氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂在酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝中的應(yīng)用*

王柯，張建華，毛忠貴

1(江南大學(xué)，工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫，214122)

2(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫，214122)

在傳統(tǒng)的木薯酒精生產(chǎn)過(guò)程(圖1a)中，酒糟的處理工藝為“厭氧消化-好氧消化-深度處理-排放”，該工藝存在投資大，運(yùn)行成本高，浪費(fèi)水資源，難以達(dá)標(biāo)等缺陷［1］。為此，我們提出木薯酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝來(lái)解決酒糟的處理問(wèn)題(圖1b)［2-3］。在該工藝中，酒糟經(jīng)厭氧消化處理和資源化處理后，回用于酒精發(fā)酵過(guò)程，從而降低了能耗和水耗，并消除了廢水的排放。由于厭氧消化出水的pH為8.0左右，且具有較強(qiáng)的緩沖能力(即較高的堿度)，將其回用配料時(shí)，需要添加H2SO4調(diào)節(jié)料液的pH至6.0(液化酶的最適pH)。這就向酒精發(fā)酵培養(yǎng)基及后續(xù)的酒糟中引入了。雖然酒糟經(jīng)厭氧消化處理時(shí)，硫酸鹽的濃度不足以影響反應(yīng)器的運(yùn)行，但是硫酸鹽還原產(chǎn)生的硫化氫會(huì)存在于沼氣中，這就增加了沼氣脫硫工程和沼氣純化的成本［4］，從而限制了該工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，最有效的辦法就是降低厭氧消化出水的堿度。

在耦聯(lián)工藝中，HCO3-形成的堿度構(gòu)成了厭氧消化出水堿度的主體［5］。如果要降低厭氧出水的堿度，就必須去除其中的HCO3-，并且不能引入酸根離子。根據(jù)溶液正負(fù)電荷平衡原理，厭氧消化出水中必然存在與HCO3-所帶電荷數(shù)相等的陽(yáng)離子與之結(jié)合。因此可以采用氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(一種常用的固體酸［6-8］)來(lái)處理厭氧消化出水。在該過(guò)程中，樹(shù)脂上的H+與厭氧消化出水中的陽(yáng)離子交換后，可與HCO3-結(jié)合形成CO2從溶液中逸出，從而降低HCO3-含量，并且不向厭氧消化出水中引入任何酸根離子。本研究中，我們對(duì)樹(shù)脂類(lèi)型進(jìn)行了篩選，并研究了其對(duì)厭氧消化出水性質(zhì)和酒精發(fā)酵的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

釀酒酵母(S.cerevisiae)，湖北宜昌安琪酵母有限公司;玉米，河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司;樹(shù)脂，南開(kāi)樹(shù)脂廠(chǎng)，產(chǎn)品型號(hào)及特征見(jiàn)表1。其他試劑均為分析純或優(yōu)級(jí)純市售商品。

1.2 方法

1.2.1 酒精發(fā)酵種子培養(yǎng)

種子培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖 20，酵母膏 8.5，NH4Cl 1.3，MgSO4·7H2O 0.1，CaCl20.06，pH 自然，0.08 MPa滅菌15 min。培養(yǎng)條件:搖床培養(yǎng)，200 r/min，30 ℃，18 h。

1.2.2 液化液制備與發(fā)酵

按1∶3(g∶mL)的比例將木薯粉(平均粒徑0.45 mm)與配料水混合，用H2SO4或NaOH溶液將料液pH調(diào)節(jié)至6.0，加入耐高溫α-淀粉酶(10 IU/g木薯粉，無(wú)錫杰能科有限公司)。加熱料液至95℃，維持1 h。降溫至室溫，添加去離子水以彌補(bǔ)液化過(guò)程水分的損失。分裝至250 mL三角瓶中，115℃滅菌20 min。降溫后加入糖化酶(130 IU/g木薯粉，無(wú)錫杰能科有限公司)、種子培養(yǎng)基(體積分?jǐn)?shù)10%)和尿素(0.5 g/L)啟動(dòng)酒精發(fā)酵。發(fā)酵在30℃培養(yǎng)箱中靜置進(jìn)行，發(fā)酵時(shí)間為48 h。

