氫型陽離子交換樹脂在酒精-沼氣雙發酵耦聯工藝中的應用*

王柯，張建華，毛忠貴

1(江南大學，工業生物技術教育部重點實驗室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫，214122)

在傳統的木薯酒精生產過程(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，運行成本高，浪費水資源，難以達標等缺陷［1］。為此，我們提出木薯酒精-沼氣雙發酵耦聯工藝來解決酒糟的處理問題(圖1b)［2-3］。在該工藝中，酒糟經厭氧消化處理和資源化處理后，回用于酒精發酵過程，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，且具有較強的緩沖能力(即較高的堿度)，將其回用配料時，需要添加H2SO4調節料液的pH至6.0(液化酶的最適pH)。這就向酒精發酵培養基及后續的酒糟中引入了。雖然酒糟經厭氧消化處理時，硫酸鹽的濃度不足以影響反應器的運行，但是硫酸鹽還原產生的硫化氫會存在于沼氣中，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業化應用。為了解決這一問題，最有效的辦法就是降低厭氧消化出水的堿度。

在耦聯工藝中，HCO3-形成的堿度構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。根據溶液正負電荷平衡原理，厭氧消化出水中必然存在與HCO3-所帶電荷數相等的陽離子與之結合。因此可以采用氫型陽離子交換樹脂(一種常用的固體酸［6-8］)來處理厭氧消化出水。在該過程中，樹脂上的H+與厭氧消化出水中的陽離子交換后，可與HCO3-結合形成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，我們對樹脂類型進行了篩選，并研究了其對厭氧消化出水性質和酒精發酵的影響。

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，河南天冠企業集團有限公司;樹脂，南開樹脂廠，產品型號及特征見表1。其他試劑均為分析純或優級純市售商品。

1.2 方法

1.2.1 酒精發酵種子培養

種子培養基(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。培養條件:搖床培養，200 r/min，30 ℃，18 h。

1.2.2 液化液制備與發酵

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調節至6.0，加入耐高溫α-淀粉酶(10 IU/g木薯粉，無錫杰能科有限公司)。加熱料液至95℃，維持1 h。降溫至室溫，添加去離子水以彌補液化過程水分的損失。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，無錫杰能科有限公司)、種子培養基(體積分數10%)和尿素(0.5 g/L)啟動酒精發酵。發酵在30℃培養箱中靜置進行，發酵時間為48 h。

圖1 傳統木薯酒精生產工藝(a)與木薯酒精-沼氣雙發酵耦聯工藝(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 實驗中使用的樹脂種類及特性aTable 1 Type and characteristics of resins used in experimenta

1.2.3 分析方法

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

2 結果與討論

2.1 樹脂選型

對于酒精-沼氣雙發酵耦聯工藝，要求選用的氫型陽離子交換樹脂具有較大的交換容量和交換速率，而對其酸性的強弱沒有要求，此外還要求成本盡可能低。因此，實驗中選擇了最為常見的5種氫型陽離子交換樹脂進行研究(如表1所示)。其中3種為強酸型離子交換樹脂，2種為弱酸型離子交換樹脂。依照國標方法測定了5種樹脂的基本參數，如表2所示。

表2 五種氫型陽離子交換樹脂基本參數Table 2 Basic parameters of fivehydrogen cation exchange resins

從表2可以發現，001×7與002×7兩種強酸性氫型陽離子交換樹脂的性能基本相同，因此選擇001×7作為兩者的代表進行后續研究。D072強酸性樹脂的交換容量略低些，且價格較高，考慮到成本問題實驗中沒有選用。在兩種弱酸性樹脂中，D113的交換容量較D151大，且其轉型膨脹率較D151低，機械承受力較強，因此后續實驗中選用D113進行研究。

