CN101705267B - 一种甘蔗渣高效糖化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种甘蔗渣高效糖化的方法，其先将甘蔗渣在70～140℃下，与浓度为0.1～20wt％的催化剂溶液，以1∶1～20的重量比进行混合，处理时间10～100分钟，所述催化剂溶液为氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液；然后进行固液分离，将固体物中加入纤维素酶进行酶解。本发明的方法不产生对酶解和发酵有害物质，能减少生物质中碳水化合物的降解损失，提高原料酶解得率，有效降低生产成本。

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，涉及一种将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。
木质生物资源包括玉米秸秆、麦秆、甘蔗等，其主要成分是纤维素、半纤维素和木素。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)。由己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。
木素的存在阻碍了纤维素对酶的可及性，且纤维素的结晶结构以及木质生物资源的表面状态、木质生物资源的多组分结构、木素对纤维素的保护作用以及纤维素被半纤维素覆盖等结构与化学成分的因素致使木质生物资源难以水解。
预处理方法的选择主要从提高效率、降低成本、缩短处理时间和简化工序等方面考虑。理想的预处理应能满足下列要求：产生活性较高的纤维，其中戊糖较少降解；反应产物对发酵无明显抑制作用；分离出的木素纯度较高，可以制备相应的其他化学品，实现生物质的全利用。
由于木质纤维容重较小，每立方仅重100kg左右，收集及运输存在困难，不利于大规模工业化生产，同时木质纤维原料灰份较大，平均灰份在10％左右，而甘蔗渣具有原料集中，同时蔗渣中灰份较低，仅在2％左右，而且纤维素及半纤维素含量较其它木质纤维素高出5～10％，同样的处理方式，1吨蔗渣酶解产总糖能达到550kg，而其它木质纤维素吨产总糖仅在450kg以下。
发明内容
本发明的目的是提供一种将甘蔗渣高效糖化的方法，该方法不产生对酶解和发酵有害的物质，能减少生物质中碳水化合物的降解损失，提高原料酶解得率，有效降低生产成本。
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，其包括如下步骤：
1)对甘蔗渣进行预处理：
先将甘蔗渣在70～140℃下，与浓度为0.1～20wt％的催化剂溶液，以1∶1～20的重量比进行混合，反应时间10～100分钟，所述催化剂溶液为氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液；
2)酶解
预处理后进行固液分离，将固体物中加入纤维素酶进行酶解。
其中，所述甘蔗渣一般选用切好后的甘蔗渣(甘蔗经压榨后的残渣)。切碎粒度为0.01～50mm，优选切碎粒度为1～20mm。
步骤1)中预处理过程中采用过热蒸汽或饱和蒸汽控温。
预处理的温度优选为95～115℃，处理时间以30～120分钟为佳。
所述催化剂溶液的浓度优选为1～3wt％。
所述甘蔗渣和催化剂溶液的优选重量比是1∶4～8。
其中，氢氧化钠溶液的浓度为1～10wt％，优选为1～3wt％；亚硫酸钠溶液的浓度为0.5～20wt％，优选为0.5～3wt％。
本发明甘蔗渣经过预处理后，可分离得到固体和液体两种产物，分离可采用离心分离；然后先用水洗涤固体产物，再用酶催化水解固体产物生成主要由葡萄糖及木糖构成的混合糖，这些混合糖还可以进一步发酵生成酒精、丁二酸等发酵产品。
预处理后固体物经纤维素酶进行酶解，其加入量为10～30FPIU/克底物，pH在4.5～5.2，温度在46～50℃，酶解时酶解搅拌转速100～200rpm/min，酶解时间在48～72小时。
预处理后固液分离后得到的液体物(蒸煮黑液)，经膜浓缩后，再进一步浓缩可制成磺化木素产品，进行利用，减少了预处理的成本。
本发明甘蔗渣高效糖化的方法，具有以下有益效果：
1)用碱量低，现有的碱处理技术用碱量大，碱用量占所处理物料干物重量的16～20％，本发明用碱量只占所处理干物重量的8～10％；
2)温度低，干物收率高，现有碱处理技术处理温度在170℃，需压力容器，设备投资大，且处理后的物料干物收率低，仅在45％，而本发明碱处理温度低于120℃，不需要压力容器，设备投资小，且处理后的物料干物收率高，达到60％以上；
3)在物料总量不变的情况下，现有碱处理技术后木质纤维素原料的绝干物料吨产糖仅能达到400公斤，而本方法处理后的甘蔗渣绝干物料吨产糖能达到550公斤以上；
4)在常压下对物质进行预处理，不产生对酶解和发酵有害物质，能减少物质中碳水化合物的降解损失，提高原料得率，综纤维素得率在60％以上，同时综纤维素酶解得率高，总纤维素酶解得糖率达到85％以上，有效降低生产成本。
5)本发明高效糖化方法中，酶解液中还原糖浓度高达15％，远远大于同类8～12％酶解液的还原糖浓度，减少酶解糖液的浓缩成本。
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商品纤维素酶。
实施例1
在一个适当的反应釜内，加入400克切碎后的风干甘蔗渣，然后按固液比1∶8(重量比)的比例加入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液，氢氧化钠碱液浓度1.6％，亚硫酸钠浓度为1.2％，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，离心后的黑液经浓缩后，制成磺化木素产品；所得固相加入容器中，加水调节浓度到20％，用酸调节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/min，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，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为60.5％，酶解总还原糖得率88.5％，酶解糖液中总还原浓度15.2％。
实施例2
在一个适当的反应釜内，加入400克切碎后的风干甘蔗渣，然后按固液比1∶8(重量比)的比例加入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液，氢氧化钠碱液浓度1.6％，亚硫酸钠浓度为0.8％，封好口后，在90℃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，离心后的黑液经浓缩后制得磺化木素产品；所得固相加入容器中，加水调节浓度到20％，用酸调节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/min，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，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为61.4％，酶解总还原糖得率86.3％，酶解糖液中总还原浓度15.1％。
