專利名稱：利用玉米芯或農(nóng)林廢棄物制備木糖醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)木糖醇的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一 種利用玉米芯或農(nóng)林廢棄物發(fā)酵來生產(chǎn)木糖醇以及乙醇的方法。
背景技術(shù)：
木糖醇屬于多元醇，是一種具有營養(yǎng)價值的甜味物質(zhì)，分子式為C5H1205,白色晶體，易溶于水及乙醇中，其甜度高于蔗糖，也是人 體糖類代謝的正常中間體。木糖醇廣泛地存在于自然界的各種水果、 蔬菜中，但其含量很低。商品木糖醇發(fā)熱量、甜度跟蔗糖相仿，食用后不消耗胰島素，另具有特殊的防齲功能，可作糖尿病人的營養(yǎng)劑、 治療劑及兒童防齲食品，木糖醇還具備類似甘油和其他多元醇的許多 優(yōu)異特性，因而廣泛用于國防、醫(yī)藥、化工、皮革、涂料及食品等行 業(yè)。傳統(tǒng)生產(chǎn)木糖醇的方法是用富含多縮戊糖的棉子殼、甘蔗渣、樺 木片等農(nóng)林和工業(yè)廢料經(jīng)水解、氫化而制成木糖醇。由于化學法需純 凈木糖、高溫(115-135-C)、高壓(約6,5xl06Pa)、易燃易爆的高壓 氫氣及對溶液純度要求很高的鎳催化劑，基本建設(shè)投資及操作費用 高，污染較嚴重。自從1966年Onishi和Suzuki報道了許多酵母菌能 夠用于由D-木糖生產(chǎn)木糖醇以來，人們對玉米特別是玉米芯或秸稈 發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的研究產(chǎn)生了極大的興趣。我國是農(nóng)業(yè)大國，玉米分布區(qū)域非常廣，南到海南島、北至黑龍 江，東至臺灣，西至新疆，均有玉米種植，玉米年產(chǎn)量達1.23億噸， 按谷草比l:l計算，玉米秸稈每年也約產(chǎn)1.23億噸，全國總的秸稈 量每年約在6 7億呻。玉米秸稈是大宗的農(nóng)作物廢料，也是具有巨大 潛力的再生資源，尤其是作為再生能源和化工產(chǎn)品的原材料受到廣泛的重視，但目前除一部分用作反芻動物的飼料外，大部分未被利用。 因此，將玉米或其秸桿或其它農(nóng)林廢棄物，優(yōu)選玉米芯用于生產(chǎn)木糖 醇具有重大的意義和廣闊的前景。專利文獻CN 1446784A公開了一種用玉米苞葉生產(chǎn)木糖醇的方 法，其通過利用玉米苞葉進行水解制取木糖，木糖再經(jīng)處理進行氫化 制取木糖醇，水解所用的催化劑為鹽酸，該方法依序包括以下歩驟 (l)將玉米苞葉進行粉碎，并在粉碎前后將其中的雜質(zhì)除去；(2)將粉 碎后的玉米蒼葉進水-酸-水處理；(3)將處理過的玉米苞葉進行水解 制取木糖，所用的催化劑為鹽酸；(4)利用陰離子交換樹脂除去木糖液 中的酸；(5)利用活性炭去除木糖溶液中的色素及一部分含氮物質(zhì)；(6) 蒸發(fā)去除木糖液中的水份;(7)用離子樹脂對蒸發(fā)后的木糖進行凈化提 純；(8)木糖氫化制取木糖醇。木糖氫化制備木糖醇的反應(yīng)式為0 HII IC—H H—C—OH1 I H—C一OH H—C一OHi 催化劑 I HO — C一H +H2 -* HO—C — HI i H—C—OH H—C一OHI I H—C一OH H—C一OH這種采用木糖加氫生產(chǎn)木糖醇的方法，生產(chǎn)成本昂貴，且其中使 用的鎳催化劑會污染環(huán)境。另一種方法是采用生物發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的方法，在整個發(fā)酵法生 產(chǎn)木糖醇的工藝中，發(fā)酵半纖維素水解液生產(chǎn)木糖醇的影響因素主 要包括:通氣量、碳氮比、水解液的濃縮倍數(shù)、pH、溫度、種子齡及 接種量、水解液中的其它單糖等。其中，溶氧水平可以影響木糖代謝 中的生化途徑。過量供氧利于生長大量菌體；厭氧條件下，木糖不能被利用；只有在微好氧條件下才能大量積累木糖醇。另外，木糖醇的 溶解性質(zhì)決定了結(jié)晶過程是最復(fù)雜、最難控制的；同時，發(fā)酵液中較 低的木糖醇濃度以及復(fù)雜的物質(zhì)組成又進一步加大了操作難度。發(fā)酵 玉米芯或秸稈法生產(chǎn)木糖醇時，由于釆用的原料含有一定量的棕色色 素；而且，酵母在發(fā)酵過程中也會產(chǎn)生少量色素、雜蛋白質(zhì)以及其它 化合物，從而降低了產(chǎn)品的回收率及純度。