一种脱除稀酸蒸爆木质纤维素物料中抑制物的方法.pdf

本发明提供了一种脱除稀酸蒸爆木质纤维素物料中抑制物的方法，包括：（1）将稀酸蒸爆木质纤维素物料与水的混合料液置于气升式反应器中，加入H2O2，启动反应器进行超声波处理；（2）步骤（1）的混合料液过滤脱水，加入石灰乳调节pH值为7-10，启动气升式反应器处理；（3）将步骤（2）的混合料液过滤脱水，重复步骤（1）的处理过程；（4）将步骤（3）的混合料液调节pH至5-7，过滤脱水获得脱毒后的物料进行酶解。该法采用超声波协同H2O2在气升式反应器中对稀酸蒸爆木质纤维素物料进行脱毒处理，脱毒效率较高，降低了抑制物对酶解和发酵的负面影响；同时本发明具有较高的选择性，处理过程还原糖的损失率低。

权利要求书
1.  一种脱除稀酸蒸爆木质纤维素物料中抑制物的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将稀酸蒸爆木质纤维素物料与水的混合料液置于气升式反应器中，加入H2O2，启动反应器进行超声波处理；
（2）步骤（1）的混合料液过滤脱水，加入石灰乳调节pH值为7-10，启动气升式反应器处理；
（3）将步骤（2）的混合料液过滤脱水，重复步骤（1）的处理过程；
（4）将步骤（3）的混合料液调节pH至5-7，过滤脱水获得脱毒后的物料进行酶解。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于：每个步骤的处理过程中维持气升式反应器中混合料液的液固质量比为10:1-2:1。

3.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于：混合料液的液固质量比6:1-3:1。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）按一定液固质量比混合后的料液中H2O2的加入量为0.1-2g/L。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于：气升式反应器中安装有超声波探头，超声波的作用频率为20-100kHz，时间为5-30min，温度为25-50℃。

6.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）的气升式反应器内筒的上下端设有金属丝网，将稀酸蒸爆木质纤维素物料置于内筒中，在外筒中加入活性炭，金属丝网可以阻止活性炭颗粒进入内筒。

7.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于：金属丝网的孔径根据活性炭颗粒的大小确定，只要能阻止活性炭颗粒进入内筒即可。

8.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于：按一定液固质量比混合后的料液中活性炭的加入量为0.3-5g/L。

9.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）调pH值后，启动气升式反应器处理5-30min。

10.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）按一定液固质量比混合后的料液中H2O2的加入量为0.1-1.5g/L。

