CN101386876B - 采用含纤维素的原料制备单糖的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用含纤维素的原料制备单糖的方法，该方法包括蒸汽爆破含纤维素的原料，酶解得到的蒸汽爆破产物，其中，蒸汽爆破含纤维素的原料的方法包括将含纤维素的原料连续输送至保温压力装置中，使含纤维素的原料在该保温压力装置中保持3-10分钟后，每隔5-12秒使所述保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压。根据本发明的用连续蒸汽爆破处理含纤维素的原料制备单糖的方法，能够使所述含纤维素的原料连续的在稳定的条件下充分吸收水气，在泄压时使水蒸气冲出，充分破坏含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，以增加了含纤维素的原料中能与酶接触的纤维素比例，最终可以提高单糖的产率。

Description

采用含纤维素的原料制备单糖的方法

技术领域

本发明是关于一种制备单糖的方法，更具体地，是关于采用含纤维素的原料制备单糖的方法。

背景技术

现有技术可以用含纤维素的原料制备单糖，所得单糖主要是葡萄糖，葡萄糖可以用于食品、医药工业，在印染制革工业中可以用作还原剂，在制镜工业和热水瓶胆镀银工艺中常用葡萄糖作还原剂；所得单糖还包括木糖，可以通过加氢制造木糖醇，作为食品的无热量甜味剂。所述单糖也可以经过微生物(例如酵母)发酵制备乙醇。

所述含纤维素的原料一般为植物的根、茎和叶，包括秸秆。所述秸秆即农作物(一般为草本植物)收获种子或果实后剩余的根、茎和叶，主要为茎和叶，如包括玉米秸秆、高梁秸秆、稻秆、麦秸的谷类植物的秸秆、包括豆秸的油料植物的秸秆以及棉花秸秆。秸秆中纤维素、半纤维素和木质素通过共价键和/或非共价键紧密结合，三者约占秸秆干物质总重量的70-90重量％。秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的含量会随不同来源的农作物或农作物的不同部分而有所区别。

纤维素在纤维素酶的作用下能够降解成葡萄糖，半纤维素在半纤维素酶的作用下能够降解成木糖，葡萄糖和木糖都可以用于发酵生产乙醇。但是木质素是由苯基丙烷聚合而成的一种非多糖物质，因而不溶于水难以降解。由于木质素由芳香烃的衍生物以-C-C-键、-O-键纵横交联，侧链与半纤维素以共价键结合，形成致密的网络结构——木质素鞘包埋纤维素和半纤维素，因而使纤维素酶和半纤维素酶不易与纤维素和半纤维素接触，结果导致秸秆也难以降解。因此无论是用含纤维素的原料制备单糖，还是用含纤维素的原料制备乙醇的糖化步骤，都需要对含纤维素的原料进行预处理，一般采用蒸汽爆破和/或酸水解进行预处理，以破坏木质素对纤维素和半纤维素的包埋。

例如CN1629321A公开了一种利用秸秆植物提取制乙醇用葡萄糖和/或木糖的方法，该方法包括在室温下，按照秸秆植物：稀酸溶液的重量比为1∶4.5-8.5的比例将秸秆与稀酸溶液混合，然后升温到90-100℃恒温，快速水解秸秆中的半纤维素提取糖溶液，糖溶液发酵制备乙醇。该方法还包括在所述糖溶液中进一步加入纤维素酶水解糖溶液中未溶的纤维素，所述纤维素酶的加入量与秸秆的重量比为1∶10-1∶100，调pH值在4.5-5.5，然后升温到45-60℃，得到含有葡萄糖和木糖的水溶液，发酵制备乙醇。

酸水解虽然能够破坏木质素，但是也会破坏纤维素，继而降低葡萄糖的产率，而且酸水解后还需要加大量碱中和才能进行酶解和发酵。因此更优选只通过蒸汽爆破完成预处理过程，达到破坏木质素对纤维素和半纤维素的包埋作用。

例如文献“对植物秸秆酒精生产工艺的介绍”，张学峰、兰玉成，酿酒，第29卷第4期，第37-38页，2002年7月，公开了一种利用植物秸秆生产酒精的方法，该方法包括将玉米秸秆除石除铁清洗后，切割成1.5厘米的小段，水浸40分钟，通入2.5兆帕蒸汽，保温8分钟，泄压，水洗十分之一的蒸汽爆破产物，并在所述十分之一的蒸汽爆破产物中培养里斯木酶产生纤维素酶，将所得培养物与另外十分之九的蒸汽爆破产物混合，保温50℃水解24小时，经过滤得到6％糖液，无机膜浓缩成20％以上的糖液，加入休哈塔酵母(0.8-1.2亿/毫升)，发酵24小时，产酒份10％，蒸馏得99.5％的酒精。

