本发明专利技术涉及一种能够有效利用发酵柠檬酸废水水解植物半纤维素的装置。本发明专利技术所述的装置主要由循环喷淋冲滤反应器、储酸罐、储水罐、换热器构成；所述方法的要点在于先将柠檬酸废水和植物纤维素原料混合，于１００～２００℃下水解反应，得到以戊糖为主的水解液，然后向水解残渣中加入纤维素酶进行分批酶水解得到较高浓度的乙醇发酵用葡萄糖。本发明专利技术利用柠檬酸发酵废水预处理植物纤维素原料制备乙醇用可发酵糖的方法，不仅能将柠檬酸发酵废水充分利用节约水资源，还可以减少柠檬酸厂废水处理成本并降低纤维素乙醇可发酵糖的生产成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，以及由此衍生的下一步酶解植物纤维素得糖的工艺，属于生物化学工程领域。
技术介绍
工业发酵柠檬酸后产生的废水的特点是浓度高、pH值较低。传统的处理发酵柠檬 酸废水的方法一般采用厌氧、好氧法生物法或生物组合法等，但是这些方法不仅需要大型 的塔和池等设备，而且处理后的废水仍需排放，污染了环境并浪费了大量的水资源。 对于植物纤维素的预处理方法而言，稀酸水解是常见的预处理方法之一，与其它 方法相比(如蒸汽爆破、碱处理等)，稀酸可以有效水解半纤维素，转化80% 90%的半纤 维素糖，并有利于下一步纤维素的酶水解糖化，且成本较低，因此稀酸水解预处理_酶解发 酵工艺已成为纤维素乙醇中试生产中比较成熟的工艺之一，即利用该工艺处理纤维素得到 的物料可以直接用于发酵生产乙醇。 对植物纤维素的酸水解通常采用无机酸，由于酸在水中形成的水合氢离子能打开 糖苷键，水解半纤维素生成可发酵的单糖如木糖、阿拉伯糖等，同时破坏纤维素内部氢键， 降低聚合度，并提高后续酶水解效率。然而传统的无机酸如硫酸和盐酸等，虽然可以将植物 纤维素大部分转化成糖，但同时产生大量的乙醇发酵抑制物如糠醛、羟甲基糠醛、甲酸、乙 酰丙酸等，使得水解得到的糖液需要经过中和、脱毒等复杂工序，不仅加剧了糖的损失同时 还增加了后续操作成本。而有机酸对还原糖的降解没有催化效果，有机酸氢离子不完全电 离，解离的氢离子使糖苷键断裂，未离解的羧酸与糖环上的羟基相互作用，使半纤维素变得 易于水解，而且水解产物降解少，剩余纤维素酶解效果好。然而有机酸比常用无机酸成本 高，因此，需要寻找一种廉价易得的有机酸来替代无机酸水解植物纤维素。发酵柠檬酸的废 水中含有一定量的柠檬酸、草酸等有机酸，而它们都是一种多元有机酸，通常工厂需花费较 高的成本来处理这些废水，而利用它们来预处理纤维素原料制取乙醇用可发酵糖，不仅很 好地处理了这些废水，还节约了水资源，降低了纤维素原料预处理成本。
技术实现思路
本专利技术的技术目的是综合利用发酵柠檬酸废水，并提供一种能够有效利用发酵柠 檬酸废水水解植物半纤维素的装置和方法。主要解决的技术问题是综合利用发酵柠檬酸废 水，并克服现有无机酸(如硫酸)水解的不足，提供一种成本低、工艺简单的水解植物纤维 素中的半纤维素的的生产工艺。 为了实现本专利技术的技术目的，本专利技术的技术方案为 —、一种能够有效利用发酵柠檬酸废水水解植物半纤维素的装置，其特征在于该 装置主要由循环喷淋冲滤反应器、储酸罐、储水罐、换热器构成，其中循环喷淋冲滤反应器 的顶部进口一方面通过泵分别与储酸罐和储水罐相连接，另一方面通过第一换热器和压力 阀与循环喷淋冲滤反应器的底部出口循环联通；循环喷淋冲滤反应器的底部出口还连接有3第二换热器。 其中，所述的循环喷淋冲滤反应器的上侧面设有物料进口、下侧面设有物料出口 ； 其顶部进口下方连接有喷淋装置、其底部出口上方设有筛板；反应器内部设有热电偶，并与 反应器外部的控温仪连接。 二、一种利用本专利技术所述的装置水解植物半纤维素的方法，包括以下步骤 (1)发酵柠檬酸废水的预处理将经过自然沉降后的发酵柠檬酸的废水温度加热 至9(TC ll(TC蒸发浓縮；加入体积比O. 1% 0. 01%的浓硫酸并混合均匀、过滤后置于储 酸罐中待用； (2)水解半纤维素将植物纤维素风干粉碎后从物料进口添加并置于循环喷淋 冲滤反应器的底部筛板之上，从储酸罐中按照发酵柠檬酸废水和植物纤维素的液固比io : i 20 : 1(w/v)注入发酵拧檬酸废水；通过控温仪控制热电偶使反应器温度io(rc 20(TC，同时控制第一换热器保持同样温度，开始柠檬酸水解半纤维素的反应；反应过程中发酵柠檬酸废水从喷淋装置以喷淋的方式实现液体于植物纤维素固体的充分接触，并流经 筛板后通过反应器底部出口流出，再经压力阀通过第一换热器后回流至反应器顶部入口循环回喷淋装置；循环水解反应10min 120min ; (3)收集水解液和物料从反应器底部出口经第二换热器冷却后放出水解液，并 从储水罐中向反应器中通入水冲洗筛板上的固体物料除酸，得到总的半纤维素水解液；从 物料出口处收集除去了半纤维素的固体物料。 