CN101575619B - 一种以文冠果为原料多产物联产的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以文冠果为原料多产物联产的方法，属于生物化工技术领域。其特征是以文冠果为原料，将果壳、种皮、种仁分离后，利用果壳、种皮生产纤维素乙醇；种仁油与果壳、种皮生产的乙醇发生酯交换反应生产生物柴油；生成的副产物甘油通过微生物转化生产1，3-丙二醇；同时可得到药用皂苷、粗蛋白和木质素；生成的乙醇可在生物柴油生产、皂苷提取以及1，3-丙二醇的双水相萃取环节循环利用。本发明的效果和益处是该方法生产的生物柴油实现了完全的可再生，同时通过该方法得到了许多高附加值的产品，利用文冠果实现了生物质能和生物基化学品的转化，实现原料充分利用以及产品价值最大化的可持续生产，降低了整个工艺过程的生产成本。

Description

一种以文冠果为原料多产物联产的方法

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，涉及一种以文冠果为原料多产物联产的方法。

背景技术

化石资源是重要的能源和生产化学品的原料，为人类社会的发展做出了重大贡献，然而化石资源不可再生，随着全球经济的高速发展，化石资源将逐步减少并枯竭。以可再生生物资源为原料通过化学、生物方法生产生物质能源和生物基化学品成为转变能源经济和可持续化学工业的重要手段。在生物质能源方面，燃料乙醇和生物柴油成为目前世界上应用最为普遍的液体生物质替代燃料，在生物基化学品方面，主要侧重于大宗化学品以及重要化工原料的可持续生产方法的研究和应用，如乳酸、柠檬酸、乙烯、1，3-丙二醇或高分子聚合物等产品。

生物柴油是脂肪酸甲酯或乙酯的混合物，目前世界上的生物柴油主要采用动植物油脂与甲醇发生酯交换反应制备而成，因甲醇主要来自天然气，所以当前的生物柴油还属于部分可再生能源燃料。生物柴油在西方国家的应用比较广泛且相对成熟，对于我国来说，原料资源成为制约国内生物柴油发展的主要问题，我国人口多，土地资源相对稀缺，不可能像欧美发达国家那样利用大量的耕地来种植油料作物。但我国有比较丰富的木本油料作物资源，它们具有适应性广、种植一次收获多年、不与农作物争地等优势，发展木本油料生物柴油更符合我国的国情。

文冠果作为重点开发的木本油料资源之一，其抗旱、抗寒能力强，对生长环境要求低，适合在荒山、沙化土地上种植，同时文冠果油的碳链长度与石化柴油长度接近，碘值、酸值和皂化值，也都符合生物柴油制造工艺的相关要求，是北方提取生物柴油的最佳木本油料植物。全国现有文冠果栽培面积约5.35万公顷(包括0.67万公顷野生林)，同时，2007年由国家林业局和中石油天然气股份有限公司共同投资在赤峰市建立了文冠果油料能源林示范基地0.7万公顷。随着北方种植规模的逐步扩大和树龄的不断增长和丰产，将会形成一定的文冠果生物柴油原料供应规模，这为我国发展文冠果生物柴油产业化奠定基础。

在大量生产文冠果生物柴油的过程中，随着文冠果种仁油提取过程对原料的处理，会产生大量的果壳、种皮以及油渣，果壳、种皮中含有大量的木质纤维素，油渣中富含蛋白质，在生产过程中还会产生大量的副产物甘油，这些副产物都有潜在的经济应用价值，如果得不到合理的利用将会造成巨大的资源浪费。所以，充分利用文冠果资源中的多种组分，通过生物精练技术，联合生产文冠果生物柴油和部分高附加值产品可降低生产成本，对促进以文冠果为原料生产生物柴油的产业化具有重要意义。

目前，以玉米、小麦等农产品为原料的燃料乙醇技术已成熟并得到广泛应用，然而以粮食为原料，势必与人“争粮”、“争地”，利用非粮资源是大势所趋。纤维素乙醇的原料来源广泛且成本低廉，是最有发展前景的生物燃料。河南天冠集团已建成投产一条年产300吨秸秆乙醇的中试生产线，6吨麦秸可变成1吨乙醇，这就使得我国的纤维素乙醇产业化成为可能。文冠果提取种仁油过程中所产生的大量的富含木质纤维素的果壳、种皮可作为生产纤维素乙醇的原料，发酵残渣中的木质素可用于制取燃料或化工原料。