因此，發(fā)酵液的脫色與純 化是結(jié)晶前的重要任務(wù)。目前的工藝采用活性炭、離子交換樹脂等對 木糖醇發(fā)酵液進行了脫色及純化，但都仍然存在木糖醇回收率不高的 問題。發(fā)明內(nèi)容為克服目前木糖醇制備方法中存在的上述問題，本發(fā)明的目的是 提供一種利用玉米芯(秸稈等農(nóng)林廢棄物)發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇的方法。 該方法高效地利用玉米芯或秸稈等農(nóng)林廢棄物來生產(chǎn)木糖醇并聯(lián)產(chǎn) 乙醇，充分利用了玉米芯或秸稈等農(nóng)林廢棄物中的各種成分。本發(fā)明的秸稈發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的方法包括以下步驟(1) 對玉米芯或農(nóng)林廢棄物進行預(yù)處理；(2) 對(l)得到的固體進行稀酸處理；(3) 對(2)處理過的組分進行固液分離；(4) 過濾由步驟(3)所獲得的液體成分；(5) 進行脫色、過濾、電驅(qū)動膜脫酸以及RO濃縮；(6) 將步驟(5)獲得的木糖液進行發(fā)酵來獲得木糖醇；還可以進一步包括以下步驟(7) 發(fā)酵液除菌、濃縮；(8) 將步驟(7)獲得的含木糖醇液進行色譜分離；(9) 將步驟(8)獲得的木糖醇液脫色、脫灰、濃縮、結(jié)晶、分離、烘 干，得到固體成品木糖醇，結(jié)晶母液返回(8)。其中所述的農(nóng)林廢棄物可以是玉米秸稈、小麥秸稈、高梁秸稈、 棉子殼、甘蔗渣、樺木片等，其中優(yōu)選為玉米秸稈。作物秸稈主要由植物細胞壁組成，主要成分是纖維素、半纖維素、 木質(zhì)素及粗蛋白和水等，其中兩種主要糖源是半纖維素和纖維素。半纖維素占秸稈總重量的20%~25%，而纖維素占秸稈總重量的35%~ 40%。纖維素結(jié)構(gòu)單元是由p-D -葡萄糖基卩-1,4-糖苷鍵聯(lián)結(jié)而 成的線性葡萄糖高分子聚合物，每個纖維分子由800_ 1200個葡萄糖 分子組成，由于其結(jié)晶結(jié)構(gòu)，很難被降解。半纖維素主要是木糖，以 及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖等組成的復(fù)雜分子聚合物，半纖維 素較易酸水解為單糖。而木質(zhì)素是以苯丙烷及其衍生物為基本單位構(gòu) 成的高分子芳香族化合物，是一種酚類聚合物，起膠質(zhì)的作用，將纖 維素和半纖維素連接在一起。因此，如果要獲得足以工業(yè)化發(fā)酵獲取 糖醇的木糖，首先要對原料進行處理，以獲得發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的糖源。在本發(fā)明的方法中，對玉米芯或秸稈進行了預(yù)處理和酸處理，包 括將聚合物半纖維素轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵性糖，并去除不可發(fā)酵性物質(zhì)-膠 質(zhì)、色素和大部分灰份，預(yù)處理的方法可包括機械清理、去鐵、水 洗、水煮、稀酸煮如HC1或0.05-0.2。/。濃度的H2S04等。本發(fā)明可采用一定濃度例如0.5_2%優(yōu)選0.8%濃度的稀硫酸在 95 125。C下處理秸桿或玉米芯，使其中的半纖維素水解成含有木糖、 阿拉伯糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖等的混合糖液。稀硫酸處理后， 剩下的固體中主要含有纖維素和木質(zhì)素，秸稈或玉米芯的結(jié)構(gòu)被破 壞，可以大大提高纖維素的水解性。在本發(fā)明的方法中，將預(yù)處理過的玉米芯或秸稈優(yōu)選玉米芯進行 水解制取木糖，在進行水解時，把預(yù)處理過的玉米芯或秸桿優(yōu)選玉米 芯放在水解罐內(nèi)，加入4-10倍重量的0.5-2%硫酸，用蒸汽加熱，當 溫度達95 125。C時保溫攪拌水解1 ~3h,水解結(jié)束，水解液降溫至 5(TC以下，過濾。水解時的溫度優(yōu)選95 125。C溫度，ll(TC為最佳溫 度；時間為1 3小時；催化劑為HC1或H2S04優(yōu)選為硫酸(H2S04),壓 力為常壓或0.2mpa。