[发明专利]综合利用玉米芯等农林废弃物生产多元糖醇及木质素的工艺

摘要

综合利用玉米芯等农林废弃物生产多元糖醇及木质素的工艺属于生物化工领域，特别涉及一种综合利用玉米芯等农林废弃物原料，生产多元糖醇及木质素化合物的新工艺。本工艺通过对原料进行化学或生物法进行预处理后，采用高温蒸煮或蒸汽爆破的方式生产出木糖水解液，进而生产木糖产品，或者生物法生产木糖醇产品，同时充分利用原料中含有的纤维素和木质素成分，开发和生产出相应产品的工艺技术。

主权项

综合利用玉米芯农林废弃物生产多元糖醇及木质素的工艺，其特征在于，包括以下步骤：1).粉碎至10目以下的农林废弃物采用稀酸浸泡的方式进行预处理，或者采用白腐菌或褐腐菌通过降解生物质中木质素的方式进行生物法预处理；上述的浸泡方式所使用的浸泡液为稀硫酸、稀盐酸或者稀草酸中的一种，稀酸的质量分数为0.1‑0.5%，浸泡温度为30~100°C，浸泡时间为6~24h；浸泡处理完成后，将玉米芯抽滤并冲洗至pH大于5；将湿度控制在50%~80%的玉米芯中接入预先培养好的白腐菌或褐腐菌种子液，接种量为0.5ml/g玉米芯干重，固态发酵培养温度为28℃，预处理时间为14~40天；以下固液比没有特别说明,固体均以干重计；2).预处理后的玉米芯原料经过清洗，采用高温蒸煮或者蒸汽爆破的方式进行半纤维素的水解；每种方式按水解的剧烈程度又具体分为A、B两种反应条件，高温蒸煮A:固液比为1:5~20，蒸煮温度为120~150℃，蒸煮时间为0.5~2h，搅拌转速为80‑150rpm，水解完成后得到蒸煮混合物A；高温蒸煮B:固液比为1:5~20，蒸煮温度为150~180℃，蒸煮时间为0.5~2h，搅拌转速为80‑150rpm，水解完成后得到蒸煮混合物B；蒸汽爆破A:蒸汽压力为1~2MPa，维持压力时间为2~8min；蒸汽爆破B:蒸汽压力为0.5~1MPa，维持压力时间为2~8min；3）．2）中蒸汽爆破得到的固体以固液比例为1g:1~5ml，水提温度20℃~70℃，搅拌转速为50~100rpm，分三次水提，合并得到固液混合物，按照蒸汽爆破A、B两种方式，不同分别记为固液混合物A、固液混合物B；4).采取固态发酵的方法生产富含木聚糖酶系的酶液，产木聚糖酶的菌株为黑曲霉、绿色木霉、里氏木霉中的一种；其中黑曲霉种子培养基采用查氏培养基，培养温度30℃，振荡转速100‑150rpm，培养时间72h，接入玉米芯固体培养基进行固态发酵产酶，其中固态培养基以玉米芯为碳源20%~30%，尿素为氮源0.5%~2%，KH2PO40.1%，其余为水，调节初始pH=5.0，接种量为0.05ml/g玉米芯干重，培养3‑5天后，采用pH=5.0的乙酸‑乙酸钠缓冲液浸润固态发酵体系，50℃振荡提取，过滤提得酶液；5）．以2）中蒸煮混合物B或者3）中固液混合物B为底物，采用4）中的自制酶液进行酶解，酶解条件如下，酶液与底物的体积比为1:50~100， 酶解反应初始pH=5.0，酶解温度为45~50℃，搅拌转速为30‑60rpm，酶解时间为8‑10h,得到固液混合物1；6）.5）中固液混合物1经过抽滤后，得到固体1和木糖液1；2）中蒸煮混合物A过滤后得到木糖液2和固体2；3）中固液混合物A过滤后得到木糖液3和固体3；7）.合并6）中3种木糖液用于纯化浓缩结晶制备木糖晶体；木糖液纯化采用活性炭脱色、离子交换树脂脱盐、膜过滤的两种或者三种；木糖液浓缩过程中，采用浓缩罐和旋转薄膜蒸发器二级浓缩，第一次在浓缩罐中减压条件下脱水至木糖浓度20%以上时送入旋转薄膜蒸发器中第二次脱水至木糖浓度80%以上直接进入结晶罐中结晶；结晶过程中，将浓缩到80%~85%的糖膏投入结晶机后加入糖膏中1%的无水乙醇，使无水乙醇夺取一定量的水分而使糖膏达到过饱和，搅拌转速为3~4rpm，以每小时1℃的降温速率降至40~45℃，加入1%木糖粉末作为晶种，每小时2~3℃继续降温至10℃，离心，晶体真空干燥；8）.合并6）中3种木糖液用于生物法制备木糖醇，采用热带假丝酵母Candida tropicalis As2.1776，按照菌种活化、扩大培养、发酵产醇流程顺序进行；得到的木糖醇发酵液经过滤后按顺序先采用超滤膜选择性的截留分子量在1~5kDa的大分子色素和蛋白质，再用阴阳离子交换树脂结合大孔吸附树脂脱色和脱盐；再应用NF‑270进行纳滤浓缩，纳滤浓缩时的温度范围是30～50℃，操作压强为3～5Mpa，最后采用梯度程序降温的方式结晶产木糖醇，采取初始温度为60~75℃，终止温度为25~35℃，降温采取每小时1.0~2.0℃的方式，在45~50℃时加入固含量质量分数为0.1%的商品木糖醇和作为晶种，并在终止温度下养晶14~22h，过滤得到晶体真空干燥；9）.合并6）中得到的三种固体进行碱液脱木素或采用乙醇抽提木质素的方式进行处理制得木质素，具体条件如下，碱液抽提：氢氧化钠的质量浓度为0.1%~0.5%，处理温度为80~100℃，处理时间为1~2h，过滤后得到纤维素残渣和木质素液，木质素液加入盐酸调节pH至5~6,木质素开始析出，继续加入盐酸至木质素析出完全,最后经分离干燥得到木质素；乙醇抽提：配制30~90%体积浓度的乙醇溶液，固体1与乙醇溶液的固液比例为1g:5~15ml，反应温度为180℃~240℃，反应时间为3~7小时，自然降温至50℃，过滤分离纤维素残渣和木质素液；以乙醇溶液洗涤固体残渣，收集洗涤液和木质素液，木质素液中加入蒸馏水，木质素自动析出，再次过滤收集木质素，室温 下真空干燥；以上两种抽提方式获得的纤维素残渣用水洗至中性；10）.9）处理后得到纤维素残渣，加入纤维素酶酶液，体积质量比例为3~5L:1Kg，酶液的酶活浓度为1000U/L，调节pH为4.5~5.5，酶解温度为50℃，搅拌转速为30~80rpm，酶解10~20h后获得葡萄糖液；11）.10）中葡萄糖液通过生物法制备多元醇；以产酸克雷伯氏菌Klebsiella oxytocaZU‑03作为发酵菌株，发酵体系组成如下：纤维素酶解液葡萄糖浓度80，玉米浆60，K2HPO4 8，MgSO4·7H20 3，FeSO4 1，CaCO3 3，初始pH是6.0~6.5，发酵54~68h得到2‑3丁二醇。