圖1 傳統(tǒng)木薯酒精生產(chǎn)工藝(a)與木薯酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝(b)流程圖Fig.1 Process diagrams of conventional cassava ethanol production process(a)and integrated cassava ethanol-methane fermentation process(b)

表1 實(shí)驗(yàn)中使用的樹(shù)脂種類(lèi)及特性aTable 1 Type and characteristics of resins used in experimenta

1.2.3 分析方法

氨氮和堿度采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定［9］。金屬離子采用原子吸收光譜儀(VARIAN，SpectrAA-220，Australia)測(cè)定。樹(shù)脂含水量、膨脹率和交換容量分別根據(jù)GB 5757-86、GB/T 11991-2008 和 GB/T 8144-2008測(cè)定。酒精采用高效液相色譜法(HPLC，Dionex，U-3000，USA)測(cè)定。色譜條件:Aminex HPX-87H 色譜柱(300 mm ×7.8 mm，9 μm，Hercules，CA);RI檢測(cè)器(Shodex RI-101，Japan)和UV檢測(cè)器(Dionex，USA);流動(dòng)相為5 mmol/L硫酸;柱溫65℃;流速0.6 mL/min;進(jìn)樣量20 μL。樣品預(yù)處理:發(fā)酵液離心(10 000×g，10 min)后，上清液經(jīng) 0.2μm 膜過(guò)濾，取濾液用于HPLC分析。采用SPSS Statistics 19(IBM，USA)進(jìn)行方差分析(fisher’s least significant difference，LSD)，當(dāng)P＜0.05時(shí)認(rèn)為差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹(shù)脂選型

對(duì)于酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝，要求選用的氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂具有較大的交換容量和交換速率，而對(duì)其酸性的強(qiáng)弱沒(méi)有要求，此外還要求成本盡可能低。因此，實(shí)驗(yàn)中選擇了最為常見(jiàn)的5種氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行研究(如表1所示)。其中3種為強(qiáng)酸型離子交換樹(shù)脂，2種為弱酸型離子交換樹(shù)脂。依照國(guó)標(biāo)方法測(cè)定了5種樹(shù)脂的基本參數(shù)，如表2所示。

表2 五種氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of fivehydrogen cation exchange resins

從表2可以發(fā)現(xiàn)，001×7與002×7兩種強(qiáng)酸性氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的性能基本相同，因此選擇001×7作為兩者的代表進(jìn)行后續(xù)研究。D072強(qiáng)酸性樹(shù)脂的交換容量略低些，且價(jià)格較高，考慮到成本問(wèn)題實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有選用。在兩種弱酸性樹(shù)脂中，D113的交換容量較D151大，且其轉(zhuǎn)型膨脹率較D151低，機(jī)械承受力較強(qiáng)，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選用D113進(jìn)行研究。

如果僅從交換容量的角度考慮，應(yīng)該選擇弱酸型離子交換樹(shù)脂D113。但在實(shí)際應(yīng)用中，堿度的去除速率也是一個(gè)很重要的因素。為了比較001×7和D113兩種樹(shù)脂的交換速率，分別用2種樹(shù)脂處理堿度為4 000 mg CaCO3/L的NaHCO3溶液(樹(shù)脂與溶液體積比為1∶50)，結(jié)果如圖2所示。采用001×7去除堿度時(shí)，溶液堿度在3 min后達(dá)到平衡。處理終點(diǎn)的pH和堿度分別為6.54和2 190 mg CaCO3/L。采用D151時(shí)，溶液堿度在4 min后達(dá)到平衡，處理終點(diǎn)的pH和堿度分別為6.59和2 210 mg CaCO3/L。樹(shù)脂對(duì)堿度的去除均十分迅速。實(shí)驗(yàn)中D151樹(shù)脂在處理速率及交換容量上與預(yù)期不同，一是D151的處理速率與001×7的速率比較接近，并沒(méi)有體現(xiàn)出明顯的差異;二是在較短的處理時(shí)間內(nèi)(20 min)，弱酸型樹(shù)脂在交換容量方面的優(yōu)勢(shì)并未體現(xiàn)出來(lái)。因?yàn)閺?qiáng)酸型樹(shù)脂與弱酸型樹(shù)脂在交換速率和交換容量上均未表現(xiàn)出明顯差異，所以對(duì)于樹(shù)脂類(lèi)型的選擇主要取決于成本因素(表1)。從價(jià)格上看，強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂具有很大的優(yōu)勢(shì)，即使以交換容量為基礎(chǔ)考慮，強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂也具備較大的優(yōu)勢(shì)。因此，選擇001×7型的樹(shù)脂作為研究對(duì)象。