1，3-丙二醇是一种重要的化工原料，可作为有机溶剂应用于油墨、印染、涂料、润滑剂、抗冻剂等行业。1，3-丙二醇最主要的用途是作为聚酯和聚氨酯合成的单体，特别是与对苯二甲酸聚合生成的聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)较之其他二醇与对苯二甲酸形成的聚酯具有许多更优良的特性。1，3-丙二醇传统的生产方法是以环氧乙烷或丙烯为原料的化学合成法，生产过程中能耗大，且产品难于分离，生产成本高。由甘油发酵生产1，3-丙二醇的生物法操作条件温和、副产物少、环境污染少，近年来备受关注。文冠果生产生物柴油过程中所产生的副产物甘油可作为发酵法生产1，3-丙二醇的原料。

专利CN1839986中指出文冠果种仁皂苷可用于治疗遗尿症并具有提高脑功能的作用，提供了一种文冠果种仁皂苷有效成分的提取方法；专利CN1416852中介绍了文冠果果壳皂苷可以调节和改善脑神经系统功能，对防治脑老化和脑血管病等都有显著效果，并提供了一种文冠果果壳皂苷活性成分的提取方法；这些具有药用活性的皂苷均可开发成为皂苷类药物。同时，种仁提油之后的油渣含有丰富的蛋白质，可作为提取蛋白质或氨基酸的原料，经过加工也可以作蛋白饲料。

针对文冠果多种组分和生物柴油副产物甘油的经济应用价值，本发明提供一种以文冠果为原料生产生物柴油，同时联产纤维素乙醇、1，3-丙二醇、药用皂苷、粗蛋白、木质素的多产物联产方法，充分利用文冠果实现生物质能以及生物基化学品的转化，降低了生产成本，实现原料充分利用以及产品价值最大化的可持续生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在以文冠果为原料生产生物柴油过程中，文冠果各种有经济利用价值成分的综合利用方法，提高文冠果资源利用率。

本发明采用的技术方案如下：

以文冠果为原料，将果壳、种皮、种仁分离，果壳经一定浓度乙醇提取果壳皂苷之后，利用果壳木质纤维素和种皮木质纤维素生产乙醇，同时得到木质素；种仁提取种仁油后得含蛋白质和皂苷的油渣，油渣经一定浓度乙醇提取种仁皂苷后得粗蛋白；种仁油与纤维素乙醇进行酯交换反应，得到生物柴油(脂肪酸乙酯)和副产物甘油，副产物甘油通过生物转化生成1，3-丙二醇；乙醇在整个工艺中循环利用。所述方法步骤为：

1.文冠果原料预处理

采摘新鲜的文冠果果实之后干燥除杂，挤压去果壳，经机械剥壳后将种仁与种皮分离，果壳与种皮粉碎备用。

2.文冠果果壳、种皮的利用和纤维素乙醇的生产

粉碎的果壳与55-80％乙醇按1∶3-10(w/v)的料液比混合，在60-80℃条件下加热回流提取，或超声、微波辅助提取2-5次，每次10min-5h，过滤合并提取液，滤液蒸发去乙醇，用2-4倍体积水溶解，过滤，滤液用等体积正丁醇萃取2-5次，合并正丁醇相，蒸发去正丁醇得果壳总皂苷，纯度为20-50％，果壳滤渣回收残留乙醇后备用。