如果僅從交換容量的角度考慮，應該選擇弱酸型離子交換樹脂D113。但在實際應用中，堿度的去除速率也是一個很重要的因素。為了比較001×7和D113兩種樹脂的交換速率，分別用2種樹脂處理堿度為4 000 mg CaCO3/L的NaHCO3溶液(樹脂與溶液體積比為1∶50)，結果如圖2所示。采用001×7去除堿度時，溶液堿度在3 min后達到平衡。處理終點的pH和堿度分別為6.54和2 190 mg CaCO3/L。采用D151時，溶液堿度在4 min后達到平衡，處理終點的pH和堿度分別為6.59和2 210 mg CaCO3/L。樹脂對堿度的去除均十分迅速。實驗中D151樹脂在處理速率及交換容量上與預期不同，一是D151的處理速率與001×7的速率比較接近，并沒有體現出明顯的差異;二是在較短的處理時間內(20 min)，弱酸型樹脂在交換容量方面的優勢并未體現出來。因為強酸型樹脂與弱酸型樹脂在交換速率和交換容量上均未表現出明顯差異，所以對于樹脂類型的選擇主要取決于成本因素(表1)。從價格上看，強酸型陽離子交換樹脂具有很大的優勢，即使以交換容量為基礎考慮，強酸型陽離子交換樹脂也具備較大的優勢。因此，選擇001×7型的樹脂作為研究對象。

2.2 樹脂使用量的確定

圖2 強酸性(a，001×7)型樹脂和弱酸性樹脂(b，D113)對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)

酒精生產過程產生的廢水量極大，采用樹脂對處理厭氧消化出水時必須考慮成本問題。樹脂使用量與處理成本之間密切相關。根據理論計算，每克001×7樹脂可以處理堿度為3 000 mg CaCO3/L的厭氧廢水30 mL。對此通過實驗進行了驗證。實驗中樹脂用量為5 mL，溶液中NaHCO3的濃度為5 g/L，相當于堿度2 976 mg CaCO3/L。實驗結果表明(圖3)，每體積的001×7的樹脂可以處理30倍以上的厭氧消化出水，與理論計算值接近。樹脂處理厭氧消化出水時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，對于堿度為3 000 mg CaCO3/L的厭氧消化出水，濕樹脂與厭氧沼液的體積比約為1∶35。

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

2.3 樹脂的再生效果

離子交換樹脂再生性能直接影響實際生產中樹脂的使用量。因此考察了再生次數與樹脂交換容量之間的關系。為了更加符合實際情況，采用厭氧消化出水作為實驗對象。隨著再生次數的增加，樹脂的交換容量沒有受到太大影響。在再生10次后，強酸型離子交換樹脂的交換容量為1.76 mmol/mL濕樹脂，比最初的交換容量僅(1.91 mmol/mL濕樹脂)下降了約7.9%(圖4)。實驗中發現，樹脂對于廢水中的色素具有一定的吸附能力。單位體積的樹脂可以吸附20倍體積的厭氧消化出水中的色素，但色素對交換容量沒有明顯影響。

圖4 再生次數對樹脂交換容量的影響Fig.4 Effect of regeneration times on exchange capacity of resin

2.4 離子交換對厭氧消化出水水質影響

根據上述實驗確定的使用量，利用001×7強酸型樹脂處理厭氧消化出水?？疾祀x子交換對厭氧消化出水水質的影響，對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行衡算，分析離子交換過程變化情況。由于溶液中正負電荷平衡，厭氧消化出水中存在與HCO3-所帶電荷數相等的陽離子與之結合，因此去除HCO3-的同時也有等電荷的陽離子被去除。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，堿度所帶的負電荷量減少了54.72 mmol/L，去除的各陽離子所帶正電荷之和為53.27 mmol/L，兩者基本相當，其中對酒精產率有負面影響的氨氮的去除率達到了82%。

