文 献 综 述

1.1课题背景

石油及煤炭是世界短缺但应用最多的且不可再生的能源物质，基于能源物质不断消耗和减少的现状，研究者们开始对可再生绿色能源物质的开发进行研究。人们用发酵法以粮食为原料生产燃料乙醇及氢气，虽然此法解决了能源迅速消耗的问题，但同时也导致了粮食资源供应不足。

考虑到以上因素，人们将提取活性物质后的药物残渣及农林业废弃物等纤维质原料进行了能源化利用，将其水解为葡萄糖，供给人体及动物能量，同时又可将葡萄糖通过进一步发酵来生产甲醇、乙醇、氢气等可再生绿色能源。此法不仅利用废弃物代替粮食获得了能源的生产，解决了粮食供应不足的问题，同时也减少了废弃物焚烧对环境带来的伤害。可再生能源生产的前提及关键条件是获得较高的纤维素水解效率，得到高浓度、高质量的葡萄糖液。

然而，在纤维原料的预水解液[1-3]中，通常含有很多种副产物，如醛类抑制物(糠醛和5一羟甲基糠醛等)、弱酸类抑制物(甲酸、乙酸和乙酰丙酸等)和酚类抑制物(如香草酸、香草醛等)。这些抑制物，特别是高浓度的醛类抑制物和弱酸类抑制物，对后面的酶水解和微生物发酵有严重的抑制作用，因此，近年对木质纤维素类原料产糖过程[4]中的水解及脱毒技术的研究较多，如何以低成本、环保、高效的方法制备安全、可利用的葡萄糖液已经成为研究的热点。由此，本课题探讨了木质纤维素原料的预处理及脱毒方面的方法。

1.2木质纤维素的水解

在实际生产中常采用两步法以减少发酵抑制物的产生[5,6] , 具体工艺如下：第一步浓酸水解在较低的温度下进行, 在此过程中半纤维素非常容易被水解得到木糖等五碳糖产物;第二步稀酸水解是在较高的温度下进行, 重新加酸水解残留固体(主要为微晶纤维素), 得到可发酵水解产物葡萄糖。在酸水解过程中, 纤维素水解主要转化成葡萄糖, 同时半纤维素、木质素等也会发生不同程度的降解, 生成的多种单糖在酸性条件下并不稳定, 继续降解生成5-羟甲基糠醛(HMF)、甲酸和乙酰基丙酸等发酵抑制物。

木质纤维素酸水解生成发酵抑制物的具体过程[7]如下:①纤维素。纤维素水解生成葡萄糖, 在酸性条件下继续降解, 生成5-羟甲基糠醛(HMF)、甲酸和乙酰基丙酸等物质。②半纤维素。半纤维素水解生成多种单糖, 主要有木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖和少量的乙酸, 由半纤维素水解生成的多种单糖在酸性条件下并不稳定, 继续降解生成5-羟甲基糠醛(HMF)、甲酸和乙酰基丙酸。如下图所示：

1.3发酵抑制剂及其作用机理

木质纤维素在稀酸水解过程中生成的发酵抑制物主要包括甲酸、乙酸、糠醛、羟甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸和芳香族类化合物等。根据发酵抑制物的性质, 一般将其分为酸类物质、酚类物质、醛类物质这三大类。

酸类物质主要包括乙酸、甲酸和乙酰丙酸等, 其中乙酸不但可在水解阶段产生, 同时也是后续发酵阶段产生的一种副产物, 研究表面水解产物中乙酸的质量浓度可达10 g/L[8] 。一般认为, 酸类物质对发酵的抑制[9]主要是在酸性条件下, 有机酸分子可以通过简单扩散方式跨过细胞膜而进入细胞。由于胞内pH 较高(接近中性), 因此大多数有机酸分子在胞内离解, 使得胞内H 浓度增加，从而破坏了胞内外存在的H 梯度, 膜电位降低。为了维持膜电位,以推动一些营养物质的跨膜运送, 必须将胞内过量的H 排出胞外。此时仅依靠电子传递质子泵已经难以达到目的, 在这种情况下细胞将利用水解ATP来驱动ATP 合成酶质子泵反转, 将胞内H 排出胞外。

由于ATP 的大量消耗, 又不能从呼吸偶联作用得到补充, 使得在胞内用于代谢的ATP 供应不足,从而导致一些必需的酶、辅酶以及一些营养物质缺乏, 使得细胞代谢缓慢, 原料利用速率下降, 甚至引起细胞死亡[10]。根据这一假说, 有机酸对于微生物生长的抑制作用大小应与其疏水性相关。疏水性不同, 则它们主动扩散的强度不同。因此对H 梯度的破坏程度不同, 从而表现出不同的抑制强度。

糠醛和5-羟甲基糠醛(HMF)是水解液中的两种主要呋喃类发酵抑制物[11], 且其在水解液中的含量较大, 糠醛主要抑制一些与糖代谢有关的酶, 如己糖激酶、醛缩酶、磷酸果糖激酶、磷酸丙糖脱氢酶、乙醇脱氢酶等酶的活性, 特别是对后两种酶的抑制尤其明显, 从而抑制发酵[12] 。

