CN101619332B - 一种甘蔗渣高效糖化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种甘蔗渣高效糖化的方法，其采用将甘蔗渣与热碱液混合均匀后，进行蒸煮，再进行固液分离，分离后的黑液经膜处理后回收碱液以重复利用，黑液中的木质素去磺化制成磺化木素产品，固相在常温常压下，在酶的催化作用下酶解，酶解糖液质量好，可以直接发酵生产酒精、丁二酸等发酵产品，解决了甘蔗厂的固体废弃物污染问题。本发明先对甘蔗渣进行预先处理，可以减少原料中对发酵有害的物质，碱液能有效回收利用，酶解糖液不产生对发酵有害的物质，同时经处理后的物料酶解得率高，可满足不同的生物质发酵生产工艺。

Description

一种甘蔗渣高效糖化的方法
技术领域
本发明属于生物化工技术领域，涉及一种甘蔗渣高效糖化的方法。
背景技术
作为世界经济支柱的石油资源预计在数十年左右将会枯竭，因此，石油替代品的开发研究迫在眉睫。目前有很多国家在研究以木质生物资源为原料用生物转化法制备燃料乙醇，以替代或部分替代储量有限的石油。
木质生物资源的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。其中，纤维素、半纤维素是可发酵糖的来源，含量占66～75％(纤维质原料的绝干重量)。由已糖通过酿酒酵母发酵生成乙醇是很成熟的工艺，当采用纤维素酶水解木质生物资源制造乙醇时，纤维素酶必须接触吸附到纤维素底物上才能使反应进行，因此，纤维素对纤维素酶的可及性是决定水解速度的关键因素。
影响纤维素酶解的主要因素有三种，按影响程度大小依次是纤维素的比表面积、纤维素中的木质素含量、纤维素的结晶度和聚合度，研究表明，纤维素的比表面积越大，酶解作用越快，酶解率越高；酶解时木质素对纤维素酶起到了一定的屏蔽作用，木质素含量越大，酶解率越低；纤维素的结晶结构影响了纤维素酶向纤维素扩散传递速度。因此木质纤维素类生物质若想提高提高酶解率，应降低纤维素中的木质素量及纤维素的结晶度及聚合度，以增大纤维素与酶接触的比表面积。
发明内容
本发明的目的是提供一种甘蔗渣高效糖化的方法，其采取低浓度碱液情况下进行预处理，碱液能有效回收利用，酶解糖液不产生对发酵有害的物质，同时提高了原料的酶解得率，可满足不同的生物质发酵生产工艺。
为了实现本发明目的，本发明的一种甘蔗渣高效糖化的方法，其包括以下步骤：
1)先将切碎的甘蔗渣与质量百分比浓度为0.1～10％的碱溶液在55～140℃下进行蒸煮反应，时间控制在10～300min之间，甘蔗渣与碱溶液的重量比为1∶1～10；
2)反应后进行分离，得固体产物和液体产物；
3)所述固体产物经纤维素酶催化水解得酶解糖液；
4)所述液体产物经膜过滤后，液体回收用步骤1)的反应，膜过滤后的浓相(木质素)再经磺化后制成磺化木素产品。
其中，所述甘蔗渣的切碎粒度为0.01～50mm，优选的粒度为0.1～30mm。
所述碱水溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液，其质量百分比浓度优选为1～3％。
所述甘蔗渣与碱溶液优选的重量比是1∶3～10。
步骤1)中反应温度的控制可以用过热蒸汽或饱和蒸汽。
优选的温度控制范围是75～125℃，最优的温度范围是95～115℃。较佳的反应时间是30～90min之间。
步骤2)中所述分离采用离心分离，离心速率为2000～3000rpm。
步骤3)中经过处理后的固体产物中木质素含量已经降低了，有利于酶解，所述纤维素酶的用量为15～30FPIU/克底物(以干基计)。
酶解过程中，酶解pH4.6～5.0，最优pH4.8，温度为48℃～50℃，最优温度50℃，搅拌转速100～200rpm，最优搅拌转速180rpm，酶解时间控制在48～72小时，最优酶解时间控制在70小时。
步骤4)中所述膜过滤所采用的过滤膜为有机膜，膜孔径的分子量为3000～4000。
步骤4)中所述的液体，经有机膜过滤后，大分子的木质素等有机物被膜截留下来，而小分子的无机盐及大部分的水则穿透膜，膜透淅项中含有的碱可以重新回步骤1)中重复利用，膜截留下来的浓相，倒入反应釜内，温度在70～80℃下，加入甲醛，甲醛总量为干物总量的10～15％，反应2～3小时后，再升温到90～100℃，加入亚硫酸钠，亚硫酸钠总量为总干物量的15～20％，反应3-4小时后，物料经喷雾干燥就可制得磺化木素产品。
本发明所述酶解糖液可经过发酵生产酒精、丁二酸等发酵产品。
本发明采用将甘蔗渣与一定浓度的热碱液混合均匀后，进行蒸煮，再进行固液分离，分离后的黑液经膜处理后回收碱液以重复利用，黑液中的木质素去磺化制成磺化木素产品，固相在常温常压下，经酶的催化作用，酶解糖液质量好，可以直接发酵生产酒精、丁二酸等发酵产品，解决了甘蔗厂的固体废弃物污染问题。
本发明以甘蔗渣为原料，采取低浓度碱液情况下进行预处理，碱液能有效回收利用，酶解糖液不产生对发酵有害的物质，同时经处理后的物料酶解得率高，可满足不同的生物质发酵生产工艺。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
下述实施例中所用的纤维素酶均为无锡杰能科生物工程有限公司生产的纤维素酶。
实施例1
在一个适当的反应釜内，加入800克切碎后的风干的甘蔗渣(粒度为0.1mm)，水份在10％，然后按固液重量比1∶8的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液质量百分比浓度2％，封好口后，在95℃条件下保温1.5小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经有机膜(膜分子量3000)以回收其中的碱，膜滤后的浓相黑液倒入反应釜内，升温至70℃，加入甲醛，甲醛总量为干物总量的10％，反应2小时后，再升温到90℃，加入亚硫酸钠，亚硫酸钠总量为总干物量的20％，反应3小时后，物料经喷雾干燥就可制得磺化木素产品。
