[发明专利]一种净化、回收和浓缩木质纤维素预水解液中糖分的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种木质纤维素预水解液中糖分的精制方法，尤其涉及应用 纳滤技术对木质纤维素预水解液中的糖分进行回收和浓缩，对预水解液中的 毒性抑制物进行去除的方法。

背景技术

木质纤维素是自然界中来源广泛、价格低廉的可再生资源，其主要成分 为纤维素、半纤维素和木质素。生物转化木质纤维素中的糖类聚合物生产生 物燃料或生物基化学品是木质纤维素综合利用的一个有效途径。但由于木质 纤维素结构和成分都很复杂，必须对其进行预处理才能使酶将其水解为可发 酵性糖，进而被微生物发酵产各种化学品。木质纤维素预处理的方法有很多， 有物理、化学、理化、氧化和有机溶剂等方法。在用除物理预处理方法外的 其它预处理方法对木质纤维素进行预处理时，除纤维素和半纤维素降解产生 的各种发酵性戊糖和己糖外，还会形成各种发酵抑制物，主要包括弱酸类抑 制物(如甲酸、乙酸和乙酰丙酸)、糠醛类抑制物(如糠醛和5-羟甲基糠醛) 和酚类抑制物(如4-羟基苯甲酸、香草醛和邻苯二酚)，这些抑制物特别是 浓度高的弱酸性抑制物和糠醛类抑制物对随后的酶水解和微生物发酵过程都 有明显的抑制作用，降低产物产率，所以必须采取方法将木质纤维素预水解 液中的弱酸性抑制物和糠醛类抑制物脱除。目前，采取的抑制物脱除方法主 要有物理、化学和生物等方法。

物理方法包括蒸发、有机溶剂萃取和吸附等。蒸发能去除发酵抑制物中 的一部分低沸点有机物；有机溶剂萃取能去除大部分抑制物，但有机溶剂回 收困难；活性炭吸附操作简单，但受抑制物性质、预水解液pH、预处理温度、 时间和活性炭浓度影响并且去除抑制物的程度有限；离子交换树脂吸附对弱 酸性抑制物的脱除效果显著，但对糠醛类抑制的脱除效果有限。

化学法主要是通过添加化学试剂使预水解液中的抑制物形成沉淀或通过 调节pH值使抑制物的电离发生改变而达到脱毒效果。常用的化学法是氢氧 化钙过中和法，也就是用氢氧化钙调pH至9～10，再用硫酸回调至pH5.5左 右。该方法操作简单、成本低且抑制物去除效果明显，但是由于钙离子的沉 淀，对后续操作的各种设备不利。

生物法是指用一些特定的酶或微生物处理抑制物使之结构发生改变从而 降低其毒性。由于酶催化具有特异性和专一性，所以酶处理也只能去除特定 的某种抑制物。微生物预处理虽然能对预水解液中的抑制物具有一定的脱毒 作用，但是微生物也能利用预水解液中的各种糖类。

膜分离技术现今已广泛应用于各个领域的分离、纯化，其分离机理主要 为筛分作用，即在压力的驱动下，尺寸较小的物质透过膜，而尺寸较大的物 质则被截留，从而达到分离溶液大小不同组分的目的。常用的膜分离技术包 括微滤、超滤、电渗析、反渗透和纳滤等。

纳滤膜是近几十年发展起来的，介于反渗透和超滤之间的一种新型膜分 离技术。纳滤膜在压力驱动下允许一些无机盐和小分子有机物透过膜，既能 使大分子有机物和小分子有机物得到分离，又能使有机物和无机盐得到分离 同时兼顾有机物浓缩。纳滤具有分离过程无相变、无需加热、操作简单、节 能减排、容易放大和与其它分离技术相集成等诸多优点，有着良好的应用前 景。因此，本发明提出应用纳滤技术对木质纤维素预水解液进行糖分的回收、 浓缩和抑制物的脱除，不仅工艺简单、安全节能并且无任何副产物产生，具 有良好的工业化前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种木质纤维素预水解液中糖分的净化、回收和浓 缩的方法，该方法不仅能去除木质纤维素预水解液中的各种弱酸性抑制物(甲 酸、乙酸和乙酰丙酸等)和糠醛类抑制物(糠醛和5-羟甲基糠醛)，还能对 预水解液中的各种糖分进行浓缩。该方法工艺简单、高效节能、易于工业化 应用。

本发明提供的应用纳滤技术对木质纤维素预水解液中糖分的净化、回收 和浓缩的方法，是利用纳滤膜分离技术实现木质纤维素预水解液中糖分和抑 制物的分离，降低各种抑制物的含量，提高糖分的浓度，提高预水解液的可 发酵性。该方法是：首先调节木质纤维素预水解液的pH值至2.0～5.0并用微 滤等预处理方法对得到的预水解液进行预处理；然后再用纳滤膜组件对微滤 等预处理得到的透过液进行纳滤操作，预水解液中的糖分被纳滤膜截留，而 弱酸性抑制物(甲酸、乙酸和乙酰丙酸等)和糠醛类抑制物(糠醛、5-羟甲 基糠醛等)则不断透过纳滤膜，除去预水解液中的各种抑制物和浓缩预水解 液中的糖分，实现预水解液中糖分的净化、回收和浓缩。