粉碎的种皮或提取皂苷后的果壳滤渣与0.5％-2.5％的稀硫酸或稀盐酸按1∶5-15(w/v)料液比混合，在90-300℃条件下预处理10min-3h，使半纤维素的去除率为85-100％，过滤得到的滤液含半纤维素水解还原糖，用氨水、氢氧化钠等调pH4.0-5.0，用于发酵乙醇，固体残渣主要为纤维素与木质素，需用纤维素酶将纤维素水解糖化发酵生产乙醇。所采用的纤维素糖化发酵工艺包括：(1)分步水解糖化发酵法(SHF)即将纤维素先用纤维素酶糖化，得到糖化液之后再经微生物发酵成乙醇，糖化和发酵分两步进行；(2)同步糖化发酵法(SSF)即在加入纤维素酶的同时接入乙醇发酵的微生物，糖化和发酵过程同时进行；(3)同步糖化共发酵法(SSCF)即纤维素酶加入到预处理得到的半纤维素还原糖与预处理的纤维素残渣的混合液中，接入乙醇发酵微生物，糖化并同步发酵己糖与戊糖生产乙醇；(4)统合生物工艺(CBP)也称直接发酵法，即将纤维素酶生产、水解和发酵组合在一步里完成。上述发酵过程中所用的微生物为可以代谢半纤维素和纤维素的水解还原糖并产乙醇的菌种，主要包括：酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)、休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)、嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、大肠埃希氏菌(Escherichia coli)、产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)、尖镰孢菌(Fusarium oxysporum)、热纤梭菌(Clostridiumthermocellum)以及经改造的基因工程菌。菌种发酵生产乙醇的温度控制在30-70℃之间，pH为4.0-5.0。发酵之后，经精馏脱水等工艺处理得到纯度为99.0-99.9％的乙醇。剩余的果壳木质素、种皮木质素可用于制取燃料或化工原料。

3.文冠果种仁的利用

种仁经压榨或弱极性有机溶剂(如：正己烷、石油醚等)微波、超声辅助提取得种仁油和脱脂油渣。有机溶剂提取时，种仁粉碎后与溶剂按1∶5-15(w/v)的料液比混合，提取4-6次，每次10min-5h，回收溶剂。

种仁油渣与55-80％乙醇按1∶3-10(w/v)的料液比混合，在60-80℃条件下加热回流提取，或超声、微波辅助提取2-5次，每次10min-5h，过滤合并提取液，滤液蒸发去乙醇，用2-4倍体积水溶解，过滤，滤液用等体积正丁醇萃取2-5次，合并正丁醇相，蒸发去正丁醇得种仁总皂苷，纯度为20-50％。过滤的残渣回收残留乙醇得粗蛋白，可作为提取蛋白质或氨基酸的原料，经过加工也可以作蛋白饲料。

种仁总皂苷与果壳总皂苷合并，经色谱分离等进一步的纯化操作，可开发成为皂苷类药物。

4.种仁油联产生物柴油和1，3-丙二醇

文冠果种仁油与果壳、种皮生产的纤维素乙醇在一定温度下，由催化剂催化进行酯交换反应，反应结束后，上层为生物柴油粗品，下层主要为甘油和乙醇的混合物，上层生物柴油粗品纯化后得生物柴油，下层蒸馏乙醇后得副产物粗甘油。其中：乙醇与种仁油的摩尔比为3-40∶1，催化剂采用碱催化剂、酸催化剂或酶催化剂，催化剂用量为种仁油重量的0.1％-10％，酯交换反应温度为20-120℃，反应时间为0.5-24h。

酯交换反应的副产物甘油，直接作为微生物发酵法生产1，3-丙二醇的底物，所述微生物为克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)、弗氏柠檬菌(Citrobacterfreundii)和丁酸梭状芽孢杆菌(Clostridium butyricum)，发酵过程中的接种量为5％-20％，初始甘油浓度为2％-15％，pH为6.0-8.0，在30-40℃之间进行厌氧或微氧发酵，发酵之后，经专利CN101012151A中所述的双水相萃取分离和精馏得到1，3-丙二醇，纯度为98.0-99.9％。

5.乙醇循环利用

由果壳、种皮生产的纤维素乙醇在生物柴油生产、皂苷提取以及1，3-丙二醇双水相萃取等环节循环利用。

本发明的效果和益处是该多产物联产的综合利用方法在文冠果生物柴油生产过程中无需额外补充短链醇，而是利用文冠果果壳、种皮生产的纤维素乙醇与文冠果种仁油发生酯交换反应，生成的生物柴油完全可再生。同时该方法联产得到纤维素乙醇、1，3-丙二醇、药用皂苷、粗蛋白、木质素等具有高附加值的产品，使文冠果生物资源得到了充分的利用，降低了整个工艺过程的生产成本，延长了文冠果生物柴油产业链，实现了可持续化生产。