水解原理是玉米芯或秸稈中含有具有下述結(jié)構(gòu)式的多縮戊糖<formula>formula see original document page 8</formula>上式可視為一個環(huán)戊糖分子的半縮醒基與另一環(huán)戊糖分子的四 個碳原子上的羥基經(jīng)脫水縮合而成的多聚物，即半纖維素，多縮戊糖 不溶于水也沒有甜味，在有酸的水溶液中加熱會溶解進一步水解，即 在催化劑的作用下，加水分解成為很多單個分子的戊糖即木糖，其反應(yīng)式如下(C5H804) n+nH20催化劑<formula>formula see original document page 8</formula>根據(jù)本發(fā)明的方法，生成的液體水解液總糖濃度為4.5%~7%，水 解結(jié)東，將液體從排液管中排出，然后打開水解罐底閥，將水解渣排 入一級螺旋擠干機中，進行固液分離、液體收集，匯集到從排液管排 出的原糖液中；固體通過攪籠(攪籠上部噴從三級攪籠來的洗液)， 輸送到二級螺旋擠干機中進行固液分離，固體進入三級螺旋擠干機， 液體去下批酸解作為配酸水。三級固體分離的洗水為程水，如蒸發(fā)冷 凝水或自來水，三級擠干得到的固體渣，即為木糖渣，去調(diào)漿，酶解， 生產(chǎn)葡萄糖發(fā)酵乙醇。然后將分離獲得的木糖液，按液體體積加入0.2-0.4%粉末活性 炭，在75 80。c的條件下，保溫30min。經(jīng)過板框架過濾濾去活性碳顆 粒，糖液再經(jīng)過0.2)um的精密液體過濾器過濾。糖液得到進一步的澄 清。脫色進入電驅(qū)動膜分離器脫酸。將電驅(qū)動膜分離器多臺串聯(lián)，物 料從第一臺進，最后一臺出；濃水從最后一臺進，第一臺出。糖液的 電導率由初始的30000 34000ias/cm，降至IOOO jj s/cm以下，操作條件常溫、常壓。脫酸后所獲得的糖液，進入RO膜濃縮，濃縮后的 濃度為15~20%。濃縮膜為有機膜，操作壓力為3.3 3.8Mpa。200710063303.8說明書第6/14頁下表l為玉米芯酸解后的主要成分含量。表l玉米芯酸解糖液的主要成分含量成分_含量(占溶液的體積重量比)DNS總糖 6%葡萄糖 0.23%木糖 5.02%阿拉伯糖 0.71%有機酸 0.32%無機酸 0.9%總干物 7.44%對玉米芯的酸解液經(jīng)固液分離、脫色過濾、電驅(qū)動膜分離器脫酸 以及RO膜濃縮后的液相進行HPLC測定，測得水解液含有木糖、葡萄 糖、阿拉伯糖,它們占總還原糖的質(zhì)量分數(shù)分別為83%, 3.8%和11.8%。種子發(fā)酵將以上經(jīng)RO膜濃縮的木糖溶液，補入適量的玉米葡 萄糖漿，加入適量的營養(yǎng)鹽和營養(yǎng)物，在11(TC的條件下，滅菌5min。待種子罐糖液溫度降至3rc時，接入種子，維持3rc,按種子發(fā)酵液體積凈化空氣量=1: 0.5的通風量，進行通風培養(yǎng)24 36小時，當酵 母密度達到4 5億/ml時，種子發(fā)酵即結(jié)束。本發(fā)明的木糖醇發(fā)酵可釆 用單一菌種或混合發(fā)酵?？捎糜诒景l(fā)明發(fā)酵木糖液方法的微生物可以 是所有能將木糖轉(zhuǎn)化成木糖醇的微生物，包括細菌，如五^era^"er 丄/々wfle/flde"51 ， Af"ba"e肌/w 5Tnegmfl".s ，棒狀桿菌(Co/^me^cteram 平)等種屬；絲狀真菌，如青霉、曲霉、根霉、膠桿菌、5"wc/^m"、 漆斑紅菌或A^"ra^wmsp; ;酵母菌，如具有較為優(yōu)越的轉(zhuǎn)化木糖生產(chǎn) 木糖醇的性能的假絲酵母(Cflm/Wfl)，畢氏酵母(尸Zc/H'fl) , 。" 屬酵母的轉(zhuǎn)化能力最強的，優(yōu)選如C.gM/仏^AnoA^//, C. fra/ Zcafo, C. mogZ/, C.戶mw7o&。其它轉(zhuǎn)化能力較強的酵母為① Z)ebaryowyces屬，如_0. /mwew";② jPac—o/ew屬,如R toAmo盧7id④Sc/i;yzasacc/ia!ram;yces屬。本發(fā)明優(yōu)選使用假絲酵母菌單一菌種發(fā)酵，特別是熱帶假絲酵母。木糖醇發(fā)酵將RO膜濃縮后的木糖液泵入發(fā)酵罐內(nèi)，加入必需 的營養(yǎng)鹽和營養(yǎng)物，用NaOH將培養(yǎng)基的PH調(diào)到5.8 6.0,用蒸汽將糖 液加熱到121T:,維持25分鐘滅菌，得冷卻至31。