离心后所得固相加入容器中，同时加入同等固相重量的水，用20％(g/100ml)浓度的稀硫酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为30FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，酶解液总糖浓度16.4％，综纤维素酶解得率88.4％。
实施例2
在一个适当的反应釜内，加入800克切碎后的甘蔗渣(粒度为10mm)，水份在56％，然后按固液重量比1∶10的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液质量百分比浓度2％，封好口后，在100℃条件下保温1.0小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经有机膜(膜分子量2000)以回收其中的碱，膜滤后的浓相倒入反应釜内，升温至70℃，加入甲醛，甲醛总量为干物总量的10％，反应2小时后，再升温到90℃，加入亚硫酸钠，亚硫酸钠总量为总干物量的20％，反应3小时后，物料经喷雾干燥就可制得磺化木素产品。
离心后所得固相加入容器中，同时加入同等固相重量的水，用20％(g/100ml)浓度的稀硫酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为30FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，酶解液总糖浓度15.8％，综纤维素酶解得率89.2％。
实施例3
在一个适当的反应釜内，加入1200克切碎后的甘蔗渣(粒度为50mm)，水份在56％，然后按固液重量比1∶6的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度1.8％，封好口后，在105℃条件下保温1.0小时进行预处理，得到的浆液在3000rpm离心机内离心，离心后的黑液经有机膜(膜分子量3000)以回收其中的碱，膜滤后的浓相倒入反应釜内，升温至70℃，加入甲醛，甲醛总量为干物总量的10％，反应2小时后，再升温到90℃，加入亚硫酸钠，亚硫酸钠总量为总干物量的20％，反应3小时后，物料经喷雾干燥就可制得磺化木素产品。
离心后所得固相加入容器中，同时加入同等固相重量的水，用20％(g/100ml)浓度的稀硫酸调节pH到4.6，调节温度到48℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为20FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速200rpm，酶解时间控制在70小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，酶解液总糖浓度16.7％，综纤维素酶解得率90.2％。
实施例4
在一个适当的反应釜内，加入1200克切碎后的甘蔗渣(粒度为30mm)，水份在56％，然后按固液重量比1∶8的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度2.0％，封好口后，在85℃条件下保温1.0小时进行预处理，得到的浆液在2500rpm离心机内离心，离心后的黑液经有机膜(膜分子量3000)以回收其中的碱，膜滤后的浓相倒入反应釜内，升温至70℃，加入甲醛，甲醛总量为干物总量的10％，反应2小时后，再升温到90℃，加入亚硫酸钠，亚硫酸钠总量为总干物量的20％，反应3小时后，物料经喷雾干燥就可制得磺化木素产品。
离心后所得固相加入容器中，同时加入同等固相重量的水，用20％(g/100ml)浓度的稀硫酸调节pH到5.0，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为30FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，酶解液总糖浓度14.6％，综纤维素酶解得率82.2％。
实施例5
在一个适当的反应釜内，加入2000克切碎后的甘蔗渣(粒度为20mm)，水份在56％，然后按固液重量比1∶8的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度2.0％，封好口后，在140℃条件下保温0.5小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经有机膜(膜分子量4000)以回收其中的碱，膜滤后的浓相倒入反应釜内，升温至75℃，加入甲醛，甲醛总量为干物总量的15％，反应2小时后，再升温到90℃，加入亚硫酸钠，亚硫酸钠总量为总干物量的20％，反应3小时后，物料经喷雾干燥就可制得磺化木素产品。
离心后所得固相加入容器中，同时加入同等固相重量的水，用20％(g/100ml)浓度的稀硫酸调节pH到4.8，调节温度到48℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为15FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速180rpm，酶解时间控制在60小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，酶解液总糖浓度16.7％，综纤维素酶解得率89.2％。
实施例6
