專利名稱：一種稀酸法制備生物質(zhì)燃料工藝中糠醛的降解方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種稀酸法制備生物質(zhì)燃料工藝中糠醛的降解方法。
背景技術(shù)：
目前石油等化石資源的逐漸枯竭，利用可再生資源生產(chǎn)生物能源的研究越來越受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注。纖維素是地球上最豐富的可再生資源，具有價(jià)廉、可降解和減少生態(tài)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，因此用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)生物燃料替代石油燃料，對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù) 發(fā)展具有重要的意義。在以木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)生物燃料的研究開發(fā)領(lǐng)域中，木質(zhì)纖維素的稀酸水解被人為是最容易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的生產(chǎn)工藝，國內(nèi)外在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量和深入的研究。但到目前為止，國內(nèi)外在用稀酸水解木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料方面還存在著一些問題未能解決，其中一個(gè)重要問題是稀酸水解木質(zhì)纖維素時(shí)會(huì)產(chǎn)生糠醛及其衍生物，這些物質(zhì)會(huì)抑制微生物發(fā)酵產(chǎn)生生物燃料。木質(zhì)纖維素由纖維素、半纖維素與木質(zhì)素構(gòu)成，天然植物秸桿中半纖維素占14-30%的比例，半纖維素經(jīng)過酸水解工藝生成木糖為主的五碳糖。酸水解過程中水解溫度在100°C以上的高溫高壓狀態(tài)進(jìn)行，水解過程中部分五碳糖在酸催化下轉(zhuǎn)化成糠醛和糠醛的衍生物，酸水解液成分復(fù)雜，包括糠醛、羥甲級糠醛、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖等10余種成分，其中糠醛含量較低，一般占水解液的3-9%，因此回收成本較高、回收利用的價(jià)值較低。目前降解糠醛及其衍生物的方法很多，主要有漆酶處理降解糠醛類物質(zhì)、TiO2催化超聲降解糠醛、微電解-UASB組合工藝、微波氧化降解糠醛。這些工藝都存在成本高的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的稀酸法制備生物質(zhì)燃料工藝中糠醛的降解方法，可以避免含糠醛廢水的處理費(fèi)用，減少生物質(zhì)燃料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水，加速生物質(zhì)燃料工業(yè)化進(jìn)程。技術(shù)方案本發(fā)明所述稀酸法制備生物質(zhì)燃料工藝中糠醛的降解方法，包括如下步驟
(1)將植物纖維用稀酸進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)生的植物纖維、糠醛及其衍生物的混合物，用堿調(diào)節(jié)PH值，然后采用纖維素酶進(jìn)行酶解，產(chǎn)生可發(fā)酵的糖；