C,接入種子罐中的 種子，按每立方米發(fā)酵液每分鐘通往0.5立方米的無菌空氣，進行酵 母增殖培養(yǎng)，經(jīng)過約8 12小時的通風培養(yǎng)，當酵母數(shù)達到4 5億/ml 后，將風量降到0.1立方米/分鐘.M3發(fā)酵液，經(jīng)過48~60小時的通風培 養(yǎng)，待發(fā)酵液中木糖含量降到0.3%以下時，發(fā)酵結(jié)東。進入發(fā)酵的總糖濃度為15~20%，其中木糖濃度為12.5-16.7%, 通過前期的通風培養(yǎng)，總糖中的絕大部分葡萄糖作為酵母生長。發(fā)酵 結(jié)東，發(fā)酵液中主要含有木糧醇以及少量阿拉伯糖，甘露、木糖和葡 萄糖等雜糖。在本發(fā)明的木糖轉(zhuǎn)化木糖醇發(fā)酵中，可采用熱帶假絲酵母發(fā)酵， 將木糖生物轉(zhuǎn)化來生產(chǎn)木糖醇，其反應(yīng)式如下<formula>formula see original document page 10</formula>本發(fā)明優(yōu)選釆用熱帶假絲酵母進行高密度發(fā)酵，發(fā)酵液在經(jīng)膜分 離后獲得木糖醇溶液與酵母飼料。發(fā)酵液經(jīng)過板式膜或陶瓷膜、金屬膜，膜孔徑為通過分子量3 5萬。過濾壓為2 3Kg/cm2，溫度30 4(TC的條件下，進行錯流過濾分離，透過液為粗木糖醇溶液，而酵母被膜截留。隨著原液中的木糖醇總量的減少，酵母的濃度越來越高，為將木糖醇與酵母的徹底分離，再向濃縮了的發(fā)酵中加入一定量的水，使 木糖醇和水進一步透過膜，進入透過液中。所用膜可以是板式膜，或是金屬膜，也可以是陶瓷膜。其中將獲得的木糖醇溶液，其木糖醇濃度為9 12.5呢(W/V),與 結(jié)晶母液起混合進入色譜分離系統(tǒng)，進行木糖醇與雜糖雜質(zhì)的分離， 以提高木糖醇的純度。色譜分離的條件進料木糖醇濃度12~15%( W/V)，流動相為水， 溫度為6(TC。所用樹脂肪酸為陽離子型。色譜分離收集的木糖醇細分 去下一工序，雜糖細分去濃縮，烘干作為飼料或出售生產(chǎn)焦糖色素， 雜質(zhì)細分去廢水處理。色譜分離收集的木糖醇組分，經(jīng)粉末活性碳脫色，離子交換樹脂 脫鹽，濃縮、結(jié)晶、分離、烘干得到合格的木糖的產(chǎn)品。母液返回色 譜分離系統(tǒng)。粉碳脫色在75 8(TC條件下，加入糖和糖醇專用粉碳，加量為每 立方米液體加入3 5Kg,在攪拌的情況下保溫30分鐘。離子交換脫鹽交換樹脂為強酸性強陽離子交換樹指和弱堿性陰 離子交換樹脂，樹脂柱徑高比為1:3 5,樹脂柱材質(zhì)為坡璃鋼或碳鋼 襯膠，進料量為每小時1~2個柱體積。工作溫度S(TC。出料電導率 S5us/cm。濃縮用板式蒸發(fā)器或列管蒸發(fā)器，四效，真空度0.9 0.5Mpa, 最高溫度為85。C,濃縮出料時含固量為90%。結(jié)晶將濃縮好的物料，放入立式或臥式結(jié)晶罐中，降溫至 58~60°C，使整個物料溫度均勻一致時，按糖液總重量的10%加入木 糖醇晶種，養(yǎng)晶10 12小時后，開始降溫，降溫速度為0.7X:/1小時， 當溫度降到30 32'C時，結(jié)晶結(jié)東。降溫用水為自來水或冰水，要求 水與物料溫度差S5°C 。結(jié)晶罐中攪拌轉(zhuǎn)速8~10轉(zhuǎn)/小時。分離結(jié)晶結(jié)束，將糖膏放入分離離心機中，離心為上懸式全自動分離離心機，加入糖膏前，離心機用0 8(TC熱水或干凈蒸汽對離心 機進行預(yù)熱。按離心機的額定負荷加入糖膏后，將離心轉(zhuǎn)速慢慢高至 3000轉(zhuǎn)/分鐘，維持10分鐘，再將轉(zhuǎn)速降到1250轉(zhuǎn)/分鐘，打開自動洗 水閥3 5秒，再將轉(zhuǎn)速升高至3000轉(zhuǎn)/分鐘，如此反復(fù)三次。離心結(jié)束， 放出晶體。烘干晶體采用烘干機、流化床、氣流或真空固定盤式烘干，烘 干溫度不高于6(TC。干燥失重含量^).5%時，即烘干結(jié)東。烘干結(jié)東， 檢驗合格，得到成品。成品為白色結(jié)晶和晶狀粉末，味甜，無異味。木糖醇從發(fā)酵液到成品，總收率為75 -80%。