在一个适当的反应釜内，加入2000克切碎后的甘蔗渣(粒度为30mm)，水份在56％，然后按固液重量比1∶3的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度2.0％，封好口后，在115℃条件下保温2.0小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经有机膜(膜分子量3000)以回收其中的碱，膜滤后的浓相黑液倒入反应釜内，升温至80℃，加入甲醛，甲醛总量为干物总量的10％，反应3小时后，再升温到90℃，加入亚硫酸钠，亚硫酸钠总量为总干物量的20％，反应3小时后，物料经喷雾干燥就可制得磺化木素产品。
离心后所得固相加入容器中，同时加入1.5倍固相重量的水，用20％(g/100ml)浓度的稀硫酸调节pH到5.0，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为20FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速150rpm，酶解时间控制在48小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，酶解液总糖浓度7.8％，综纤维素酶解得率65.2％。
实施例7
在一个适当的反应釜内，加入2000克切碎后的甘蔗渣(粒度为0.01mm)，水份在56％，然后按固液比1∶1的比例加入热的氢氧化钾溶液，碱液浓度3％，封好口后，在125℃条件下保温3.0小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经有机膜(膜分子量3000)以回收其中的碱，膜滤后的浓相黑液倒入反应釜内，升温至70℃，加入甲醛，甲醛总量为干物总量的10％，反应2小时后，再升温到95℃，加入亚硫酸钠，亚硫酸钠总量为总干物量的18％，反应4小时后，物料经喷雾干燥就可制得磺化木素产品。
离心后所得固相加入容器中，同时加入1.5倍固相重量的水，用20％(g/100ml)浓度的稀硫酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为30FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm，酶解时间控制在70小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，酶解液总糖浓度6.1％，综纤维素酶解得率51.2％。
实施例8
在一个适当的反应釜内，加入2000克切碎后的甘蔗渣(粒度为30mm)，水份在56％，然后按固液比1∶6的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度1.0％，封好口后，在75℃条件下保温5.0小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经有机膜(膜分子量4000)以回收其中的碱，膜滤后的浓相黑液倒入反应釜内，升温至75℃，加入甲醛，甲醛总量为干物总量的12％，反应2小时后，再升温到90℃，加入亚硫酸钠，亚硫酸钠总量为总干物量的20％，反应3小时后，物料经喷雾干燥就可制得磺化木素产品。
离心后所得固相加入容器中，同时加入1.5倍固相重量的水，用20％(g/100ml)浓度的稀硫酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为30FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，酶解液总糖浓度6.8％，综纤维素酶解得率54.2％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种甘蔗渣高效糖化的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
1)先将切碎的甘蔗渣与质量百分比浓度为0.1～10％的碱溶液在95～115℃下进行蒸煮反应，时间控制在10～300min之间，甘蔗渣与碱水溶液的重量比为1∶1～10；
2)反应后进行分离，得固体产物和液体产物；
3)所述固体产物经纤维素酶催化水解得酶解糖液，所述纤维素酶的用量为15～30FPIU/克底物；酶解过程中，酶解pH为4.6～5.0，温度为48～50℃，搅拌转速为100～200rpm，酶解时间控制在48～72小时；
4)所述液体产物经膜过滤后，液体回收用于步骤1)的反应，膜过滤后的浓相在70～80℃下，加入甲醛，甲醛总量为干物总量的10～15％，反应2～3小时后，再升温到90～100℃，加入亚硫酸钠，亚硫酸钠总量为总干物量的15～20％，反应3～4小时后，物料经喷雾干燥制成磺化木素产品。
2.根据权利要求1所述一种甘蔗渣高效糖化的方法，其特征在于，所述甘蔗渣的切碎粒度为0.01～50mm。
3.根据权利要求1或2所述一种甘蔗渣高效糖化的方法，其特征在于，所述碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
4.根据权利要求3所述一种甘蔗渣高效糖化的方法，其特征在于，所述碱溶液的质量百分比浓度为1～3％。
5.根据权利要求4所述一种甘蔗渣高效糖化的方法，其特征在于，所述甘蔗渣与碱溶液的重量比是1∶3～10。
6.根据权利要求1所述一种甘蔗渣高效糖化的方法，其特征在于，步骤1)中反应时间为30～90min。
7.根据权利要求1所述一种甘蔗渣高效糖化的方法，其特征在于，步骤2)中所述分离采用离心分离，离心速率为2000～3000rpm。
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