酚类物质主要来源于木质素的降解。酚类物质作为酸水解的主要发酵抑制物, 虽然含量很低,但却严重影响水解液的后续发酵, 其中以一些低分子质量的酚类物质如香草醛和丁香醛等发酵抑制物的抑制作用最强[ 13]。有关酚类化合物对发酵的影响一般认为是由于该物质能渗透到细胞膜内, 破坏细胞膜结构的完整性, 从而影响发酵微生物的正常生长, 降低发酵效率。

基于以上原因，我们需要对木质纤维素进行脱毒处理，除去这些抑制剂，才能继续发酵，得到我们需要的产物。

1.4脱毒方法综述

常用的脱毒方法有物理法、化学法和生物法。

由于纤维素稀酸水解液中存在许多易挥发的有机物, 如乙酸、糠醛和醛类物香草醛等, 故通过旋转蒸发[14]可很大程度上降低此类抑制物在水解液中的浓度, 以利于发酵,但许多研究发现虽然旋转蒸发可降低一部分易挥发发酵抑制物的浓度, 但又同时增加了来自于木质素和抽提物中的一些物质, 从而也导致发酵效率降低。研究证明, 旋转蒸发只适用于乙酸、糠醛等易挥发性物质的去除。

活性炭由于具有较强的吸附特性, 常被用作酸水解液的脱毒, 但活性炭对抑制物的吸附除受抑制物性质的影响外, 还与水解液的pH 、处理温度、时间和活性炭的浓度有关。另外，活性炭对糖的吸附较多，且解析困难。

化学方法主要是通过化学反应通过化学沉淀或通过改变pH 以及一些抑制物的电离特性, 从而达到降低毒性的目的。这种方法中以改变水解液pH从而降低发酵抑制物的毒性的方法在生产中应用最为广泛, 且效果较好, 其中最常用的是使用过量的固体Ca(OH)2 预处理[15]酸解液, 这种方法在工业上已经有应用。许多研究均表明, 用过量的固体Ca(OH)2处理过的水解液, 其发酵能力明显增强。

生物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。生物脱毒法一般又可分为酶处理法和微生物处理法2 种。

酶由于具有特异的催化活性, 在酶的作用下一些有机物得以分解, 如漆酶[16]可氧化水解液中的酚类物质, 故酶处理法也是去除酸水解液中发酵抑制物的常用方法。由于酶具有专一性, 所以酶处理也只能去除特定的抑制物质, 如白腐菌主要降解乙酸、糠醛和芳香酸类化合物, 而漆酶可氧化水解液中的酚类物质, 故该方法在实施过程中常加入以上2 种酶, 从而达到较好的脱毒效果。

白腐菌是微生物处理脱毒中常用的一种微生物。研究表明, 白腐菌具有降解乙酸、糠醛和芳香酸类化合物的能力, 经过白腐菌处理过的水解液发酵效率能提高约4 倍[16]。

但是现行的脱毒方法存在着操作成本高、污染环境、脱毒效果差等缺点。所以本课题采用纳滤技术对去除木质纤维素预水解液中的抑制物进行了研究。以期望为纳滤处理木质纤维素预水解液提供基础数据和技术条件。

1.5纳滤膜脱毒

纳滤膜脱毒过程及其简单，将预处理好的稀酸水解液倒入纳滤装置中，通过膜两边的压差推动水解液透过纳滤膜，木糖、葡萄糖和阿拉伯糖等会被截留下来，而小分子的发酵抑制剂则会透过膜，从而达到分离纯化的效果。

Carvalheiro和Canilha L等人[17], 采用纳滤膜对预配的木质纤维素稀酸水解液进行脱毒。研究结果表明：纳滤对呋喃、乙酸以及甲酸的去除几乎达到了100%，几乎能够完全除去这几类发酵抑制剂。此外，它对阿拉伯糖、木糖以及葡萄糖也有不错的截留率，得到的渗滤液中的糖含量较高。纳滤能达到较好的脱毒效果。而目前能达到这种分离效果的方法只有蒸发，但是蒸发过程需要耗费大量能量，极其昂贵。并且蒸发更倾向于浓缩其他非挥发性的化合物如酚类。

考虑到纳滤膜对发酵抑制剂的高去除率，以及对糖也有不错的截留率，我们选择使用纳滤膜来对木质纤维素稀酸水解液进行脱毒。同时也希望能够改进这种方法，使其更加经济实用，得到更高产率的糖液。

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近年来，以木质纤维素为原料的第二代生物质燃料开发既是全球研发的难点也是热点。我国纤维素类生物质原料非常丰富，将其转化成燃料乙醇有着很大潜力。但当前要实现工业化生产还面临许多问题，特别是木质纤维素稀酸水解液中含有多种发酵抑制剂，为后续的生产生物质乙醇及丁醇增加很多困难。吸附介质脱毒的研究主要集中于糠醛，HMF，醋酸以及乙酰丙酸等，较少有文章介绍关于介质脱除酚类物质。同时纳滤膜对这几种小分子抑制剂的脱除效果比较理想。所以我们决定采取纳滤#8212;树脂吸附集成工艺来实现木质纤维素水解液的脱毒和糖的纯化。

通过单一变量实验，分别探究pH及硫酸根离子对三种糖及甲酸、乙酸和阿魏酸截留率的影响。寻求最佳的渗滤操作条件，并通过所测截留率根据物料衡算对渗滤结果进行预测。