前，采取的抑制物脫除方法主要有物理脫毒、化學脫毒和生物脫毒等方法。

物理方法包括旋轉蒸發、溶劑萃取和吸附等。旋轉蒸發可降低發酵抑制物中的一部分低沸點有機物，如乙酸、糠醛和醛類物香草醛等在水解液中的濃度，以利于發酵。但許多研究發現，雖然旋轉蒸發可降低一部分易揮發，發酵抑制物的濃度，但同時又增加了來自于木質素和抽提物中的一些物質，從而導致發酵效率降低。溶劑萃取法能脫除大部分抑制物，常用的有機溶劑為醚、乙酸乙酯等易揮發的試劑，也有用碳酸氫鈉水溶液作萃取劑的，但存在有機溶劑回收困難的缺點。活性炭由于具有較強的吸附特性，常被用作酸水解液的脫毒，但活性炭對抑制物的吸附受抑制物性質、預水解液pH、預處理溫度、時間和活性炭濃度影響，并且脫除抑制物的程度有限。離子交換樹脂吸附對弱酸性抑制物的脫除效果顯著，但對糠醛類抑制的脫除效果有限，另外，此法在脫除抑制物質的同時還會除去大量的可發酵糖，導致發酵產物的產量大幅度降低。

化學方法主要是通過化學反應使預水解液中的抑制物形成沉淀或通過調pH值使抑制物的電離特性發生改變，從而達到降低毒性的目的。這種方法中以改變水解液pH從而降低發酵抑制物的毒性的方法在生產中應用最為廣泛，且效果較好，其中最常用的是過量Ca(OH)₂中和法。許多研究均表明，用過量的固體Ca(OH)₂處理過的水解液，其發酵能力明顯增強。該方法操作簡單、成本低廉且抑制物脫除效果明顯，但其缺點是由于鈣離子的沉淀，易對后續的蒸餾、旋轉蒸發等設備不利。

生物方法是指用一些特定的酶或微生物作用于發酵抑制物，使之結構發生改變，從而降低其毒性。由于酶催化具有特異性和專一性，如白腐菌主要降解乙酸、糠醛和芳香酸類化合物，而漆酶可氧化水解液中的酚類物質，故酶處理也只能脫除特定的某種抑制物。微生物預處理雖然能對預水解液中的抑制物具有一定的脫毒作用，但是微生物也能利用預水解液中的各種糖類。

滲透汽化(Pervaporation，簡稱PV)，又稱滲透蒸發，是一種以液體混合物中組分蒸氣分壓差為推動力，依靠各組分在膜中的溶解與擴散速率不同的性質來實現混合物分離的新型膜分離過程。滲透汽化膜分離技術用于液體混合物的分離，其突出的優點是能夠以低的能耗實現蒸餾、萃取、吸收等傳統方法難以完成的分離任務。有機物優先透過滲透汽化膜分離技術己經在很多方面展示了其明顯的技術上和經濟上的優勢，在揮發性有機化合物的分離濃縮、生物能源、廢水處理等方面顯示出廣闊的應用前景。因此，本發明提出應用滲透汽化技術對木質纖維素預水解液中進行抑制物的脫除和糖分的凈化、濃縮，不僅工藝簡單、操作方便、安全節能，而且過程中不引入其他試劑，產品和環境不會受到污染；另外，在脫除抑制物、濃縮糖分的同時，透過側也可以獲得較高濃度的抑制物組分，有利于木質纖維素預水解液的綜合利用，具有良好的工業化前景。

發明內容