(2)將斜面培養(yǎng)的糠醛降解菌接入糠醛降解菌液體培養(yǎng)基中，培養(yǎng)、離心收集細(xì)胞沉淀，并對細(xì)胞進(jìn)行處理；所述糠醛降解菌液體培養(yǎng)基的成分為0. 15g酵母膏，I. 55 gK2HPO4, O. 85 g NaH2HPO4 · 2H20, 2. O g (NH4)2SO4, O. I g MgCl2 · 6H20, 10 mg EDTA, 2mg ZnS04 · 7H20，I mg CaCl2 · 2H20，5 mg FeSO4 · 7H20，0. 2 mg Na2MoO4 · 2H20，0. 2 mgCuSO4 · 5H20，0. 4 mg CoCl2 · 6H20，and I mg MnCl2 · 2H20，并且調(diào)節(jié) pH 為 5· 0 ;所述糠醛降解菌為貪銅菌；
(3)向步驟(I)的稀酸-纖維素酶酶解糖液中添加無機(jī)鹽和生長因子配制成液體培養(yǎng)基(成分同糠醛降解菌液體培養(yǎng)基)，將步驟(2)的得到的糠醛降解菌與釀酒酵母按照1:2-5的重量比，同時(shí)接種到所述的培養(yǎng)基中進(jìn)行混合發(fā)酵，在發(fā)酵制備生物質(zhì)燃料的同時(shí)降解糠醛。由于貪銅菌生長較慢，利用葡萄糖等生物質(zhì)降解糖的效率低，而釀酒酵母等能源微生物的生長較快，利用糖類能力強(qiáng)。因此，本發(fā)明采用貪銅菌與釀酒酵母等能源微生物進(jìn)行混菌發(fā)酵。一邊降解糠醛等抑制劑一邊高效發(fā)酵制備生物質(zhì)燃料。優(yōu)選的，步驟(I)中，pH值為4. 8-5. 0，此時(shí)纖維素酶的酶解效果最好。對離心收集的糠醛降解菌細(xì)胞可以是游離細(xì)胞也可以是固定化的細(xì)胞，步驟(2)中，細(xì)胞處理方式為用液體培養(yǎng)基進(jìn)行懸浮或者對細(xì)胞進(jìn)行固定化。雖然固定化和游離的細(xì)胞均可用于后續(xù)工藝，但是固定化的細(xì)胞在長時(shí)間處理效果好，主要是因?yàn)楣潭ɑ?xì)胞·比較穩(wěn)定，對于糠醛的毒害死亡較少，而且可以回收再利用，所以比較優(yōu)選的處理方式為對細(xì)胞進(jìn)行固定化。所述細(xì)胞固定化為采用海藻酸鈉和聚乙烯醇試劑對糠醛降解菌細(xì)胞進(jìn)行固定化。有益效果1、本發(fā)明方法采用微生物降解對生物質(zhì)燃料生產(chǎn)過程產(chǎn)生的糠醛進(jìn)行降解，微生物降解糠醛不會(huì)產(chǎn)生新的污染物，具有經(jīng)濟(jì)、簡捷，環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，適于大規(guī)模應(yīng)用；2、本發(fā)明方法針對稀酸處理產(chǎn)生糠醛類抑制劑的缺點(diǎn)，利用糠醛降解菌(貪銅菌)可以高效降解糠醛類衍生物，而較少利用木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)生的糖的優(yōu)勢，本發(fā)明采用貪銅菌與釀酒酵母等能源微生物進(jìn)行混菌發(fā)酵，一邊降解糠醛等抑制劑一邊發(fā)酵制備生物質(zhì)燃料。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。實(shí)施例I稀硫酸處理甘蔗渣制備生物乙醇過程除糠醛 步驟如下
(1)稀硫酸預(yù)處理甘蔗渣與酶解在121°c條件下，用O.5%稀硫酸進(jìn)行預(yù)處理100g/L的甘蔗渣3h，處理后物料中含有約5% (w/v)的糠醛及其衍生物，處理后用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至4. 8 (纖維素酶最佳酶解條件)，采用里氏木霉來源的纖維素酶進(jìn)行酶解48h產(chǎn)生可發(fā)酵的糖；