表3 離子交換處理對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 離子交換對酒精發酵的改善

將離子交換處理后的厭氧消化出水回用于酒精發酵，并以去離子水和厭氧消化出水作為對照。實驗過程測定配料及液化后醪液的pH，記錄配料及液化過程中加酸量。

表4 不同配料水配制酒精發酵培養基過程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pH至6.0左右，液化后pH均調至5.0左右。液化酶和糖化酶作用的最適pH有差異，而液化過程醪液的pH變化不大，為了滿足液化和糖化過程的最適pH，液化后仍不可避免需要加入H2SO4調節醪液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調低pH，但可避免液化過程中調酸加入，且糖化時調酸加入的量也較處理前的厭氧消化出水少很多，與去離子水發酵過程加入H2SO4量相近?？梢?，經離子交換處理后的厭氧消化出水用來配料進行酒精發酵時，可以減少H2SO4的加入量。圖5所示為不同水樣配料進行酒精發酵的酒精產量，結果顯示厭氧消化出水原水發酵酒精產量較去離子水低約0.4%(v/v)，而經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量沒有區別，說明離子交換消除了厭氧消化出水對酒精發酵的抑制作用。前期研究表明，厭氧消化出水中高濃度氨氮可降低酒精發酵過程酒精產量［10］，而001×7強酸型陽離子交換樹脂對厭氧消化出水中氨的去除率達到了82%，所以可有效消除厭氧消化出水對酒精發酵的抑制，同時也降低了脫氨成本。

3 結論

圖5 不同配料水對酒精產量的影響Fig.5 Effect of different process water on ethanol production

在酒精-沼氣雙發酵耦聯工藝中，厭氧消化出水具有較高的堿度，當其回用配料時，需要添加H2SO4以調節料液的pH至6.0(液化酶的最適pH)，硫酸鹽的引入會對耦聯工藝產生負面影響。本文采用了氫型陽離子交換樹脂處理厭氧消化出水，以降低其堿度，從而減少耦聯工藝中H2SO4的使用。對最為常見的5種氫型陽離子交換樹脂進行研究，發現001×7型強酸性氫型陽離子交換樹脂對厭氧消化出水的處理效果最佳。當濕樹脂與厭氧消化出水的體積比為1∶35左右時，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，陽離子的去除率達到了75%。另外該樹脂具有較好的再生效果。經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量沒有區別，說明離子交換減弱了厭氧消化出水對酒精發酵的抑制作用。

［1］ Saha N K，Balakrishnan M，Batra V S.Improving industrial water use:case study for an Indian distillery［J］.Resources，Conservation and Recycling，2005，43(2):163-174.

［2］ ZHANG C M，MAO Z G，WANG X，et al.Effective ethanol production by reutilizing waste distillage anaerobic digestion effluent in an integrated fermentation process coupled with both ethanol and methane fermentations［J］.Bioprocess and Biosystems Engineering，2010，33(9):1 067-1 075.

［3］ ZHANG Q H，LU X，TANG L，et al.A novel full recycling process through two-stage anaerobic treatment of distillery wastewater for bioethanol production from cassava［J］.Journal of Hazardous Materials，2010，179(1):635-641.

［4］ 王剛，王欣，劉偉，等.沼氣脫硫技術研究［J］.化學工程師，2008，22(1):32-33，44.

［5］ Speece R E.Anaerobic biotechnology for industrial wastewaters［M］.Tennessee:Vanderbilt University，Archae Press，1996.

［6］ Tanabe K，Holderich W F.Industrial application of solid acid-base catalysts［J］.Applied Catalysis a-General，1999，181(2):399-434.

［7］ Harmer M A，SUN Q.Solid acid catalysis using ion-exchange resins［J］.Applied Catalysis a-General，2001，221(1-2):45-62.

［8］ Okuhara T.Water-tolerant solid acid catalysts［J］.Chemical Reviews，2002，102(10):3 641-3 665.

［9］ Eaton A，Clesceri L，Greenberg A.Standard Methods for the examination of water and wastewater［M］.New York:A-merican Public Health Association，1995.

［10］ WANG K，ZHANG J-H，LIU P，et al.Suitability of anaerobic digestion effluent as process water for corn fuel ethanol fermentation［J］.Water Science and Technology，2014，69(9):1 894-1 899.