另外，如圖l所示，在本發(fā)明方法的快速固液分離中獲得的固相 成分用水進行洗滌三級螺旋擠干串聯(lián)，中間用攪籠輸送濾渣，并在攪 籠上加水噴淋裝置，洗水從量后一級攪籠加入，在最后一級螺旋擠干 機收集，泵入第二級攪籠，從第二級螺旋擠干機收集洗水，該洗水中 含有1~2%的總糖，該洗水去酸解配酸。而第一級螺旋擠干機出來的 液相即為木糖液。在本發(fā)明方法中，最后一級攪籠所用的水可以是經(jīng) 前述RO濃縮所回收獲得的水，如此反重復(fù)使用，可大大降低預(yù)處理 的成本，也使終端產(chǎn)品的生產(chǎn)成本進一步降低。然后對獲得的木糖渣 調(diào)漿進行酶解將木糖渣調(diào)漿，調(diào)漿濃度為10~12%,用稀NaOH調(diào)整為 4.8~5.0。溫度50。C的條件下，按纖維重量計，纖維素酶和纖維素二糖 酶加量30FPIU纖維素酶活/g絕干纖維素，15IU纖維二糖酶/克絕干 纖維素。酶解時間40-50小時，纖維酶解生成葡萄糖的收率為90%。 所用設(shè)備為帶攪拌的反應(yīng)器，設(shè)備應(yīng)具良好保溫，攪拌葉為漿式葉， 轉(zhuǎn)速為50~80轉(zhuǎn)/分鐘，轉(zhuǎn)速可調(diào)。所用的酶為纖維素酶和纖維素二糖 酶。所獲得酶解產(chǎn)物的成分為葡萄糖。本發(fā)明將所述酶解產(chǎn)物成分經(jīng) 過濾后，置于發(fā)酵罐中進行乙醇發(fā)酵將酶解過濾后的葡萄糖，經(jīng)過超 濾、RO膜濃縮和勢力蒸發(fā)濃縮使葡萄糖濃度提高至20 22呢，加入乙醇發(fā)酵罐中，加入微量的N、 P等無機營養(yǎng)源，按10%的接種酵母。前 期通風培養(yǎng)4 6小時使酵母增殖，當酵母密度達到2 3億時，停風，進 入?yún)捬跻掖x。發(fā)酵溫度34 36t:,發(fā)酵周期28 30小時，發(fā)酵菌種為普通醇酒酵母，自絮凝酵母或乙醇高產(chǎn)酵母。另外，經(jīng)過濾所獲得的 木質(zhì)素渣可用于燃料或開發(fā)生產(chǎn)木質(zhì)素深加工產(chǎn)品。本發(fā)明的木糖醇制備方法采用微生物發(fā)酵來將玉米芯或秸稈酸 解獲得的木糖轉(zhuǎn)化為木糖醇。發(fā)酵法對木糖的純度要求不高，脫酸只 需要電驅(qū)動膜分離器即可，與氫化工藝相比，不僅省去大量的離交樹 脂，而且省去了酸堿消耗，避免了大量的廢水產(chǎn)生。同時，采用發(fā)酵 法，省去了木糖結(jié)晶工序，提高了木糖的利用率。該方法省去木糖純 化的離交、濃縮、結(jié)晶等步驟。通過發(fā)酵，使木糖中的雜糖--葡萄 糖在發(fā)酵中被酵母消耗，提高了木糖醇的純度。通過色譜分離技術(shù)對 發(fā)酵液進行分離提純，使發(fā)酵液中木糖醇到成品木糖醇的總收率達到80%。另外，利用微生物直接發(fā)酵經(jīng)初歩處理的木糖水解液生產(chǎn)木糖 醇，具有工藝條件溫和、能耗低、無需繁瑣的純化木糖漿，環(huán)境污染 程度低、產(chǎn)品質(zhì)量更加安全可靠等優(yōu)點。另外，本發(fā)明還將固相成分 木糖渣轉(zhuǎn)化成可作為燃料使用的以及用于乙醇發(fā)酵的糖源，從而使得 秸桿中的各成分均得到了充分的利用，可大幅度降低木糖醇的生產(chǎn)成 本。


圖l.為本發(fā)明采用玉米芯或秸稈發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的方法的流程 示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行進一步的描述，但下述實施例并非 用來限制本發(fā)明的范圍 實施例l.玉米芯的預(yù)處理取100Kg玉米芯，手工挑撿去大雜、小雜，加入自來水，手工 翻動，清洗玉米芯表面的泥土及灰塵。然后新去污水，再測玉米芯水 分含量。將玉米芯加入IOOOL糖反應(yīng)釜中，然后按玉米芯稀酸液=1:6 重量比的比例，加入0.1%的H2S04溶液600Kg, 600Kg的稀酸液中， 0.1%硫酸為0.61Kg，水為599.39Kg (還應(yīng)扣除玉米芯水洗時吸入的水分)，在攪拌的情況下加熱至80"C,停留l小時，放出稀酸水。搪瓷釜(淄博工業(yè)搪瓷廠生產(chǎn))錨式攪拌，轉(zhuǎn)速60rpm,夾套加 熱、冷卻。實施例2.