CN1193099C公开了一种使用耐热型酵母从木素纤维素生物质中生产乙醇的方法，该方法包括以下步骤：

将木素纤维素生物质粉碎成颗粒大小为15-30毫米；对粉碎的木素纤维素生物质进行蒸汽爆炸预处理，根据所用材料的类型保持1-3兆帕的压力和190-230℃的温度1-10分钟的时间，之后引发迅速减压；收集预处理过的物料并且通过过滤分离液体和固体部分，将固体部分引入发酵贮器中；向发酵贮器添加浓度为15FPU/克纤维素的纤维素酶和12.6国际单位/克纤维素的β-葡萄糖苷酶；给发酵贮器接种马克斯克鲁维氏酵母CECT10875耐热型酵母培养物的悬浮液；将混合物在42℃下摇动72小时。

但是现有用含纤维素的原料制备单糖的方法以及用含纤维素的原料制备乙醇的糖化步骤中，蒸汽爆破预处理对含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘破坏不够，因而导致单糖的产率低。此外，现有的蒸汽爆破方法在单位时间内处理的含纤维素的原料的量较少，因而，生产效率不高。

发明内容

本发明的目的是克服现有的采用含纤维素的原料制备单糖的方法制备的单糖产率低的缺点，提供一种单糖产率高的采用含纤维素的原料制备单糖的方法。

现有技术的含纤维素的原料的预处理方法通常采用间歇式蒸汽爆破，该方法包括先将一批含纤维素原料输送至蒸汽爆破装置，通入蒸汽至蒸汽爆破的压力，并保温一段时间，然后瞬间泄压，完成蒸汽爆破并收集蒸汽爆破产物；然后将第二批含纤维的原料输送入蒸汽爆破装置，再次通入蒸汽至蒸汽爆破的压力，并保温一段时间，然后瞬间泄压，完成蒸汽爆破并收集蒸汽爆破产物；并根据处理量，按照上述方法对随后的含纤维的原料进行间歇式蒸汽爆破。本发明的发明人发现，在采用这样的蒸汽爆破方法时，即使保证每次蒸汽爆破的条件，如压力和温度均相同，但是，却无法保证每次蒸汽爆破后得到的蒸汽爆破产物的爆破程度均相同。推测的原因可能是，由于每批置入蒸汽爆破装置中的含纤维素的原料的量较多，且每批原料的堆积方式的差异或者蒸汽爆破条件的不稳定等因素造成无法保证使全部含纤维素原料在通入蒸汽后的短短几分钟内充分吸收水蒸汽，因此，仍然会有大部分含纤维素的原料由于无法充分吸收水蒸汽，而不能完全被其内部的水蒸气爆开，导致含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘无法被充分破坏，降低了含纤维素的原料中能与酶接触的纤维素比例，最终导致单糖的产率低。此外，间歇式蒸汽爆破的方法在原料的预处理上耗费的时间较长，单位时间内原料的处理量较低，因而不利于生产效率的提高。

本发明提供了一种采用含纤维素的原料制备单糖的方法，该方法包括蒸汽爆破含纤维素的原料，酶解得到的蒸汽爆破产物，其中，蒸汽爆破含纤维素的原料的方法包括将含纤维素的原料连续输送至保温压力装置中，使含纤维素的原料在该保温压力装置中保持3-7分钟后，每隔5-7秒使所述保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压。

本发明的方法采用连续蒸汽爆破的方法对含纤维的原料进行预处理，能够使所述置入蒸汽爆破装置中的全部含纤维素的原料连续的在稳定的蒸汽爆破条件下，在保温压力装置中充分吸收水气，并使含纤维素的原料内部的水气化成水蒸汽，在泄压时水蒸气由含纤维素的原料内部冲出，充分破坏含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，增加了含纤维素的原料中能与酶接触的纤维素比例，从而有效地提高了单糖的产率。并且，本发明的蒸汽爆破含纤维素的原料的方法为连续的使含纤维素的原料在保温压力装置中保温并维持压力，然后连续的完成原料的蒸汽爆破，因此，本发明的方法在单位时间内处理的含纤维素的原料的处理量较多，有利于生产效率的提高。此外，优选情况下，控制用于蒸汽爆破的含纤维素的原料的含水量为30-60重量％，能够进一步保证在蒸汽爆破条件下使含纤维素的原料内部的水气化成水蒸汽，有利于在泄压时水蒸气由含纤维素的原料内部冲出，以充分破坏含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，从而进一步提高单糖的产率。

例如，在其它的蒸汽爆破条件都相同的情况下，实施例1的采用含水量为40重量％的含纤维的原料制备得到的单糖产率达43.7％，实施例2的单糖产率达43.4％，而对比例1的单糖产率仅为34.3％，提高幅度高达26.5-27.4％。且实施例1的连续蒸汽爆破方法每小时可以处理含纤维素的原料400-500公斤，而对比例1的蒸汽爆破方法每小时只能处理含纤维素的原料180-260公斤。

附图说明

图1为天然玉米秸秆的扫描电子显微镜照片；

图2为按照本发明对比例1的方法蒸汽爆破后秸秆的扫描电子显微镜照片；

图3为按照本发明对比例2的方法蒸汽爆破后秸秆的扫描电子显微镜照片；

图4为按照本发明实施例1的方法蒸汽爆破后秸秆的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

本发明提供的用含纤维素的原料制备单糖的方法包括蒸汽爆破含纤维素的原料，酶解得到的蒸汽爆破产物，其中，蒸汽爆破含纤维素的原料的方法包括将含纤维素的原料连续输送至保温压力装置中，使含纤维素的原料在该保温压力装置中保持3-10分钟后，优选为4-7分钟后，每隔5-12秒，优选为7-10秒使所述保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压。