本专利技术所述的步骤(2)中，所述的植物纤维素粉碎目数为10 40目； 本专利技术所述的步骤(2)中，所述的压力阀控制发酵柠檬酸废水循环的流速为5 151Vmin ; 本专利技术所述的步骤(3)中，所述的从储水罐中放出的水量为使冲洗后水解液的pH 值为4. 8 5. 2所需的水量； 本专利技术所述的利用本专利技术所述的装置水解植物半纤维素的方法，还可以包括酶水 解纤维素的步骤向步骤(3)中收集的固体物料中加入Ca(0H)2中和柠檬酸，再用水冲洗掉 柠檬酸钙沉淀后，经闪蒸后调节pH值在4. 8 5. 2，转入酶解反应器中，加入水，并加入纤维 素酶酶解75 90h后，收集得到主要含葡萄糖的水解液； 其中，所述的酶解反应器为搅拌反应器； 所述的酶解条件为pH为4. 8 5. 2，液固比10 : 1 5 : 1 (L/kg)，温度为48 55°C ，纤维素酶用量10 15FPU/g干重，酶解时间75 90h，转速60 100rpm ; 本专利技术所述的植物纤维素包括玉米秸秆、玉米芯、高粱杆、麦草、锯末、木材、稻草稻壳。 本专利技术的有益效果在于 1、本专利技术可充分处理柠檬酸发酵废水，经自然沉降后富含菌体、蛋白和糖等有机 质的一部分废水可用于厌氧发酵产甲烷和氢气等，另一部分含较多柠檬酸的废水可用于预 水解植物纤维素，从而减少了柠檬酸厂废水处理成本，同时也解决了诸如纤维素乙醇生产 过程中预处理环节稀酸溶液的来源，无需另外消耗大量自来水，既节约了水资源也降低了 预处理成本，达到节能减排的目的； 2、本专利技术所用柠檬酸发酵废水作为柠檬酸厂废弃物排放，量大来源广泛，可保证4常年持续供给。柠檬酸是三元羧酸，氢离子不完全电离，解离的氢离子使糖苷键断裂，未离 解的羧酸与糖环上的羟基相互作用，使半纤维素变得易于水解，而对还原糖的降解没有催 化效果，从而减少了发酵抑制物的产生，可以省略水解液的脱毒工艺。同时低浓度的柠檬酸 在高温下对反应器的腐蚀比硫酸要小得多，从而降低了设备投入和维护成本。在原料(玉 米主产区)丰富的地方，可实现柠檬酸和诸如纤维素乙醇的联产，便于集中处理生产废物 废水，降低处理成本； 3、本专利技术向浓縮后的柠檬酸废水中加入少许浓硫酸并混合均匀，除去其中溶解的 Ca2+、Mg2+等金属离子，同时也增加了溶液中氢离子浓度； 3、本专利技术预水解植物纤维素采用循环喷淋冲滤反应器，解决了低浓度有机酸催化植物纤维素水解效率不高的问题。通过循环喷淋作用把以往静态的反应方式变为动态的反应方式，通过不断的循环把木质纤维素附近生成的糖带走，扩散到整个反应体系中去，使得木质纤维素附近始终保持较低的糖浓度，有利于其进一步水解；同时，喷淋作用使得酸液可以更好地与木质纤维素接触以对其进行催化反应，与釜式反应器相比，可以消除纤维素和糖颗粒的附壁，并移除粘附在半纤维素上微溶的长链低聚糖，打破长链低聚糖和未降解的半纤维素与水分子形成的"冰状层"使整个体系糖浓度均匀，比静态的反应方式即批式反应糖得率要提高不少，并且可以加速木质素的溶解；因此该法在不影响糖浓度的前提下提高了木质本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种能够有效利用发酵柠檬酸废水水解植物半纤维素的装置，其特征在于主要由循环喷淋冲滤反应器（ａ）、储酸罐（１１）、储水罐（１０）、换热器（５、７）构成，其中循环喷淋冲滤反应器（ａ）的顶部进口（ｂ）一方面通过泵（９）分别与储酸罐（１１）和储水罐（１０）相连接，另一方面通过第一换热器（７）和压力阀（８）与循环喷淋冲滤反应器（ａ）的底部出口（ｃ）循环联通；循环喷淋冲滤反应器（ａ）的底部出口（ｃ）还连接有第二换热器（５）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄和，张红漫，金强，赵晶，林增祥，陈敬文，郑荣平，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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