玉米芯的酸解然后按玉米芯:稀酸液=1:6的重量比例，加入0.8%的&804溶液 600kg, 600kg的稀酸液中，98呢硫酸為4.9Kg，水為595.1Kg(注意 應(yīng)扣除0.1稀酸洗后比商品玉米芯所含的水分多出的總水量)，在攪 拌的情況下加熱至ll(TC,保持2小時，酸解結(jié)束。搪瓷釜的條件同實施例1 實施例3.玉米秸稈的酸解將玉米秸桿粉碎(通過3mm篩孔)，按玉米秸稈:稀酸液=1:6的 重量比例，加入0.8%的H2S04溶液600kg， 600kg的稀酸液中，98% 硫酸為4.9 Kg，水為595.1Kg，在攪拌的情況下加熱至ll(TC ,保持 2小時，酸解結(jié)束。 搪瓷釜的條件同實施例l 實施例4.固液分離酸解結(jié)束，將酸解混合物降溫至5(TC以下，通過50L塑料桶轉(zhuǎn) 入分離離心機中，離心機轉(zhuǎn)鼓中安裝有濾袋。離心機為遼陽友信制藥 機械科技有限公司生產(chǎn)，最高轉(zhuǎn)速為2000rpm，且變頻可調(diào)，轉(zhuǎn)速直 徑cp450 mm，最大裝液量30Kg。在離心機轉(zhuǎn)速為500rpm時，開 始緩慢加料，讓糖液分出，木糖渣在轉(zhuǎn)鼓中頒布均勻，以免引起離心 機振動。當50L料全部加入后，蓋上離心機蓋，慢慢調(diào)至最高轉(zhuǎn)速 2000rpm，維持10分鐘，直到?jīng)]有液體排出為止，然后從洗水口加入 5(TC水3L,對固體進行洗滌，重復(fù)洗滌二次，直到排液中無水排出 為止，停機，卸渣。 實施例5.液相成分的處理將分離獲得的木糖液，按100升液體體積加入0.2 - 0.4% ( W/ V) 粉末活性炭，在75 8(TC的條件下，保溫3(TC。經(jīng)過板框架過濾濾去 活性碳顆粒，糖液再經(jīng)過0.2um的精密液體過濾器過濾。糖液得到進一步的澄清。脫色進入電驅(qū)動膜分離器脫酸。電驅(qū)動膜分離器規(guī)格400x600, 共80對陰陽膜的實驗裝置。物料進行循環(huán)流動脫酸，酸根以離子狀態(tài) 進入濃水中。糖液的電導率由初始的32000us/cm，降至1000us/cm以 下。操作條件常溫、常壓。脫酸后所獲得的糖液，進入RO膜濃縮， RO膜面積為7m2。濃縮后的濃度為15~20%。濃縮膜為有機膜，操作 壓力為3.3 3.8Mpa。 實施例6.種子發(fā)酵的制備種子制備流程是從菌種斜面到搖瓶培養(yǎng)，然后接入種子罐，種 子罐培養(yǎng)基組成為上述濃縮后的木糖液、酵母粉、玉米漿，通無菌空 氣通風培養(yǎng)。菌種熱帶假絲酵母斜面培養(yǎng)基葡萄糖1%、木糖1%、酵母粉0.3%、蛋白胨0.5%、玉米芯水解液3%、瓊脂2%。搖瓶培養(yǎng)基葡萄糖1%、木糖2%、酵母粉0.5%、蛋白胨0.8%。 種子罐培養(yǎng)基玉米芯水解液3%、酵母粉0.5%、玉米漿0.8%、葡萄糖1%。種子罐培養(yǎng)條件通風風量l: 0.5;溫度28-31°C; pH6.()。 實施例7.木糖發(fā)酵制備木糖醇將實施例4處理濃縮后的糖液，加入發(fā)酵罐中，補加0.1%的硫酸 銨和0.3%的玉米漿，蒸汽加熱到12rC,維持25min，然后冷卻到32"C， 接入實施例5培養(yǎng)好的種子液，接種量10%。發(fā)酵工藝條件初始pH6.0;風量采用兩段通風法前l(fā)()小時l: 0.4,然后降為l: 0.15,直到發(fā)酵結(jié)束。發(fā)酵溫度30-32°C;發(fā)酵 周期<72小時。發(fā)酵結(jié)束，發(fā)酵液狀態(tài)為外觀深褐色液體，比重1.06,濕酵 母含量4-6%;木糖醇濃度8-10%;木糖醇對木糖轉(zhuǎn)化率為75%-80%。發(fā)酵液先經(jīng)過板式膜過濾，分離發(fā)酵液中的酵母。膜孔徑為5萬 分子量，過濾面積為lm"-的中試設(shè)備。操作壓力進口0.32Mpa，出口 0.30Mpa,操作溫度35i:。收集透過液，當酵母濃度達到20%時，加 入3L自來水，進行稀釋透析，如此重復(fù)三次，共加透析水9L，使?jié)?縮液中木糖醇含量低于1%時，酵母膜分離結(jié)東。收集的透過液澄清，色澤較深，透光率為159k除去酵母的木糖醇液進入色譜分離。色譜分離的條件進料木糖 醇濃度12~15% (W/V),流動相為水，溫度為60"C。所用樹脂肪酸 為陽離子型。色譜分離收集的木糖醇細分去下一工序，雜糖細分去濃 縮，烘干作為飼料或出售生產(chǎn)焦糖色素，雜質(zhì)細分去廢水處理。色譜分離收集的木糖醇組分，經(jīng)粉末活性碳脫色，離子交換樹脂 脫鹽，濃縮、結(jié)晶、分離、烘干得到合格的木糖的產(chǎn)品。