按照本发明，所述含纤维素的原料是连续输送至保温压力装置中的，并在该装置中被继续传送，并在该保温压力装置中进行保温和维持压力。不同的生产规模所采用的保温压力装置的规格也不同，因此，不同规格的保温压力装置的传送速度也不同，本发明对所述含纤维素的原料的输送线速度没有特别限定，所述含纤维素的原料的输送线速度只要保证所述含纤维素的原料在该保温压力装置中保持3-10分钟即可，以使在该装置的温度、压力下形成的水气能够充分进入含纤维素的原料中，以在泄压时使水蒸气由含纤维素的原料内部冲出，以充分破坏含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘。

所述保温压力装置可以为各种保温压力装置，只要能够使连续输送的含纤维素的原料在该装置中达到蒸汽爆破的条件即可。所述连续蒸汽爆破的条件可以采用现有技术常规的蒸汽爆破条件，如蒸汽爆破的温度，即保温压力装置的温度可以为180-200℃，更优选为185-195℃；所述蒸汽爆破的压力，即保温压力装置的压力可以为1.4-2.0兆帕，更优选为1.5-1.6兆帕。在上述蒸汽爆破条件下都能充分破坏秸秆包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，实现本发明的目的。

所述将保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压的方法可以采用各种常规的方法，例如，可以通过控制设置在保温压力装置上的压力阀门实现，所述压力阀门设置在保温压力装置的出口处，当保温压力装置中的压力达到所述蒸汽爆破的压力时，阀门开启，在阀门开启的瞬间使保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压并喷出，所述开启时间约为2-3秒钟，然后关闭压力阀门，恢复保温压力装置中的温度和压力，随后，每隔5-12秒，优选为7-10秒，压力阀门会自动开启以使在保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压，然后自动关闭，以实现含纤维的原料的连续蒸汽爆破。

所述每次释放到常压的含纤维的原料的量没有特别限定，不同的生产规模所采用的保温压力装置的规格不同，每次蒸汽爆破的处理能力也不同，因此，可以根据生产需要选用不同规格的装置，从而决定每次处理的含纤维素原料的量。按照本发明，优选情况下，每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的6-15重量％，更优选为8-12重量％。通常情况下，每次释放到常压的含纤维素的原料为120-180克，优选为120-150克。一般情况下，所述含纤维素的原料是以匀速输送的，因此，含纤维素的原料的输送速度使在该保温压力装置中的含纤维素的原料的量基本保持不变。

此外，在采用现有技术蒸汽爆破含纤维素的原料时，通常认为所述含纤维素的原料例如玉米秸秆，必须充分水浸，才能够得到更好蒸汽爆破的效果，因为充分水浸可以使所述含纤维素的原料例如玉米秸秆内部含有大量的水，在蒸汽爆破时，所述含纤维素的原料例如玉米秸秆内部的水可以气化成水蒸汽，泄压时由所述含纤维素的原料例如玉米秸秆内部冲出，以由内向外充分破坏所述含纤维素的原料例如玉米秸秆包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，本发明的发明人意外地发现，控制用于蒸汽爆破的含纤维素的原料的含水量为30-60重量％，能够进一步保证在蒸汽爆破条件下使含纤维素的原料内部的水气化成水蒸汽，有利于在泄压时水蒸气由含纤维素的原料内部冲出，以充分破坏含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，从而进一步提高单糖的产率。因此，优选情况下，所述含纤维素的原料的含水量为30-60重量％，更优选为35-50重量％。

根据本发明，可以通过各种方式获得含水量为30-60重量％的含纤维素的原料。对于含水量存在差异的不同批次含纤维素的原料，可以进行不同的处理，比如对于含水量高的秸秆原料，可以45-90℃烘干部分水分，使之含水量降低到30-60重量％；对于含水量低的秸秆原料，可以采用控制水浸时间的方法，增加秸秆原料的含水量到30-60重量％；对于含水量正好在到30-60重量％的秸秆原料，可以直接进行蒸汽爆破。优选所述用于蒸汽爆破的含纤维素的原料的含水量为35-50重量％。除非特殊说明，本发明所述含纤维素的原料的含水量均是指含纤维素原料的初始重量W1与在70-100℃下烘干至恒重的含纤维素原料的干计重量W2之差，与含纤维素原料的初始重量W1的重量百分比，即含水量(重量％)＝(W1-W2)/W1×100％。

优选情况下，为了实现含纤维素的原料的连续处理，可以将含纤维素的原料在连续输送至保温压力装置中之前的连续输送过程中进行水淋，水淋的水用量使含纤维素的原料的含水量保持在30-60重量％，优选为35-50重量％，然后再连续输送至保温压力装置中进行蒸汽爆破。

所述酶解步骤可以通过本领域常用的方法完成，比如向蒸汽爆破产物中添加产酶微生物和/或酶，在产酶微生物的生长温度和/或酶有活力的温度下保温完成。所述产酶微生物为能够分泌纤维素酶的产酶微生物。所述酶包括纤维素酶。

