活性炭國(guó)家專(zhuān)精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭處理如何影響乙醇生產(chǎn),乙醇一般工藝是用玉米漿來(lái)生廠的，伴隨生產(chǎn)同時(shí)排出的水解產(chǎn)物是具有污染性的，我們研究了水解產(chǎn)物中的污染物通過(guò)活性炭處理和去除有毒物質(zhì)的最佳條件以及這種治理過(guò)程對(duì)乙醇生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生什么影響。

　　由于近期農(nóng)作物生產(chǎn)價(jià)格上漲(如玉米，大米等)，使用農(nóng)副產(chǎn)品中的木質(zhì)纖維素材料作為生物乙醇生產(chǎn)的資源已引起人們極大的興趣。其中，甘蔗渣，高粱秸稈，小麥秸稈，，稻草，玉米秸稈，玉米芯和玉米殼(即玉米纖維)目前正在研究用作生物乙醇生產(chǎn)的資源。為此，研究了它們的可發(fā)酵糖含量，最佳發(fā)酵過(guò)程及其水解策略。在生物乙醇發(fā)酵之前，這些副產(chǎn)物的水解通常使用稀硫酸溶液，磷酸或鹽。另外還有，利用酶水解和使用酶和稀酸的組合水解的方法。

　　圖1、活性炭處理去除酚類(lèi)化合物(n = 3)。

　　據(jù)報(bào)道，酸水解產(chǎn)物中的呋喃衍生物(糠醛和5-羥甲基糠醛)和酚類(lèi)化合物是有毒的并且可以抑制生物乙醇生產(chǎn)，在酸水解產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)約0.6-3.0g / l的水平。以前的報(bào)告回顧了酸性水解產(chǎn)物的治理。活性炭處理導(dǎo)致呋喃衍生物減少92%，5-羥甲基糠醛減少68%，酚類(lèi)化合物總量減少約1.25-0.5克/ 升。通過(guò)活性炭處理從水解產(chǎn)物中去除有毒物質(zhì)是非常可靠的。

　　活性炭處理水解產(chǎn)物

　　用NaOH將水解產(chǎn)物的pH調(diào)節(jié)至5.5后，混合100ml水解產(chǎn)物和10g活性炭，然后通過(guò)真空過(guò)濾除去活性炭。

　　活性炭處理去除酚類(lèi)化合物

　　在生物乙醇生產(chǎn)過(guò)程中，有毒的呋喃衍生物(糠醛和5-羥甲基糠醛)和酚類(lèi)化合物在酸解過(guò)程中生成，已知會(huì)抑制細(xì)胞生長(zhǎng)和乙醇生成。在使用20g玉米殼和4%(v / v)H 2 SO 4的水解物制備后，我們通過(guò)活性炭處理除去了這些化合物。如圖4所示，該過(guò)程導(dǎo)致總酚值從2015.2降至153.3 mg / l，相當(dāng)于總酚類(lèi)化合物減少92.3%。然后將該活性炭處理的水解產(chǎn)物用于生物乙醇生產(chǎn)，并與未處理的水解產(chǎn)物進(jìn)行比較。

　　圖2、嗜熱脂肪桿菌在燒瓶培養(yǎng)物中的生長(zhǎng)曲線。

　　燒瓶培養(yǎng)中的生物乙醇生產(chǎn)

　　為了探索酸水解玉米殼的活性炭處理如何影響生物乙醇生產(chǎn)，我們進(jìn)行了兩種燒瓶培養(yǎng)：一種使用未處理的水解產(chǎn)物，另一種使用活性炭處理的水解產(chǎn)物作為酵母培養(yǎng)物的碳源。如圖2所示，在兩種培養(yǎng)基中，嗜糖單胞菌的細(xì)胞生長(zhǎng)曲線相似，盡管當(dāng)水解產(chǎn)物未經(jīng)處理時(shí)，OD 600受到中等顏色的更嚴(yán)重影響。然而，葡萄糖，木糖和阿拉伯糖的消耗量顯著不同(圖3)。當(dāng)使用活性炭處理的水解產(chǎn)物時(shí)，單糖在培養(yǎng)192小時(shí)幾乎完全消耗(圖3B)，即使在培養(yǎng)480小時(shí)，當(dāng)使用未處理的水解產(chǎn)物時(shí)，它們也沒(méi)有被完全消耗(圖3A)。例如，當(dāng)使用未處理的水解產(chǎn)物時(shí)，葡萄糖消耗減慢; 具體地說(shuō)，當(dāng)使用未處理的水解產(chǎn)物時(shí)，葡萄糖在72小時(shí)完全消耗，而當(dāng)使用活性炭處理的水解產(chǎn)物時(shí)，葡萄糖在24小時(shí)完全消耗。

　　圖3、嗜熱脂肪芽孢桿菌的燒瓶培養(yǎng)肉湯的TLC分析。G，A和X分別表示葡萄糖，阿拉伯糖和木糖標(biāo)準(zhǔn)品。

　　活性炭處理對(duì)生物乙醇生產(chǎn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

　　為了評(píng)價(jià)水解產(chǎn)物的活性炭處理如何影響生物乙醇生產(chǎn)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如表1所示計(jì)算生物乙醇生產(chǎn)率(P)和特定生物乙醇生產(chǎn)率(Q p)。當(dāng)使用活性炭處理的水解產(chǎn)物，在此期間NA1和A1(即，葡萄糖消耗周期)p略高和Q p是當(dāng)使用未經(jīng)處理的水解產(chǎn)物大于1.6倍。此外，當(dāng)使用活性炭處理的水解產(chǎn)物，在此期間NA2和A2(即，木糖和阿拉伯糖消耗周期)P和Q p分別是未處理的水解產(chǎn)物的2.4倍和3.4倍。有趣的是，當(dāng)使用活性炭處理的水解產(chǎn)物時(shí)，木糖和阿拉伯糖在生物乙醇生產(chǎn)(A2，A3和A4期間)期間繼續(xù)被消耗，而當(dāng)使用未處理的水解產(chǎn)物時(shí)，木糖和阿拉伯糖僅在NA2期開(kāi)始消耗; 此后，生物乙醇開(kāi)始與木糖和阿拉伯糖同時(shí)消耗(時(shí)期NA3)。然而，當(dāng)使用活性碳處理的水解產(chǎn)物時(shí)，到期間A5木糖和阿拉伯糖已被完全消耗，只有這時(shí)生物乙醇開(kāi)始被消耗。

　　綜上所述，本研究的結(jié)果表明，當(dāng)活性炭處理水解液用于嗜熱脂肪芽孢桿菌生物乙醇生產(chǎn)時(shí)，P和Q p得到改善，木糖/阿拉伯糖利用期間生物乙醇生產(chǎn)的持續(xù)性更好。

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