母液返回色 譜分離系統(tǒng)。粉碳脫色在75 8(TC條件下，加入糖和糖醇專用粉碳，加量為每 立方米液體加入3 5Kg,在攪拌的情況下保溫30分鐘。離子交換脫鹽交換樹脂為強酸性強陽離子交換樹指和弱堿性陰 離子交換樹脂，樹脂柱徑高比為1:3~5,樹脂柱材質(zhì)為玻璃鋼或碳鋼 襯膠，進料量為每小時1 2個柱體積。工作溫度^5(TC。出料電導率 ^5us/cm。濃縮用板式蒸發(fā)器或列管蒸發(fā)器，四效，真空度0.9 0.5Mpa, 最高溫度為85。C，濃縮出料時含固量為90%。結(jié)晶將濃縮好的物料，放入立式或臥式結(jié)晶罐中，降溫至 58~60°C，使整個物料溫度均勻一致時，按糖液總重量的10%加入木 糖醇晶種，養(yǎng)晶10~12小時后，開始降溫，降溫速度為0.7。C/1小時， 當溫度降到30 32'C時，結(jié)晶結(jié)東。降溫用水為自來水或冰水，要求 水與物料溫度差2 °C 。結(jié)晶罐中攪拌轉(zhuǎn)速8~10轉(zhuǎn)/小時。分離結(jié)晶結(jié)束，將糖膏放入分離離心機中，離心為上懸式全自 動分離離心機，加入糖膏前，離心機用0 80。C熱水或干凈蒸汽對離心機進行預(yù)熱。按離心機的額定負荷加入糖膏后，將離心轉(zhuǎn)速慢慢高至3000轉(zhuǎn)/分鐘，維持10分鐘，再將轉(zhuǎn)速降到1250轉(zhuǎn)/分鐘，打開自動洗 水閥3 5秒，再將轉(zhuǎn)速升高至3000轉(zhuǎn)/分鐘，如此反復(fù)三次。離心結(jié)東， 放出晶體。烘干晶體采用烘干機、流化床、氣流或真空固定盤式烘干，烘 干溫度不高于6(TC。干燥失重含量^ .5%時，即烘干結(jié)束。烘千結(jié)束， 檢驗合格，得到成品。成品為白色結(jié)晶和晶狀粉末，味甜，無異味。 木糖醇從發(fā)酵液到成品，總收率為80%。實施例9.固相成分的處理對獲得的木糖渣調(diào)漿進行酶解將木糖渣調(diào)漿，調(diào)漿濃度為 10~12%,用稀NaOH調(diào)整為4.8-5.0。溫度50。C的條件下，按纖維重量 計，纖維素酶和纖維素二糖酶加量30FPIU纖維素酶活/g絕干纖維素， 15IU纖維二糖酶/g絕干纖維素。酶解時間48小時，纖維酶解生成葡萄 糖的收率為90%。所用設(shè)備為帶攪拌的反應(yīng)器，設(shè)備應(yīng)具良好保溫， 攪拌葉為漿式葉，轉(zhuǎn)速為50~80轉(zhuǎn)/分鐘，轉(zhuǎn)速可調(diào)。所用的酶為纖維 素酶和纖維素二糖酶。所獲得酶解產(chǎn)物的成分為葡萄糖。酶解產(chǎn)物成分經(jīng)過濾后，置于發(fā)酵罐中進行乙醇發(fā)酵將酶解過濾 后的葡萄糖，經(jīng)過超濾、RO膜濃縮和勢力蒸發(fā)濃縮使葡萄糖濃度提 高至20~22%,加入乙醇發(fā)酵罐中，加入微量的N、 P等無機營養(yǎng)源， 按10%的接種酵母。前期通風培養(yǎng)4 6小時使酵母增殖，當酵母密度 達到2~3億時,停風，進入?yún)捬醮x。發(fā)酵溫度34~36°(:,發(fā)酵周期28~30 小時，發(fā)酵菌種為普通醇酒酵母，自絮凝酵母或乙醇高產(chǎn)酵母。另夕卜， 經(jīng)過濾所獲得的木質(zhì)素渣可用于燃料或開發(fā)生產(chǎn)木質(zhì)素深加工產(chǎn)品。雖然，上文中已經(jīng)用 一般性說明及具體實施方案對本發(fā)明作了詳 盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進，這對本 領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基本 上所做的這些修改或改進，均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種生產(chǎn)木糖醇的方法，該方法包括以下步驟(1)對玉米芯或農(nóng)林廢棄物進行預(yù)處理；(2)對(1)得到的固體進行稀酸處理；(3)對(2)處理過的組分進行固液分離；(4)過濾由步驟(3)所獲得的液體成分；(5)進行脫色、過濾、電驅(qū)動膜脫酸以及RO濃縮；(6)將步驟(5)獲得的木糖液進行發(fā)酵來獲得木糖醇。