由于微生物生长会产生副产物，因此优选直接加入酶，所述酶的用量越多越好，出于成本考虑，优选以每克含纤维素的原料的干重计，所述纤维素酶的用量为8-20酶活力单位，更优选以每克含纤维素的原料的干重计，10-15酶活力单位。本发明所述纤维素酶的酶活力按照美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)提供的标准方法——纤维素酶活力测定NREL LAP-006测定，所述纤维素酶的酶活力单位为在该标准方法规定的测定条件下，1分钟内转化1克Whatman No.1滤纸为葡萄糖所需酶的微克数。所述酶解的温度可以为纤维素酶的任何最适作用温度，一般为45-55℃，更优选48-52℃。所述酶解的时间理论上越长越好，考虑到设备利用率，优选所述酶解的时间为25-48小时，更优选为30-40小时。所述酶解的pH值可以为纤维素酶的任何最适作用pH，一般为3.0-7.0，更优选pH值为4.5-5.5。由于酶解过程中pH值的波动不大，因此所述酶解的pH值可以按照本领域常用的方法在加入酶之前进行调节，例如先将蒸汽爆破产物与水或培养基(加酶一般与水混合，加入产酶微生物一般与该微生物的培养基混合)混合，水或培养基的用量没有特别限定，一般使所得混合物的固含量为50-75重量％，根据所得混合物的pH值，用硫酸溶液或氢氧化钠将待酶解的混合物pH调节至3.0-7.0，更优选调节至pH值为4.5-5.5。

所述纤维素酶为复合酶，至少包括C₁型纤维素酶、Cx型纤维素酶和纤维二糖酶三种酶。

C₁酶可以使结晶的纤维素转变为非结晶的纤维素。

C_x型纤维素酶又分为C_x1型纤维素酶和C_x2型纤维素酶两种。C_x1型纤维素酶为内切型纤维素酶，可以从水合非结晶纤维素分子内部作用于β-1，4-糖苷键，生成纤维糊精和纤维二糖。C_x2型纤维素酶是一种外切型纤维素酶，可以从水合非纤维素分子的非还原端作用于β-1，4-糖苷键，逐一切断β-1，4-糖苷键生成葡萄糖。

纤维二糖酶则作用于纤维二糖，使纤维二糖酶解生成葡萄糖。

优选所述酶解使用的酶还包括半纤维素酶。因为半纤维素酶将半纤维素降解成为溶于水的木糖，所以酶解使用的酶包括半纤维素酶，一方面可以更充分地暴露纤维素，增加纤维素与纤维素酶的接触几率，另一方面半纤维素降解产物木糖也是重要的单糖产物。以每克含纤维素的原料的干重计，所述半纤维素酶的用量为4.4-8.8酶活力单位。

本发明所述半纤维素酶的酶活力单位(U)为在50℃、pH＝4.8条件下，每分钟分解浓度为1重量％木聚糖溶液产生1微克还原糖(以木糖计)所需的酶量。

本发明所述半纤维素酶的活力指每克半纤维素酶所具有的活力单位。所述半纤维素酶的活力利用半纤维素酶在50℃、pH为4.8的条件下水解1重量％木聚糖产生还原糖(以木糖计)，所得还原糖与过量3，5-二硝基水杨酸(DNS)发生颜色反应，用分光光度计测得反应液550纳米的光吸收值与还原性糖(以木糖计)的生成量成正比关系测定。具体测定方法如下：

准确称取1.000克木聚糖，用0.5毫升pH＝4.8的0.1摩尔/升乙酸-乙酸钠缓冲溶液溶解，然后用去离子水定容到100毫升，得到1重量％木聚糖溶液；

称取30克四水合酒石酸钾钠放入500毫升锥形瓶内，加16克NaOH后，加50毫升去离子水，以5℃/分钟的速度水浴加热至固体物质溶解，加入1克3，5-二硝基水杨酸，至溶解，冷却至室温，用去离子水定容至100毫升，可得3，5-二硝基水杨酸(DNS)溶液；

将木糖80℃烘干至恒重，准确称取1.000克溶于1000毫升水中，加10毫克叠氮化钠防腐，得到1毫克/毫升的标准木糖溶液；

准确称取1.000克固体半纤维素酶或移取1毫升液体半纤维素酶原液，用0.5毫升pH＝4.8的0.1摩尔/升乙酸-乙酸钠缓冲溶液溶解，然后用去离子水定容到100毫升，得到稀释100倍的待测酶液；

分别将在50℃水浴加热60分钟的2毫升木糖梯度标准溶液(0.1毫克/毫升、0.2毫克/毫升、0.3毫克/毫升、0.4毫克/毫升和0.5毫克/毫升，所述木糖梯度标准溶液用去离子水与1毫克/毫升的标准木糖溶液混合制备)或去离子水(木糖空白对照)，与2毫升DNS混合沸水浴5分钟，冷却，去离子水定容15毫升后，用分光光度计在550纳米下分别测定反应后木糖梯度标准溶液的光吸收值，以光吸收值为横坐标，木糖浓度为纵坐标绘制标准曲线。由该标准曲线可得回归方程y＝bx+a，其中，x为光吸收值，y为木糖浓度，a为所得直线方程的截距，b为所得直线方程的斜率；