2.2 樹(shù)脂使用量的確定

圖2 強(qiáng)酸性(a，001×7)型樹(shù)脂和弱酸性樹(shù)脂(b，D113)對(duì)NaHCO3溶液堿度的去除速率Fig.2 Alkalinity removal rate of strong acid resin(a，001×7)and weak acid resin(b，D113)

酒精生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢水量極大，采用樹(shù)脂對(duì)處理厭氧消化出水時(shí)必須考慮成本問(wèn)題。樹(shù)脂使用量與處理成本之間密切相關(guān)。根據(jù)理論計(jì)算，每克001×7樹(shù)脂可以處理堿度為3 000 mg CaCO3/L的厭氧廢水30 mL。對(duì)此通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中樹(shù)脂用量為5 mL，溶液中NaHCO3的濃度為5 g/L，相當(dāng)于堿度2 976 mg CaCO3/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖3)，每體積的001×7的樹(shù)脂可以處理30倍以上的厭氧消化出水，與理論計(jì)算值接近。樹(shù)脂處理厭氧消化出水時(shí)并不需要將堿度完全去除，只需將其pH降至6.0左右。也就是說(shuō)，對(duì)于堿度為3 000 mg CaCO3/L的厭氧消化出水，濕樹(shù)脂與厭氧沼液的體積比約為1∶35。

圖3 001×7型樹(shù)脂的處理能力Fig.3 Treatment capacity of 001×7 resin

2.3 樹(shù)脂的再生效果

離子交換樹(shù)脂再生性能直接影響實(shí)際生產(chǎn)中樹(shù)脂的使用量。因此考察了再生次數(shù)與樹(shù)脂交換容量之間的關(guān)系。為了更加符合實(shí)際情況，采用厭氧消化出水作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。隨著再生次數(shù)的增加，樹(shù)脂的交換容量沒(méi)有受到太大影響。在再生10次后，強(qiáng)酸型離子交換樹(shù)脂的交換容量為1.76 mmol/mL濕樹(shù)脂，比最初的交換容量?jī)H(1.91 mmol/mL濕樹(shù)脂)下降了約7.9%(圖4)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂對(duì)于廢水中的色素具有一定的吸附能力。單位體積的樹(shù)脂可以吸附20倍體積的厭氧消化出水中的色素，但色素對(duì)交換容量沒(méi)有明顯影響。

圖4 再生次數(shù)對(duì)樹(shù)脂交換容量的影響Fig.4 Effect of regeneration times on exchange capacity of resin

2.4 離子交換對(duì)厭氧消化出水水質(zhì)影響

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)確定的使用量，利用001×7強(qiáng)酸型樹(shù)脂處理厭氧消化出水?？疾祀x子交換對(duì)厭氧消化出水水質(zhì)的影響，對(duì)厭氧消化出水處理前后的堿度、氨氮和各金屬離子所帶正電荷進(jìn)行衡算，分析離子交換過(guò)程變化情況。由于溶液中正負(fù)電荷平衡，厭氧消化出水中存在與HCO3-所帶電荷數(shù)相等的陽(yáng)離子與之結(jié)合，因此去除HCO3-的同時(shí)也有等電荷的陽(yáng)離子被去除。由表3可以看出，離子交換處理后，厭氧消化出水pH值降至6時(shí)，堿度所帶的負(fù)電荷量減少了54.72 mmol/L，去除的各陽(yáng)離子所帶正電荷之和為53.27 mmol/L，兩者基本相當(dāng)，其中對(duì)酒精產(chǎn)率有負(fù)面影響的氨氮的去除率達(dá)到了82%。