说明书一种脱除稀酸蒸爆木质纤维素物料中抑制物的方法
技术领域
本发明属于生物化工领域，具体涉及一种利用超声波协同H2O2脱除稀酸蒸爆木质纤维素物料中抑制物的方法，主要用于玉米秸秆、麦杆、甜高梁杆等多种植物秸秆经稀酸蒸爆预处理后的脱毒。
背景技术
预处理过程中由于糖类及木质素的降解，会释放一些微生物生长的抑制剂，有弱酸类抑制物（甲酸，乙酸，乙酰丙酸等），糠醛类抑制物（糠醛、5-羟甲基糠醛）以及酚类抑制物（香草醛，对苯二酚，4-羟基苯甲酸）等物质。这些抑制物尤其是酚类对随后的酶解及微生物发酵有明显的抑制作用，降低产物产率，因此发酵之前应进行必要的脱毒处理。目前使用的脱毒方法较多，有物理脱毒、化学脱毒、生物脱毒等方法，为了达到更好的脱毒效果，经常将几种脱毒方法混合使用。
物理脱毒方法包括旋转蒸发、溶剂萃取和吸附等。旋转蒸发可减少低沸点有机物，如乙酸、糠醛，但同时增加了非挥发性抑制物的浓度，导致发酵效率降低。溶剂萃取法存在溶剂回收困难的缺点，且成本较高。活性炭吸附在脱除抑制物的同时会除去一些可发酵糖，使发酵产物产量降低。
化学脱毒方法主要是通过化学反应如通过化学沉淀或通过改变pH值和一些抑制物的电离特性。其中最常用的是使用过量的固体Ca(OH)2预处理酸解液，该方法的缺点是由于钙离子的沉淀，易对后续的蒸馏等步骤不利，而且过量碱会使糖类成分遭到破坏。
生物脱毒方法是指用一些特定的酶或微生物作用于发酵抑制物，通过改变抑制物的结构而降低其毒性。但酶的费用较高，而微生物需要培养，且会消耗水解液中糖类。
Cantarella M等（Comparison of different detoxification methods for steam-exploded poplar wood as a substrate for the bioproduction of ethanol in SHF and SSF,Process Biochemistry, 2004, 39(11):1533-1542）比较了三种对稀酸蒸爆白杨木材物料的脱毒方法，包括水冲洗，水-乙酸乙脂两级萃取，过量Ca(OH)2处理, 其中过量Ca(OH)2处理的效果最好，经脱毒后进行酶解，纤维素转化率88.4%，同步糖化发酵的乙醇浓度为24.6g/L。Palmqvist等（Simultaneous detoxification and enzyme production of hemicellulose hydrolysates obtained after steam-pretreatment, EnzymeMicrob Techno,1997, 20(4):286-293）将蒸汽爆破后的柳树木材原料用里氏木霉进行同步脱毒和纤维素酶生产，大部分的抑制物在里氏木霉发酵产纤维素酶的过程中被消耗掉，在后续乙醇发酵中乙醇产率大幅提高。
CN201210339024.0公开了一种超声波强化碱性过氧化氢预处理木质纤维素的方法，在碱处理木质纤维素的同时进行超声波的强化作用，间隔一段时间后加入过氧化氢进行强氧化作用；预处理结束后，将原料进行固液分离，其中的固体组分烘干后进行纤维素酶酶解和成分分析，液体组分用于回收半纤维素和木质素成分。CN201010209198.6公开了一种去除秸秆酶解液抑制丁醇发酵的可溶性木质素的方法，该方法包括用活性炭处理秸秆酶解液或用碱性双氧水处理秸秆，以去除秸秆产生的发酵抑制物。采用活性炭处理秸秆酶解液可以去除酶解液中的可溶性木质素，得到的酶解液补加氮源后可用于发酵丁醇；采用碱性双氧水处理秸秆可以去除秸秆中的木质素，减少酶解后可溶性木质素的产生。但是，上述方法只是用于去除其中的木质素成分，并未涉及其它抑制物的去除情况。并且，这些方法都需对预处理木质纤维素原料水解物或酶解物进行固液分离，然后对水解液或酶解液进行脱毒处理。
发明内容
本发明提供一种脱除稀酸蒸爆木质纤维素物料中抑制物的方法。该法采用超声波协同H2O2在气升式反应器中对稀酸蒸爆木质纤维素物料进行脱毒处理，脱毒效率较高，降低了抑制物对酶解和发酵的负面影响；同时本发明具有较高的选择性，处理过程还原糖的损失率低。
本发明脱除稀酸蒸爆木质纤维素物料中抑制物的方法，包括以下内容：
（1）将稀酸蒸爆木质纤维素物料与水的混合料液置于气升式反应器中，加入H2O2，启动反应器进行超声波处理；
（2）步骤（1）的混合料液过滤脱水，加入石灰乳调节pH值为7-10，启动气升式反应器处理；