取0.2毫升待测酶液与1.8毫升所述1重量％木聚糖溶液或pH＝4.8的0.1摩尔/升乙酸-乙酸钠缓冲溶液(木聚糖空白对照)，按照与上述木糖梯度标准溶液相同的步骤测试光吸收值。并按照下式计算半纤维素酶的活力：

式中x为待测酶液的光吸收值，b和a与木糖浓度对光吸收值的回归方程中的b和a一致，n为酶的稀释倍数，60表示为酶促反应的时间为60分钟，5为取样倍数(这里从1毫升待测酶液中取出了0.2毫升进行测试)。

根据上述方法可以测定出具体的半纤维素酶的活力，进而计算出半纤维素酶的用量。

另外，蒸汽爆破的压力和温度可以灭菌，为防止在酶解过程中杂菌(主要是细菌)污染产生影响酶活力的毒素，优选在酶解之前加入诸如工业青霉素的细菌抗生素。以每毫升酶解液为基准，所述抗生素的加入量为1-10单位。所述酶解液包括蒸汽爆破产物、酶以及水。

由于在蒸汽爆破的高温高压条件下，含纤维素的原料会产生诸如糠醛、呋喃之类的抑制物，所述抑制物会降低酶的活力和产酶微生物的活性，因此所述方法还包括在蒸汽爆破含纤维素的原料之后，酶解得到的蒸汽爆破产物之前，水洗所述蒸汽爆破产物。所述水洗是将蒸汽爆破产物与水混合，搅拌，然后离心分离蒸汽爆破产物，由于上述抑制物易溶解在水中，从而通过水洗可以从蒸汽爆破产物中除去抑制物。所述水洗的温度越高，能够溶解的抑制物越多，考虑到能耗，优选所述水洗的温度为60-90℃，更优选为60-80℃。由于水洗所加入的水越多，则溶解掉的抑制物也越多，但是考虑到离心分离的能耗，优选以每克所述含纤维素的干重计，所述水洗的加水量为2-10克，更优选以每克含纤维素的原料的干重计，所述水洗的加水量为2-3克。

由于含纤维素的原料如玉米秸秆中可能会含有沙石杂质以及铁杂质，对蒸汽爆破设备会造成损害，因此本发明制备单糖的方法，可以包括现有的除石除铁常规操作，比如以“风送”含纤维素的原料并磁铁吸引的方法进行除石除铁。沙石由于质量大，不能被风送到蒸汽爆破设备中，铁杂质由于磁铁的吸引也不会随原料进入蒸汽爆破设备中，从而可以完成除石除铁。此外，由于含纤维素的原料本身容易纠结而堵塞设备管路，因此优选所述含纤维素的原料的大小为0.5-3厘米×0.2-1厘米×0.2-1厘米，更优选所述含纤维素的原料的大小为1-2厘米×0.4-0.6厘米×0.5-1厘米。

酶解产物中的单糖可以通过制糖工业常用的方法分离精制。例如通过过滤、离心的方法将除去酶解产物中的固体物质(例如未降解完的含纤维素的原料)。收集滤液或上清液，蒸发除去部分水分得到单糖含量为60-65重量％的过饱和糖浆。在真空结晶罐中通过蒸发水分使单糖结晶析出，晶体与糖浆形成糖膏；当晶体体积符合要求时，将糖膏从真空结晶罐转移至助晶机，逐渐降温，使未结晶的单糖进一步析出。用离心机进行固液分离，即得成品结晶单糖与糖蜜。将糖蜜重复上述过程结晶2-4次，可以充分提取单糖。结晶过程可以采用自然起晶法、刺激起晶法和晶核起晶法起晶，优选向糖浆中加入结晶用种糊作为晶种的晶核起晶法起晶。

下面结合实施例对本发明进行更详细的说明。

实施例1

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备单糖的方法。

(1)连续蒸汽爆破

测试如图1所示的玉米秸秆原料，按照上述的方法测得玉米秸秆的含水量为20重量％，将原料切成1.5厘米×0.2厘米×0.5厘米的小段，将该含水量为20重量％的玉米秸秆段连续从喂料器中送入，并在输送至保温压力装置中之前进行水淋，水淋使该玉米秸秆段的含水量为40重量％。然后连续将2000克该含水量为40重量％的玉米秸秆输送至保温压力装置中，所述保温压力装置的压力为1.6兆帕，温度为195℃，所述玉米秸秆在该保温压力装置中连续传送，传送的线速度使得该玉米秸秆能够在195℃、1.6兆帕下维持5分钟，之后，每隔10秒钟，使该保温压力装置的阀门开启一次，2秒钟后，阀门关闭，使部分玉米秸秆释放到常压喷出，完成蒸汽爆破，并重复上述过程进行连续蒸汽爆破。每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的11重量％，约165克。最后收集蒸汽爆破产物，并将所得蒸汽爆破产物与70℃的水按照重量比1∶3搅拌混合30分钟，然后用LW400型卧螺离心机(张家港华大离心机制造有限公司)在900转/分钟转速下进行固液分离，共得到3000克固体蒸汽爆破产物(含水量为60重量％)。