附图说明

附图是以文冠果为原料多产物联产的综合利用工艺流程图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例

(1)原料预处理

10Kg干燥的文冠果经挤压去果壳和机械剥壳去种皮，得到5380g果壳、2075g种仁、2533g种皮，果壳、种皮粉碎备用。

(2)果壳、种皮的利用和纤维素乙醇的生产

粉碎的果壳与70％乙醇按1∶7(w/v)的料液比混合，在70℃条件下加热回流提取3次，每次5h，过滤合并提取液，回收乙醇得浸膏，将浸膏用5倍量水溶解，用等体积的正丁醇萃取3次，合并正丁醇相，回收正丁醇，得褐色浸膏，含皂苷67g，纯度为33％。

提取皂苷后的果壳滤渣回收残留乙醇与粉碎的种皮按2∶1(w/w)混合，向混合物料中以1∶10(w/v)的料液比加入1.6％的稀硫酸，在130℃条件下处理90min，冷却至室温后，加一定量的水补充至原体积，用氨水将pH调为5.0，按20U/g纤维底物、14U/g纤维底物的加酶量分别加入纤维素酶和木聚糖酶，在50℃条件下糖化酶解48h，过滤得糖化水解液，水解液还原糖浓度为41.18g/L，同时产生果壳木质素、种皮木质素滤渣2078g。

糖化液灭菌后以10％的接种量接入休哈塔假丝酵母CICC 1766，在30℃、125r/min条件下发酵，发酵结束后，乙醇浓度为11.56g/L，将发酵液精馏脱水，得620g乙醇，纯度为99.7％。

(3)种仁的利用

种仁经压榨和正己烷辅助提取得种仁油1099g和973g脱脂油渣。

种仁油渣与70％乙醇按1∶5(w/v)的料液比混合，超声辅助提取3次，每次30min，过滤合并提取液，回收乙醇，用3倍量水溶解浸膏，再用等体积正丁醇萃取3次，合并正丁醇相，回收正丁醇得棕黄色浸膏，含皂苷16g纯度为30％，滤渣含粗蛋白519g。

(4)生物柴油的生产及副产物甘油的生物转化

1099g种仁油与果壳、种皮生产的乙醇以NaOH为催化剂在70℃条件下进行酯交换反应，醇油摩尔比为10∶1，催化剂用量为油重的1％，反应1.5h，转化率为95％，静置分层，上层为生物柴油粗品，下层主要为甘油和乙醇的混合物。上层生物柴油粗品纯化后得1044g生物柴油，下层蒸馏乙醇后得102g纯度为75％的副产物粗甘油，酯交换反应消耗乙醇162g。

副产物甘油可直接作为微生物发酵法生产1，3-丙二醇的底物，所用菌种为克雷伯氏杆菌CGMCC2028，发酵过程中的接种量为10％，初始甘油浓度为40g/L，pH保持7.0，温度控制在37℃，发酵到一定程度，流加副产物甘油，使其浓度保持在10-20g/L之间，发酵结束后，1，3-丙二醇浓度为51.3g/L，经双水相萃取分离及精馏纯化得到39g 1，3-丙二醇，纯度为98.5％。

(5)所得产物情况

10kg干燥的文冠果经多产物联产的综合利用工艺处理之后，可得到620g纤维素乙醇、1044g生物柴油、39g 1，3-丙二醇、83g皂苷、519g粗蛋白以及2028g木质素残渣。

Claims (7)

1.一种以文冠果为原料多产物联产的方法，其特征在于由以下步骤完成：

(1)以文冠果果实为原料，干燥除杂，用机械方法将果壳、种皮、种仁分离，果壳、种皮粉碎备用；

(2)粉碎的果壳用乙醇提取果壳总皂苷，剩余的果壳残渣回收残留乙醇，果壳残渣或粉碎的种皮经稀酸预处理后，用纤维素酶糖化，糖化后过滤得到的糖化水解液用于发酵生产乙醇，将发酵液精馏脱水得到乙醇，糖化后过滤得到的残渣为木质素；