表3 離子交換處理對(duì)厭氧消化出水中堿度、氨氮和各金屬離子的影響Table 3 Effect of ion exchange on alkalinity，ammonianitrogen and metal ions of anaerobic digestion effluent

2.5 離子交換對(duì)酒精發(fā)酵的改善

將離子交換處理后的厭氧消化出水回用于酒精發(fā)酵，并以去離子水和厭氧消化出水作為對(duì)照。實(shí)驗(yàn)過(guò)程測(cè)定配料及液化后醪液的pH，記錄配料及液化過(guò)程中加酸量。

表4 不同配料水配制酒精發(fā)酵培養(yǎng)基過(guò)程pH變化Table 4 Change of pH in the process of preparing medium using different process water

考慮到液化酶和糖化酶的最適pH，配料后均用30%H2SO4或2 mol/L的NaOH調(diào)pH至6.0左右，液化后pH均調(diào)至5.0左右。液化酶和糖化酶作用的最適pH有差異，而液化過(guò)程醪液的pH變化不大，為了滿(mǎn)足液化和糖化過(guò)程的最適pH，液化后仍不可避免需要加入H2SO4調(diào)節(jié)醪液pH。表4表明，離子交換處理的厭氧消化出水液化后需要加入少量H2SO4調(diào)低pH，但可避免液化過(guò)程中調(diào)酸加入，且糖化時(shí)調(diào)酸加入的量也較處理前的厭氧消化出水少很多，與去離子水發(fā)酵過(guò)程加入H2SO4量相近?？梢?jiàn)，經(jīng)離子交換處理后的厭氧消化出水用來(lái)配料進(jìn)行酒精發(fā)酵時(shí)，可以減少H2SO4的加入量。圖5所示為不同水樣配料進(jìn)行酒精發(fā)酵的酒精產(chǎn)量，結(jié)果顯示厭氧消化出水原水發(fā)酵酒精產(chǎn)量較去離子水低約0.4%(v/v)，而經(jīng)離子交換處理后的厭氧消化出水與去離子水配料的酒精產(chǎn)量沒(méi)有區(qū)別，說(shuō)明離子交換消除了厭氧消化出水對(duì)酒精發(fā)酵的抑制作用。前期研究表明，厭氧消化出水中高濃度氨氮可降低酒精發(fā)酵過(guò)程酒精產(chǎn)量［10］，而001×7強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂對(duì)厭氧消化出水中氨的去除率達(dá)到了82%，所以可有效消除厭氧消化出水對(duì)酒精發(fā)酵的抑制，同時(shí)也降低了脫氨成本。

3 結(jié)論

圖5 不同配料水對(duì)酒精產(chǎn)量的影響Fig.5 Effect of different process water on ethanol production

在酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝中，厭氧消化出水具有較高的堿度，當(dāng)其回用配料時(shí)，需要添加H2SO4以調(diào)節(jié)料液的pH至6.0(液化酶的最適pH)，硫酸鹽的引入會(huì)對(duì)耦聯(lián)工藝產(chǎn)生負(fù)面影響。本文采用了氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂處理厭氧消化出水，以降低其堿度，從而減少耦聯(lián)工藝中H2SO4的使用。對(duì)最為常見(jiàn)的5種氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)001×7型強(qiáng)酸性氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂對(duì)厭氧消化出水的處理效果最佳。當(dāng)濕樹(shù)脂與厭氧消化出水的體積比為1∶35左右時(shí)，可將堿度為3 000 mg CaCO3/L的厭氧消化出水的pH降至6.0左右，陽(yáng)離子的去除率達(dá)到了75%。另外該樹(shù)脂具有較好的再生效果。經(jīng)離子交換處理后的厭氧消化出水與去離子水配料的酒精產(chǎn)量沒(méi)有區(qū)別，說(shuō)明離子交換減弱了厭氧消化出水對(duì)酒精發(fā)酵的抑制作用。

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