所得固体蒸汽爆破产物中纤维素总重量和半纤维素总重量的测定：

取5克所述水洗后的蒸汽爆破产物在45℃下烘干至恒重2.0克，称量300.0毫克该干燥后的蒸汽爆破产物，放置于重80克的100毫升干燥三角烧瓶内。向所述三角烧瓶中加入3.00毫升浓度为72重量％的硫酸溶液，搅拌1分钟。然后将三角烧瓶在30℃水浴中加热60分钟，每隔5分钟用搅拌一次以确保均匀水解。水浴结束后，用去离子水使硫酸的浓度稀释到4重量％。用布氏漏斗过滤所述稀释后的蒸汽爆破产物酸水解液，共得到滤液84毫升。将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中。使用2.5克碳酸钙调节该滤液的pH值至5.5，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，所得上层清液的滤液用Biorad Aminex HPX-87P高效液相色谱(HPLC)分析。HPLC条件：进样量20微升；流动相为0.2微米滤膜过滤，并且超声振荡脱气的HPLC超纯水；流速为0.6毫升/分钟；柱温80-85℃；检测器温度80-85℃；检测器为折光率检测器；运行时间为35分钟。以0.1-4.0毫克/毫升浓度范围的D-(+)葡萄糖和0.1-4.0毫克/毫升浓度范围D-(+)木糖作为标准样品。HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中葡萄糖浓度为2.22毫克/毫升，计算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为0.186克的葡萄糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将蒸汽爆破的产物的纤维素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是蒸汽爆破产物中纤维素的重量的1.11倍，即1克所述水洗后的蒸汽爆破产物中含纤维素0.168克，则3000克蒸汽爆破产物中共含纤维素504克。HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中木糖浓度为0.54毫克/毫升，计算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为0.055克的木糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将蒸汽爆破的产物中半纤维素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是蒸汽爆破产物中半纤维素的重量的1.14倍，即1克蒸汽爆破产物中含半纤维素0.048克，则3000克蒸汽爆破产物中共含半纤维素144克。

(2)酶解

将步骤(1)取样测试后剩余的水洗蒸汽爆破产物，与1000克水混合，调节pH值至5.0，加热至50℃后，以每克秸秆的干重计，加入20酶活力单位的纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司)，并在50℃下保温40小时。将酶解产物用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥的50毫升三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共524.8克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共472.8克，按照下式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

纤维素转化率＝100％×被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量

单糖产率＝100％×酶解得到的葡萄糖重量/秸秆干重

实施例2

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备单糖的方法。

按照实施例1的方法制备单糖，不同的是，在将含水量为20重量％的玉米秸秆段连续从喂料器中送入，并在输送至保温压力装置中之前进行水淋，水淋使该玉米秸秆段的含水量为75重量％。然后按照实施例1的条件和方法连续将2000克该含水量为75重量％的玉米秸秆输送至保温压力装置中进行连续蒸汽爆破，收集蒸汽爆破产物并水洗后共得到3000克固体蒸汽爆破产物(含水量为83.43重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得3000克蒸汽爆破产物中共含纤维素210克，半纤维素60克。

按照实施例1的方法对上述蒸汽爆破产物进行酶解，并按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共216.8克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共195.3克。并按照实施例1的方法和公式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

实施例3

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备单糖的方法。

按照实施例1的方法制备单糖，不同的是，在将2000克含水量为20重量％的玉米秸秆段连续从喂料器中送入后不进行水淋直接输送至保温压力装置中进行连续蒸汽爆破，蒸汽爆破的条件同实施例1，收集蒸汽爆破产物并水洗后共得到3556克固体蒸汽爆破产物(含水量为55重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得3553克蒸汽爆破产物中共含纤维素672克，半纤维素196.8克。

按照实施例1的方法对上述蒸汽爆破产物进行酶解，并按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共690.0克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共621.6克。并按照实施例1的方法和公式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

对比例1

本对比例说明现有技术用含纤维素的原料制备单糖的方法。

按照实施例1的方法制备单糖，不同的是，按照文献“对植物秸秆酒精生产工艺的介绍”(张学峰、兰玉成，酿酒，第29卷第4期，第37-38页，2002年7月)所公开的方法，将秸秆原料在蒸汽爆破前先用水浸泡40分钟，测得浸泡后的玉米秸秆原料的含水量达到83重量％，然后取2000克该含水量为83重量％的玉米秸秆分两批(每批1000克)进行间歇式蒸汽爆破，所述间歇式蒸汽爆破的方法为先将1000克所述玉米秸秆在195℃下以1.6兆帕的压力维持5分钟，然后泄压；然后再将剩余的1000克所述玉米秸秆在同样的条件下进行蒸汽爆破，收集蒸汽爆破产物并水洗后共得到1133克蒸汽爆破产物。按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得1133克蒸汽爆破产物中共含纤维素142.8克，半纤维素51克。