(2)糠醒降解菌(貪銅菌Cupriavidus如si細(xì)胞的準(zhǔn)備將斜面培養(yǎng)的貪銅菌Cupriavidus basilensis ACCC02582接入液體培養(yǎng)基中，培養(yǎng)36h, 5000r/min離心收集細(xì)胞沉淀。細(xì)胞固定化采用海藻酸鈉和聚乙烯醇試劑對貪銅菌細(xì)胞進(jìn)行固定化，稱量海藻酸鈉和聚乙烯醇加入IOOml蒸餾水，100°C水浴溶解，配成不同的混合載體，然后在各個(gè)載體中分別加入Ig濕貪銅菌細(xì)胞(菌體由活化培養(yǎng)基發(fā)酵36h后離心得到)，混勻；稱取3g的無水氯化鈣分別加入到IOOml的飽和硼酸溶液中，制備成交聯(lián)劑，再將混有貪銅菌細(xì)胞的載體用Iml注射器勻速滴入交聯(lián)劑中。(3)共發(fā)酵制備生物質(zhì)燃料在步驟(I)的稀酸-纖維素酶酶解液中添加無機(jī)鹽等成分配置成培養(yǎng)基，終濃度分別為O. 15g酵母膏，I. 55 g K2HPO4, O. 85 g NaH2HPO4 · 2H20,2. O g (NH4)2SO4, O. I g MgCl2 ·6Η20, 10 mg EDTA, 2 mg ZnS04 ·7Η20, I mg CaCl2 ·2Η20,
5mg FeSO4 ·7Η20, 0. 2 mg Na2MoO4 · 2H20, 0. 2 mg CuSO4 · 5H20, 0. 4 mg CoCl2 *6H20, andI mg MnCl2 · 2H20,并且調(diào)節(jié)pH為5. 0。將貪銅菌游離細(xì)胞或固定化細(xì)胞(0. 5%，v/v%)與釀酒酵母(2%，v/v%)同時(shí)接種在上述步驟得到的糖液中，進(jìn)行混合發(fā)酵。結(jié)果表明，經(jīng)過混合發(fā)酵48h，游離的貪銅菌細(xì)胞與釀酒酵母混合發(fā)酵液中糠醛降解率90. 5% ;固定化貪銅菌細(xì)胞與釀酒酵母混合發(fā)酵液中糠醛降解率99. 3%。實(shí)施例2稀硫酸處理玉米秸桿制備生物柴油過程除糠醛 步驟如下
(1)稀硫酸預(yù)處理秸桿與酶解在121°C條件下，用O.8%稀硫酸進(jìn)行預(yù)處理100g/L的 玉米秸桿2h，處理后物料中含有約8% (w/v)的糠醛及其衍生物，處理后用10% (w/v)的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至4. 8 (纖維素酶最佳酶解條件)，采用綠色木霉來源的纖維素酶進(jìn)行酶解48h產(chǎn)生可發(fā)酵的糖；
(2)糠醒降解菌(貪銅菌Cupriavidus如si細(xì)胞的準(zhǔn)備將斜面培養(yǎng)的貪銅菌Cupriavidus basilensis ACCC02582接入液體培養(yǎng)基中，培養(yǎng)36h, 5000r/min離心收集細(xì)胞沉淀。細(xì)胞固定化采用海藻酸鈉和聚乙烯醇試劑對貪銅菌細(xì)胞進(jìn)行固定化，稱量海藻酸鈉和聚乙烯醇加入IOOml蒸餾水，100°C水浴溶解，配成不同的混合載體，然后在各個(gè)載體中分別加入Ig濕貪銅菌細(xì)胞(菌體由活化培養(yǎng)基發(fā)酵36h后離心得到)，混勻；稱取3g的無水氯化鈣分別加入到IOOml的飽和硼酸溶液中，制備成交聯(lián)劑，再將混有貪銅菌細(xì)胞的載體用Iml注射器勻速滴入交聯(lián)劑中。(3)共發(fā)酵制備生物質(zhì)燃料在步驟(I)稀酸-纖維素酶酶解液中添加無機(jī)鹽等成分配置成培養(yǎng)基，終濃度分別為O. 15g酵母膏，I. 55 g K2HPO4, O. 85 g NaH2HPO4 · 2H20,
2.O g (NH4)2SO4, O. I g MgCl2 ·6Η20, 10 mg EDTA, 2 mg ZnS04 ·7Η20, I mg CaCl2 ·2Η20,
5mg FeSO4 ·7Η20，0. 2 mg Na2MoO4 ·2Η20，0. 2 mg CuSO4 ·5Η20，0. 4 mg CoCl2 ·6Η20，andI mg MnCl2 · 2H20，并且調(diào)節(jié)pH為5.0。將貪銅菌游離細(xì)胞或固定化細(xì)胞(0. 5%，v/v%)與釀酒酵母(2%，v/v%)同時(shí)接種在上述步驟得到的糖液中，進(jìn)行混合發(fā)酵。結(jié)果表明，經(jīng)過混合發(fā)酵48h，游離的貪銅菌細(xì)胞與釀酒酵母混合發(fā)酵液中糠醛降解率88. 