一種纖維素廢棄物生物制備乙醇并聯(lián)產(chǎn)殼聚糖的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬生物化工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種纖維素廢棄物生物制備乙醇并聯(lián)產(chǎn)殼聚糖的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]植物纖維資源是地球上最豐富的可再生資源，隨著地球上化石資源的日趨枯竭，利用可再生的植物纖維資源替代化石原料生產(chǎn)能源、化學(xué)品和材料是人類社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措之一。目前，植物纖維資源中的纖維素廢棄物由于具有資源量大、價格低廉、利用率低等特點而被公認(rèn)為是生產(chǎn)替代能源、化學(xué)品和材料的潛在原料。纖維素廢棄物生物煉制能源、化學(xué)品和材料主要包括原料預(yù)處理、纖維素糖化和糖液發(fā)酵三個過程，其中原料預(yù)處理過程的目的是破壞纖維素廢棄物中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的致密結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的有效分離，從而提高纖維素對纖維素酶的可及度及纖維素糖化效率。稀酸蒸汽爆破是常用的纖維素廢棄物的預(yù)處理方法，纖維素廢棄物經(jīng)稀酸蒸汽爆破預(yù)處理后，大多數(shù)半纖維素木聚糖在預(yù)處理過程中以單糖木糖的形式溶出，實現(xiàn)了纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的有效分離，同時，在蒸汽爆破過程中，部分碳水化合物(纖維素、半纖維素)和木質(zhì)素在酸與熱的作用下發(fā)生降解和分解作用，形成一批對后續(xù)發(fā)酵有抑制作用的物質(zhì)。
[0003]殼聚糖是自然界中存在的一種堿性同聚高分子多糖物質(zhì)，在食品、藥品、污水處理、化妝品、農(nóng)業(yè)等方面應(yīng)用廣泛。此外，由于具有良好的生物相容性、生物可降解性和生物安全性，殼聚糖作為新型功能材料的原料，近年來在藥學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛的研宄。目前，殼聚糖工業(yè)化生產(chǎn)的原料主要來源于蝦、蟹等水生動物的甲殼，隨著海洋環(huán)境和集約化養(yǎng)殖環(huán)境的污染，重金屬、抗生素等有害物質(zhì)在蝦、蟹中的累積限制了殼聚糖的應(yīng)用領(lǐng)域。部分微生物含有豐富的殼聚糖，與蝦、蟹來源的殼聚糖相比，微生物來源的殼聚糖具有更好的安全性和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，且微生物來源的殼聚糖生產(chǎn)不受季節(jié)的限制。米根霉中含有豐富的殼聚糖，利用微生物培養(yǎng)的方法生產(chǎn)米根霉菌體并提取殼聚糖，不僅拓寬了殼聚糖生產(chǎn)的原料來源，而且可獲得高品質(zhì)殼聚糖材料。
[0004]纖維素廢棄物經(jīng)稀硫酸蒸汽爆破預(yù)處理、洗滌、過濾后，可獲得易于酶解、富含纖維素的固體渣和富含木糖的預(yù)水解液。固體渣可經(jīng)纖維素酶糖化、酵母發(fā)酵制備乙醇。預(yù)水解液的利用目前研宄主要集中在用于發(fā)酵制備乙醇上，但含發(fā)酵抑制物質(zhì)的預(yù)水解液的木糖乙醇發(fā)酵技術(shù)尚未完全成熟，有待于進(jìn)一步研宄。米根霉屬于絲狀真菌，具有較好的抗抑制物能力，可利用纖維素廢棄物稀酸蒸汽爆破預(yù)水解液中的木糖和葡萄糖為碳源良好生長。因此，纖維素廢棄物稀酸蒸汽爆破預(yù)水解液可用于培養(yǎng)米根霉，繼而可從米根霉菌體中提取尚品質(zhì)殼聚糖材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:針對纖維素廢棄物稀硫酸蒸汽爆破預(yù)水解液難以利用的問題，本發(fā)明的目的是提供一種纖維素廢棄物制備乙醇并聯(lián)產(chǎn)殼聚糖的方法，有效綜合利用生物質(zhì)原料。