然后按照实施例1的方法进行酶解，并按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共117.3克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共105.7克。并按照实施例1的方法和公式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

对比例2

本对比例说明现有技术用含纤维素的原料制备单糖的方法。

按照实施例1的方法制备单糖，不同的是，将2000克含水量为20重量％玉米秸秆直接在190℃下以1.8兆帕的压力下维持4分钟，然后泄压，完成蒸汽爆破，收集蒸汽爆破产物并水洗后共得到4000克蒸汽爆破产物(含水量为60重量％)。按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得4000克蒸汽爆破产物中共含纤维素680克，半纤维素224克。

然后按照实施例1的方法进行酶解，并按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共579.7克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共522.2克。并按照实施例1的方法和公式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

电镜观察结果：

用JSM-35CF扫描电镜放大1000倍观察对比例1、对比例2和实施例1的蒸汽爆破产物，结果分别如图2、图3和图4所示。从图2可以看出，由于秸秆原料内部没有水分可以气化成水蒸汽，因此蒸汽爆破不能由内向外充分破坏秸秆原料；从图3可以看出，对比例1玉米秸秆蒸汽爆破的效果并不好，纤维素仍然呈束状，并且纤维素表面残留有木质素鞘；而如图4所示的实施例1的蒸汽爆破效果很好，可以看到游离的纤维素。

实施例4

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备单糖的方法。

(1)连续蒸汽爆破

按照实施例1的方法对玉米秸秆进行连续蒸汽爆破，不同的是，水淋使进入保温压力装置之前的玉米秸秆的含水量为65重量％，并连续将该1000克该含水量为65重量％的玉米秸秆输送至保温压力装置中进行连续蒸汽爆破。每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的8.5重量％，约127.5克。条件与实施例1相同，收集蒸汽爆破产物，并与60℃的水按照重量比1∶3搅拌混合30分钟，然后用LW400型卧螺离心机(张家港华大离心机制造有限公司)在900转/分钟转速下进行固液分离，共得到1300克固体蒸汽爆破产物(含水量为73.1重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得1300克蒸汽爆破产物中共含纤维素150.5克，半纤维素45.5克。

(2)酶解

将步骤(1)取样测试后剩余的蒸汽爆破产物，与400克水混合，调节pH值至6.0，加热至55℃后，以每克秸秆的干重计，加入15酶活力单位的纤维素酶，并在55℃下保温30小时。将酶解产物用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共154.8克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共139.5克，按照下式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

纤维素转化率＝100％×被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量

单糖产率＝100％×酶解得到的葡萄糖重量/秸秆干重

实施例5

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备单糖的方法。

(1)连续蒸汽爆破

按照实施例1的方法对玉米秸秆进行连续蒸汽爆破，不同的是，先将含水量为20重量％的玉米秸秆切成2.5厘米×0.5厘米×0.5厘米的小段后，用立式浸渍器(山东汶瑞机械有限公司)与重量为所述玉米秸秆原料重量的三分之一的水混合后，可得含水量50重量％的玉米秸秆。然后连续将该1000克含水量为50重量％的玉米秸秆输送至保温压力装置中，所述保温压力装置的压力为1.5兆帕，温度为185℃，所述玉米秸秆在该保温压力装置中连续传送，传送的线速度使得该玉米秸秆能够在185℃、1.5兆帕下维持7分钟，之后，每隔8秒钟，使该保温压力装置的阀门开启一次，2秒钟后，阀门关闭，使部分玉米秸秆释放到常压喷出，完成蒸汽爆破，并重复上述过程进行连续蒸汽爆破。每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的9.2重量％，约138克。最后收集蒸汽爆破产物，在将所述连续蒸汽爆破后收集到未经过水洗的共1250克蒸汽爆破产物(含水量为60重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得1250克蒸汽爆破产物中共含纤维素215克，半纤维素62.5克。

(2)酶解

将步骤(1)取样测试后剩余的蒸汽爆破产物，与400克水混合，调节pH值至6.0，加热至55℃后，以每克秸秆的干重计，加入15酶活力单位的纤维素酶，并在55℃下保温30小时。将酶解产物用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共212.4克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共191.4克，按照下式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

纤维素转化率＝100％×被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量

单糖产率＝100％×酶解得到的葡萄糖重量/秸秆干重

实施例6

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备单糖的方法。

(1)连续蒸汽爆破

取1000克含水量为35重量％的玉米秸秆，切成1.2厘米×0.4厘米×0.7厘米的小段，然后连续将该1000克含水量为35重量％的玉米秸秆输送至保温压力装置中，所述保温压力装置的压力为1.7兆帕，温度为200℃，所述玉米秸秆在该保温压力装置中连续传送，传送的线速度使得该玉米秸秆能够在200℃、1.7兆帕下维持4分钟，之后，每隔8秒钟，使该保温压力装置的阀门开启一次，2秒钟后，阀门关闭，使部分玉米秸秆释放到常压喷出，完成蒸汽爆破，并重复上述过程进行连续蒸汽爆破。每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的10重量％，约150克。最后收集蒸汽爆破产物，将所得蒸汽爆破产物与75℃的水按照重量比1∶2.5搅拌混合50分钟，然后用离心泵LW400型卧螺离心机(张家港华大离心机制造有限公司)在900转/分钟转速下进行固液分离，共得到2600克蒸汽爆破产物(含水量为75重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得2600克蒸汽爆破产物中共含纤维素286克，半纤维素84.5克。