2% ;固定化貪銅菌細(xì)胞與釀酒酵母混合發(fā)酵液中糠醛降解率100%，固定化的細(xì)胞在長時(shí)間處理效果較好，主要是因?yàn)楣潭ɑ?xì)胞比較穩(wěn)定，對于糠醛的毒害死亡較少。如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種稀酸法制備生物質(zhì)燃料工藝中糠醛的降解方法，其特征在于包括如下步驟 (1)將植物纖維用稀酸進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)生的植物纖維、糠醛及其衍生物的混合物，用堿調(diào)節(jié)PH值，然后采用纖維素酶進(jìn)行酶解，產(chǎn)生可發(fā)酵的糖； (2)將斜面培養(yǎng)的糠醛降解菌接入糠醛降解菌液體培養(yǎng)基中，培養(yǎng)、離心收集細(xì)胞沉淀，并對細(xì)胞進(jìn)行處理； (3)向步驟(I)的稀酸-纖維素酶酶解糖液中添加無機(jī)鹽和生長因子配置成培養(yǎng)基，將步驟(2)的得到的糠醛降解菌與釀酒酵母按照1:2 5的重量比一起接種到所述的培養(yǎng)基中進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵制備生物質(zhì)燃料的同時(shí)降解糠醛。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的稀酸法制備生物質(zhì)燃料工藝中糠醛的降解方法，其特征在于步驟(I)中，所述稀酸為稀硫酸、稀鹽酸或稀磷酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的稀酸法制備生物質(zhì)燃料工藝中糠醛的降解方法，其特征在于步驟(I)中，pH值調(diào)節(jié)為4. 8-5.0。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的稀酸法制備生物質(zhì)燃料工藝中糠醛的降解方法，其特征在于步驟(2)中，所述的糠醛降解菌為貪銅菌。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的稀酸法制備生物質(zhì)燃料工藝中糠醛的降解方法，其特征在于步驟(2)中細(xì)胞進(jìn)行處理方式為用液體培養(yǎng)基進(jìn)行懸浮或者對細(xì)胞進(jìn)行固定化。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的稀酸法制備生物質(zhì)燃料工藝中糠醛的降解方法，其特征在于步驟(3)中所述的發(fā)酵方式為混合發(fā)酵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種稀酸法制備生物質(zhì)燃料工藝中糠醛的降解方法，包括(1)將植物纖維用稀酸進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)生的植物纖維、糠醛及其衍生物的混合物，用堿調(diào)節(jié)pH值，然后采用纖維素酶進(jìn)行酶解，產(chǎn)生可發(fā)酵的糖；(2)將斜面培養(yǎng)的糠醛降解菌接入液體培養(yǎng)基中，培養(yǎng)、離心收集細(xì)胞沉淀；(3)向步驟(1)的稀酸-纖維素酶酶解糖液中添加無機(jī)鹽配置成培養(yǎng)基，將步驟(2)的得到的糠醛降解菌與釀酒酵母一起接種到(1)所述的培養(yǎng)基中進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵制備生物質(zhì)燃料的同時(shí)降解糠醛。本發(fā)明提供的一種方法糠醛等抑制劑降解效率高、成本低，綠色環(huán)保，適于大規(guī)模應(yīng)用。
文檔編號(hào)C12P39/00GK102899379SQ20121043465
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者李強(qiáng), 季更生, 李泰瑩, 費(fèi)娟娟, 谷緒頂 申請人:江蘇科技大學(xué)