[0006]技術(shù)方案:為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種纖維素廢棄物制備乙醇聯(lián)產(chǎn)殼聚糖的方法，包括以下步驟:
1)纖維素廢棄物于質(zhì)量濃度0.5-1.0%的硫酸溶液中浸泡2-4 h，轉(zhuǎn)入蒸汽爆破器中于1.5-2.2 MPa下處理1_15 min，用固液比為1:10_1:20的水洗滌預(yù)處理物料，過濾得到預(yù)水解液和固體渣；
2)將步驟I)產(chǎn)生的固體渣與纖維素酶混合，加入水，pH緩沖液或酸、堿，混合至底物濃度5-20%，控制pH值在4.6-5.0，反應(yīng)體系中每克纖維素的纖維素酶用量為10-40 FPU、β-葡萄糖苷酶用量3-20 U，于45-55 °0條件下酶解反應(yīng)36 h以上；
3)酶解結(jié)束后，在酶解體系中加入釀酒酵母，并于28-30°C下發(fā)酵12-24h制備乙醇；
4)將步驟I)產(chǎn)生的預(yù)水解液中和至pH值6.0-7.0后作為培養(yǎng)基于25-40°C培養(yǎng)米根霉24 h以上，獲得富含殼聚糖的米根霉菌體；
5)從步驟4)獲得的米根霉菌體中提取殼聚糖。
[0007]所述的纖維素酶是木霉、曲霉或其它細(xì)菌產(chǎn)生的能降解纖維素成葡萄糖的纖維素酶的一種或多種酶的復(fù)合物。
[0008]所述的纖維素廢棄物包括農(nóng)作物秸桿、含纖維素的工業(yè)加工廢棄物和城市纖維垃圾。
[0009]步驟I)中，用蒸餾水?dāng)?shù)次洗滌、過濾預(yù)處理物料；合并洗滌液得到預(yù)水解液，并蒸發(fā)濃縮至含木糖20g/L以上。
[0010]步驟3)中，在所述酶解液中加入尿素、硫酸鎂、氯化鋅、氯化鈣和活性釀酒酵母干粉使酵母OD52tlnm值為15，在攪拌轉(zhuǎn)速80轉(zhuǎn)/分、30°C條件下發(fā)酵24h。
[0011]步驟4)中，將預(yù)水解液濃縮后加入碳酸鈣中和至pH 6.5，離心取上清，加入尿素、KH2PO4, MgSO4, ZnSO4, FeSO4,按10%的接種量接入米根霉種子，于35 °C,220轉(zhuǎn)/分的搖床中培養(yǎng)24h以上，獲得米根霉菌體。
[0012]步驟5)中，將含米根霉菌體的培養(yǎng)液抽濾，并用蒸餾水洗滌菌體，用IM NaOH于121°C條件下處理米根霉菌體15 min，水洗沉淀至中性，隨后使用2%的醋酸于95 °C條件下處理24 h，過濾，取上清液，用50% NaOH調(diào)節(jié)上清液pH至11，固液分離，水洗沉淀至中性，乙醇洗滌，冷凍干燥即得到殼聚糖。
[0013]上述方法中，所用的纖維素酶可以是木霉(Trichoderma)、曲霉(AspergiIlus)或其它細(xì)菌產(chǎn)生的能降解纖維素成葡萄糖的纖維素酶的一種或多種酶的復(fù)合物。
[0014]本發(fā)明提出的纖維素廢棄物經(jīng)稀硫酸蒸汽爆破預(yù)處理、洗滌、過濾后，得到易于酶解、富含纖維素的固體渣和富含木糖的預(yù)水解液。固體渣可經(jīng)纖維素酶糖化、酵母發(fā)酵制備乙醇；預(yù)水解液作為培養(yǎng)基用于培養(yǎng)米根霉，并從米根霉中提取殼聚糖。
[0015]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的纖維素廢棄物制備乙醇聯(lián)產(chǎn)殼聚糖的技術(shù)方法，通過稀硫酸蒸汽爆破預(yù)處理分離纖維素和半纖維素，纖維素通過纖維素酶糖化、乙醇發(fā)酵步驟制備乙醇，富含木糖的預(yù)水解液作為培養(yǎng)基培養(yǎng)米根霉并從米根霉中提取殼聚糖。本技術(shù)方法可解決纖維素廢棄物稀硫酸蒸汽爆破預(yù)水解液難以利用的問題，實現(xiàn)纖維素廢棄物中纖維素和半纖維素的全值利用，有利于降低纖維素廢棄物生物煉制的成本。
【附圖說明】
[0016]圖1是玉米秸桿稀酸蒸汽爆破預(yù)處理物料纖維素酶水解歷程圖；
圖2是纖維素酶水解糖液乙醇發(fā)酵歷程圖；
圖3是預(yù)水解液米根霉培養(yǎng)歷程圖。
【具體實施方式】
[0017]根據(jù)下述實施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，實施例所描述的內(nèi)容僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)