(2)酶解

将步骤(1)取样测试后剩余的水洗蒸汽爆破产物，与1000克水混合，调节pH值至4.0，加热至45℃后，以每克秸秆的干重计，加入18酶活力单位的纤维素酶和8.0酶活力单位的半纤维素酶(北京化学试剂公司)，并在45℃下保温35小时。将酶解产物用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共291.7克，木糖共68.4克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共262.8克，所述酶解得到的木糖重量除以1.14，即蒸汽爆破产物中被酶解的半纤维素的重量共60克，按照下式计算纤维素转化率、半纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

纤维素转化率＝100％×被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量

半纤维素转化率＝100％×被酶解的半纤维素的重量/半纤维素的总重量

单糖产率＝100％×(酶解得到的葡萄糖重量+酶解得到的木糖重量)/秸秆干重

实施例7

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备单糖的方法。

(1)连续蒸汽爆破

取1000克含水量为55重量％的玉米秸秆，切成2.0厘米×0.6厘米×0.8厘米的小段，然后连续将该1000克含水量为55重量％的玉米秸秆输送至保温压力装置中，所述保温压力装置的压力为1.55兆帕，温度为190℃，所述玉米秸秆在该保温压力装置中连续传送，传送的线速度使得该玉米秸秆能够在190℃、1.55兆帕下维持6分钟，之后，每隔7秒钟，使该保温压力装置的阀门开启一次，2秒钟后，阀门关闭，使部分玉米秸秆释放到常压喷出，完成蒸汽爆破，并重复上述过程进行连续蒸汽爆破。每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的8重量％，约120克。最后收集蒸汽爆破产物，将所得蒸汽爆破产物与65℃的水按照重量比1∶2搅拌混合40分钟，然后用离心泵LW400型卧螺离心机(张家港华大离心机制造有限公司)在900转/分钟转速下进行固液分离，共得到1500克蒸汽爆破产物(含水量为70重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得1500克蒸汽爆破产物中共含纤维素195.8克，半纤维素57.6克。

(2)酶解

将步骤(1)取样测试后剩余的水洗蒸汽爆破产物，与800克水混合，调节pH值至3.5，加热至50℃后，以每克秸秆的干重计，加入10酶活力单位的纤维素酶和4.5酶活力单位的半纤维素酶(北京化学试剂公司)，并在50℃下保温48小时。将酶解产物用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共198.2克，木糖共46克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共178.6克，所述酶解得到的木糖重量除以1.14，即蒸汽爆破产物中被酶解的半纤维素的重量共40.3克，按照下式计算纤维素转化率、半纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

纤维素转化率＝100％×被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量

半纤维素转化率＝100％×被酶解的半纤维素的重量/半纤维素的总重量

单糖产率＝100％×(酶解得到的葡萄糖重量+酶解得到的木糖重量)/秸秆干重

表1

实施例或对比例	实施例1	对比例1	对比例2	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6	实施例7
										纤维素转化率(％)	93.8	74.0	76.8	93.0	92.5	92.7	89.0	91.9	91.2
半纤维素转化率(％)	-	-	-	-	-	-	-	71.0	70.0
										单糖产率(％)	43.7	34.3	35.9	43.4	43.1	44.2	42.5	55.4	54.3

从表1可以看出，采用本发明的蒸汽爆破含纤维的原料的方法得到的蒸汽爆破产物制备单糖的方法中，纤维素转化率和单糖产率比对比例1和对比例2的方法均有明显的提高。

Claims (9)

1.一种采用含纤维素的原料制备单糖的方法，该方法包括蒸汽爆破含纤维素的原料，酶解得到的蒸汽爆破产物，其特征在于，蒸汽爆破含纤维素的原料的方法包括将含纤维素的原料连续输送至保温压力装置中，使含纤维素的原料在该保温压力装置中保持3-10分钟后，每隔5-12秒使所述保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压，每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的6-15重量％；所述含纤维素的原料的含水量为30-60重量％。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述含纤维素的原料的含水量为35-50重量％。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，含纤维素的原料在该保温压力装置中保持4-7分钟，每隔7-10秒使所述保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，每次释放到常压的含纤维素的原料为120-180克。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保温压力装置的温度为180-200℃，压力为1.4-2.0兆帕。

6.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述含纤维素的原料的大小为0.5-3厘米×0.2-1厘米×0.2-1厘米。

7.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述含纤维素的原料为秸秆。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述酶解使用的酶包括纤维素酶，以每克含纤维素的原料的干重计，所述纤维素酶的用量为8-20酶活力单位；所述酶解的温度为45-55℃，所述酶解的时间为25-48小时，所述酶解的pH值为3.0-7.0。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述酶解使用的酶还包括半纤维素酶，以每克含纤维素的原料的干重计，所述半纤维素酶的用量为4.4-8.8酶活力单位。

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