(3)种仁经压榨或弱极性有机溶剂提取得到种仁油与脱脂油渣，油渣用乙醇提取种仁总皂苷，剩余的残渣回收残留乙醇得到粗蛋白；

(4)种仁油与果壳、种皮生产的乙醇发生酯交换反应生产生物柴油，同时生成副产物甘油；

(5)副产物甘油回收残留乙醇后通过微生物发酵生产1，3-丙二醇，发酵后经双水相萃取分离和精馏得到1，3-丙二醇。

2.根据权利要求1所述的一种以文冠果为原料多产物联产的方法，其特征在于：所述果壳和种仁总皂苷的提取方法为：粉碎的果壳或种仁油渣与55-80％乙醇按1∶3-10(w/v)的料液比混合，在60-80℃条件下加热回流提取2-5次，每次10min-5h，过滤合并提取液，滤液蒸发去乙醇，用2-4倍体积水溶解，过滤，滤液用等体积正丁醇萃取2-5次，合并正丁醇相，蒸发去正丁醇得到总皂苷。

3.根据权利要求1所述的一种以文冠果为原料多产物联产的方法，其特征在于：所述果壳和种皮纤维素乙醇的生产过程为：粉碎的种皮或提取皂苷后的果壳残渣与0.5％-2.5％的稀硫酸或稀盐酸按1∶5-15(w/v)料液比混合，在90-300℃条件下预处理10min-3h，使半纤维素的去除率为85-100％，过滤得到的滤液含半纤维素水解还原糖，用氨水、氢氧化钠等调pH4.0-5.0，用于发酵乙醇，固体残渣用纤维素酶将纤维素水解糖化发酵生产乙醇；所采用的纤维素糖化发酵工艺为：分步水解糖化发酵法(SHF)、同步糖化发酵法(SSF)、同步糖化共发酵法(SSCF)或统合生物工艺(CBP)；乙醇发酵过程中所用的微生物主要包括：酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)、休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)、嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、大肠埃希氏菌(Escherichia coli)、产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)、尖镰孢菌(Fusarium oxysporum)、热纤梭菌(Clostridium thermocellum)以及经改造的基因工程菌，菌种发酵生产乙醇的温度控制在30-70℃之间，pH为4.0-5.0。

4.根据权利要求1所述的一种以文冠果为原料多产物联产的方法，其特征在于：所述种仁油的提取方法为：经压榨或弱极性有机溶剂正己烷辅助提取；有机溶剂提取时，种仁粉碎后与溶剂按1∶5-15(w/v)的料液比混合，提取4-6次，每次10min-5h，回收溶剂。

5.根据权利要求1所述的一种以文冠果为原料多产物联产的方法，其特征在于：生产生物柴油所用乙醇为果壳、种皮生产的纤维素乙醇，种仁油与乙醇发生酯交换反应的条件为：乙醇与种仁油的摩尔比为3-40∶1，催化剂采用碱催化剂、酸催化剂或酶催化剂，催化剂用量为种仁油重量的0.1％-10％，酯交换反应温度为20-120℃，反应时间为0.5-24h。

6.根据权利要求1所述的一种以文冠果为原料多产物联产的方法，其特征在于：生物柴油的副产物甘油用于微生物发酵生产1，3-丙二醇，所用微生物为克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)、弗氏柠檬菌(Citrobacter freundii)和丁酸梭状芽孢杆菌(Clostridium butyricum)，发酵过程中的接种量为5％-20％，初始甘油浓度为2％-15％，pH为6.0-8.0，在30-40℃之间进行厌氧或微氧发酵。

7.根据权利要求1所述的一种以文冠果为原料多产物联产的方法，其特征在于：文冠果果壳、种皮生产的乙醇在生物柴油生产、皂苷提取以及1，3-丙二醇的双水相萃取分离环节循环利用。

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