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其進一步包括以下步驟(7) 發(fā)酵液除菌、濃縮；(8) 將步驟(7)獲得的含木糖醇液進行色譜分離；(9) 將步驟(8)獲得的木糖醇液脫色、脫灰、濃縮、結(jié)晶、分離、 烘干，得到固體成品木糖醇，結(jié)晶母液返回(8)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述的農(nóng)林廢棄物為玉米 秸稈、小麥秸稈、高梁秸稈、棉子殼、甘蔗渣、樺木片等。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述的稀酸處理為用 硫酸溶液酸解玉米芯或秸稈。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述的酸液為0.5%~2.0%濃度 的硫酸溶液，且玉米芯或農(nóng)林廢棄物與所用酸液的重量比為1 : 4~10。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1~2或5之任一所述的方法，該方法還包括在 對玉米芯或農(nóng)林廢棄物進行酸處理前的清理、水洗和稀酸煮。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或5的方法，其中所述的發(fā)酵為普通醇酒酵 母、自絮凝酵母或熱帶假絲酵母單一菌種純種發(fā)酵。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或5的方法，其中所述的發(fā)酵為混合發(fā)酵， 發(fā)酵菌種選自下述菌種中的兩種或多種 丄/《"fle/fldews ， M"bflcfe朋m 5wegw加's ， 棒狀桿菌(CoT-ymebacferwm )、青霧、曲霧、才艮零、膠桿菌、i yssoc/z/a/w;ys > 漆斑紅菌或iVeMras/7oras;7/7 、假絲酵母(C訓^/fl ),畢氏酵母 (Pz'c/n'fl ) 、 C.gw7/^歸"d// ， C. ，C. 膨g,7' ， C.
9、 根據(jù)權(quán)利要求1~2或4的方法，該方法還包括發(fā)酵后對發(fā)酵 液進行膜過濾、脫灰、R0膜濃縮、蒸發(fā)以及結(jié)晶的步驟。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法還包括如下步驟用通過 RO膜濃縮獲得的水洗滌由步驟(3)所獲得的固相成分，然后經(jīng)調(diào) 漿、酶解與過濾后，獲得的糖源用于乙醇發(fā)酵。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其包括將過濾獲得的木質(zhì)素渣用 作燃料或生產(chǎn)其深加工產(chǎn)品的步驟。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10或11的方法，其中所述的酶為纖維素酶和 纖維素二糖酶。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用玉米芯或農(nóng)林廢棄物如秸稈作為原料來生產(chǎn)木糖醇的方法。該方法包括對原料預(yù)處理；原料的稀酸處理；固液分離；所獲得的液相成分經(jīng)脫色、過濾、脫酸以及RO濃縮后，利用酵母發(fā)酵來獲得木糖醇。發(fā)酵液經(jīng)過除菌、濃縮、色譜分離后，得到較純木糖醇液體，然后進行脫色、脫灰、濃縮、結(jié)晶、分離、烘干，得到固體成品木糖醇，結(jié)晶母液返回色譜分離。另外，本發(fā)明將酸解后固液分離得到的固相組分調(diào)漿，然后經(jīng)酶解后用于乙醇發(fā)酵；而酶解產(chǎn)物過濾后獲得的木質(zhì)素渣可作為燃料來使用，或用于開發(fā)木質(zhì)素的深加工產(chǎn)品。本發(fā)明的木糖醇生產(chǎn)方法大大降低了木糖醇工業(yè)化生產(chǎn)的成本，并使得原料的所有成分均得到了有效的利用。
文檔編號C12P7/18GK101220381SQ20071006330
公開日2008年7月16日 申請日期2007年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月8日
發(fā)明者李榮杰, 薛培儉, 鄧遠德 申請人:安徽豐原發(fā)酵技術(shù)工程研究有限公司