（3）将步骤（2）的混合料液过滤脱水，重复步骤（1）的处理过程；
（4）将步骤（3）的混合料液调节pH至5-7，过滤脱水获得脱毒后的物料进行酶解。
本发明中，每个步骤的处理过程中维持气升式反应器中混合料液的液固质量比为10:1-2:1，优选为6:1-3:1。
本发明中，步骤（1）按一定液固质量比混合后的料液中H2O2的加入量为0.1-2g/L。气升式反应器中安装有超声波探头，超声波的作用频率为20-100kHz，时间为5-30min，温度为25-50℃。气升式反应器中的通气量以可以实现反应体系的充分返混即可。启动气升式反应器后，物料在超声波强化的H2O2条件下进行脱毒，能够联合超声波的空化作用和过氧化氢的强氧化作用，去除难降解的抑制物。
本发明中，步骤（1）的气升式反应器内筒的上下端设有金属丝网，将稀酸蒸爆木质纤维素物料置于内筒中，在外筒中加入活性炭，金属丝网可以阻止活性炭颗粒进入内筒。金属丝网的孔径根据活性炭颗粒的大小确定，只要能阻止活性炭颗粒进入内筒即可。按一定液固质量比混合后的料液中活性炭的加入量为0.3-5g/L。采用活性炭强化H2O2对稀酸蒸爆物料进行脱毒处理，活性炭能够激发H2O2产生更多的羟基自由基（·OH）协同超声波的空化作用进一步促进酚类、糠醛类和有机酸类等难降解抑制物的氧化降解；并且活性炭自身具有吸附性能，可以吸附一些难降解的抑制物，有助于抑制物的高效脱除。
本发明中，步骤（2）调pH值后，启动气升式反应器处理5-30min。
本发明中，步骤（3）按一定液固质量比混合后的料液中H2O2的加入量为0.1-1.5g/L。超声波的作用频率为20-100kHz，时间为5-30min，温度为25-50℃。
本发明中，将步骤（1）、（2）、（3）得到的滤液置于同一容器进行中和。
与现有脱毒方法相比，本发明具有以下效果：
1、首先在超声波强化酸性H2O2条件下对稀酸蒸爆物料进行作用，然后在超声波强化碱性H2O2条件下对物料进行二次作用，即分别在酸性条件和碱性条件下使用超声波强化H2O2对物料进行脱毒，可以高效降解掉酚类、糠醛类、有机酸类等抑制物。酸性条件下，有利于H2O2产生·OH；超声波降解发生在空化泡内或空化泡的气液界面处，酸性条件下，分子态的酚类抑制物等易进入气相区。因此，大部分酚类物质在pH较低时，被·OH氧化降解。碱性条件下，有利于H2O2产生·O·，一些显酸性的抑制物更适于在碱性条件下降解。因此，本发明方法能够联合超声波的空化作用和过氧化氢的强氧化作用，使难降解抑制物彻底氧化降解，特别是酚类物质等得到高效去除。
2、超声波氧化降解发生在空化泡内或空化泡的气液界面处，采用气升式反应器可以使气相更多地溶解进液相，有助于提高超声波处理效果；且能使物料的搅拌混合更加均匀，增强超声波协同H2O2氧化降解酚类，糠醛类等抑制物的可及度。
3、采用石灰乳对稀酸蒸爆物料进行处理，不需要过量的石灰乳一方面可以中和蒸爆物料中残存的无机酸和产生的部分有机酸，对物料进行一定程度的脱毒；同时将物料的pH调节为碱性，有助于碱性条件下超声波强化H2O2的脱毒，并且可以克服过量碱使糖类成分遭到破坏。
4、在常温常压下操作，作用时间短，条件温和易于控制，节约能耗和投资成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的方法做更详细的描述。
本发明脱除稀酸蒸爆木质纤维素物料中抑制物的方法如下：首先将稀酸蒸爆木质纤维素物料与水混合后置于气升式反应器中，并加入H2O2，启动气升式反应器，同时进行超声波作用。气升式反应器中安装有超声波探头，超声波的作用频率为20-100kHz，时间为5-30min，温度为25-50℃。气升式反应器中的通气量以可以实现反应体系的充分返混即可。处理后物料过滤脱水，加入石灰乳溶液调节pH值为7-10，启动气升式反应器处理5-30min。处理后物料过滤脱水，加入水和适量H2O2，启动气升式反应器，同时进行超声波作用。超声波的作用频率为20-100kHz，时间为5-30min，温度为25-50℃。然后将物料调节pH至5-7，过滤脱水获得脱毒的稀酸蒸爆木质纤维素物料进行酶解。
气升式反应器内筒的上下端设有金属丝网，将稀酸蒸爆木质纤维素物料置于内筒中，在外筒中加入活性炭，金属丝网可以阻止活性炭颗粒进入内筒。金属丝网的孔径根据活性炭颗粒的大小确定，只要能阻止活性炭颗粒进入内筒即可。
实施例1 
（1）将300g水与50g稀酸蒸爆玉米秸秆混合，置于气升式反应器中，加入0.2g H2O2 ，通入气体充分返混，启动超声波装置，在频率40kHz，温度30℃条件下处理20min。
（2）步骤（1）处理后过滤脱水，置于气升式反应器中，加入300g石灰乳溶液，使pH为10，通入气体充分返混，处理20min。
（3）步骤（2）处理后过滤脱水，得到的物料加入300g水，置于气升式反应器中，加入0.2gH2O2，通入气体充分返混，启动超声波装置，在频率60kHz，处理30min。
（4）步骤（2）处理后用硫酸调物料pH至5.5，过滤脱水得到脱毒的物料。
按照常规方式进行酶解，加入山东泽生纤维素酶，50℃水解120h， 离心得酶解液。检测酶解液中的葡萄糖，木糖，5-羟甲基糠醛，糠醛，乙酰丙酸，甲酸，乙酸，总酚含量，脱毒后(葡萄糖+木糖)为原液的94%，5-羟甲基糠醛去除率为73%，糠醛去除率为75%，乙酰丙酸去除率为89%，甲酸去除率为92%，乙酸去除率为90%，总酚去除率为74%。
实施例2
（1）将300g水与50g稀酸蒸爆玉米秸秆混合，置于气升式反应器的内筒中，气升式反应器的内筒上下端设有金属丝网，在气升式反应器的外筒加入1g柱状活性炭，加入0.2g H2O2 ，通入气体充分返混，启动超声波装置，在频率40kHz，在温度30℃条件下处理20min。
（2）步骤（1）处理后过滤脱水，置于气升式反应器中，加入300g石灰乳溶液，使pH为10，通入气体充分返混，处理20min。
（3）步骤（2）处理后过滤脱水，得到的物料加入300g水，置于气升式反应器中，加入0.2gH2O2，启动超声波装置，在频率60kHz，处理30min。
（4）步骤（2）处理后用硫酸调物料pH至5.5，过滤脱水得到脱毒的物料。
按照常规方式进行酶解，加入山东泽生纤维素酶，50℃水解120h， 离心得酶解液。检测酶解液中的葡萄糖，木糖，5-羟甲基糠醛，糠醛，乙酰丙酸，甲酸，乙酸，总酚含量，脱毒后(葡萄糖+木糖)为原液的95%，5-羟甲基糠醛去除率为76%，糠醛去除率为78%，乙酰丙酸去除率为91%，甲酸去除率为95%，乙酸去除率为92%，总酚去除率为80%。
实施例3
（1）将300g水与100g稀酸蒸爆玉米秸秆混合，置于气升式反应器的内筒中，气升式反应器的内筒上下端设有金属丝网，在气升式反应器的外筒加入1g柱状活性炭，加入0.4g H2O2 ，启动超声波装置，在频率60kHz，通入气体充分返混，在温度30℃条件下处理30min。
（2）步骤（1）处理后过滤脱水，置于气升式反应器中，加入300g石灰乳溶液，使pH为8，通入气体充分返混，处理30min。
（3）步骤（2）处理后过滤脱水，得到的物料加入300g水，置于气升式反应器内筒中，加入0.4gH2O2，启动超声波装置，在频率80kHz，处理30min。
（4）步骤（2）处理后用硫酸调物料pH至5.5，过滤脱水得到脱毒的物料。
按照常规方式进行酶解，加入山东泽生纤维素酶，50℃水解120h， 离心得酶解液。检测酶解液中的葡萄糖，木糖，5-羟甲基糠醛，糠醛，乙酰丙酸，甲酸，乙酸，总酚含量，脱毒后葡萄糖+木糖为原液的96%，5-羟甲基糠醛去除率为78%，糠醛去除率为82%，乙酰丙酸去除率为93%，甲酸去除率为96%，乙酸去除率为94%，总酚去除率为82%。
比较例1
将300g水与50g稀酸蒸爆玉米秸秆混合，置于普通反应器中，加入0.2g H2O2 ，启动超声波装置，在频率40kHz，搅拌实现返混，在温度30℃条件下处理40min。
按照常规方式进行酶解，加入山东泽生纤维素酶，50℃水解120h， 离心得酶解液。检测酶解液中的葡萄糖，木糖，5-羟甲基糠醛，糠醛，乙酰丙酸，甲酸，乙酸，总酚含量，脱毒后（葡萄糖+木糖)为原液的90%，5-羟甲基糠醛去除率为55%，糠醛去除率为63%，乙酰丙酸去除率为80%，甲酸去除率为90%，乙酸去除率为85%，总酚去除率为67%。
比较例2
将300g水与50g稀酸蒸爆玉米秸秆混合，置于气升式反应器中，，加入Ca(OH)2溶液调节体系的pH为10，启动超声波装置，在频率40kHz，通入气体充分返混，在温度30℃条件下处理40min。
按照常规方式进行酶解，加入山东泽生纤维素酶，50℃水解120h， 离心得酶解液。检测酶解液中的葡萄糖，木糖，5-羟甲基糠醛，糠醛，乙酰丙酸，甲酸，乙酸，总酚含量，脱毒后葡萄糖+木糖)为原液的88%，5-羟甲基糠醛去除率为28%，糠醛去除率为32%，乙酰丙酸去除率为82%，甲酸去除率为90%，乙酸去除率为86%，总酚去除率为50%。