实施例3
在一个适当的反应釜内，加入400克切碎后的风干甘蔗渣，然后按固液比1∶8(重量比)的比例加入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液，氢氧化钠碱液浓度1.6％，亚硫酸钠浓度为1.5％，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，离心后的黑液经浓缩后制得磺化木素产品；所得固相加入容器中，加水调节浓度到20％，用酸调节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/min，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，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为60.3％，酶解总还原糖得率89.3％，酶解糖液中总还原浓度15.6％。
实施例4
在一个适当的反应釜内，加入400克切碎后的风干甘蔗渣，然后按固液比1∶20(重量比)的比例加入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液，氢氧化钠碱液浓度1.6％，亚硫酸钠浓度为1.2％，封好口后，在105℃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，离心后的黑液经浓缩后制得磺化木素产品；所得固相加入容器中，加水调节浓度到20％，用酸调节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/min，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，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为62.4％，酶解总还原糖得率92.3％，酶解糖液中总还原浓度16.4％。
实施例5
在一个适当的反应釜内，加入400克切碎后的风干甘蔗渣，然后按固液比1∶4(重量比)的比例加入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液，氢氧化钠碱液浓度3.0％，亚硫酸钠浓度为0.5％，封好口后，在70℃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，离心后的黑液经浓缩后制得磺化木素产品；所得固相加入容器中，加水调节浓度到17％，用酸调节pH到4.5，调节温度到48℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速150rpm/min，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，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为65.4％，酶解总还原糖得率86.3％，酶解糖液中总还原浓度15.2％。
实施例6
在一个适当的反应釜内，加入400克切碎后的风干甘蔗渣，然后按固液比1∶3(重量比)的比例加入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液，氢氧化钠碱液浓度1.0％，亚硫酸钠浓度为1.2％，封好口后，在95℃条件下保温1.6小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经浓缩后制得磺化木素产品；所得固相加入容器中，加水调节浓度到15％，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为10FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，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，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为63.4％，酶解总还原糖得率85.4％，酶解糖液中总还原浓度15.7％。
实施例7
在一个适当的反应釜内，加入400克切碎后的风干甘蔗渣，然后按固液比1∶8(重量比)的比例加入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液，氢氧化钠碱液浓度1.0％，亚硫酸钠浓度为0.8％，封好口后，在115℃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，离心后的黑液经浓缩后制得磺化木素产品；所得固相加入容器中，加水调节浓度到10％，用酸调节pH到4.8，调节温度到46℃，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/min，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，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为68.4％，酶解总还原糖得率85.6％，酶解糖液中总还原浓度15.2％。
实施例8
在一个适当的反应釜内，加入400克切碎后的风干甘蔗渣，然后按固液比1∶10(重量比)的比例加入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液，氢氧化钠碱液浓度6％，亚硫酸钠浓度为3％，封好口后，在115℃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，离心后的黑液经浓缩后制得磺化木素产品；所得固相加入容器中，加水调节浓度到20％，用酸调节pH到5.2，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/min，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，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为61.7％，酶解总还原糖得率88.5％，酶解糖液中总还原浓度15.4％。
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 (5)

1.一种甘蔗渣高效糖化的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
1)对甘蔗渣进行预处理：
先将甘蔗渣在95～115℃下，与催化剂溶液以1∶4～8的重量比进行混合，反应时间30～120分钟，所述催化剂溶液为浓度为1～10wt％的氢氧化钠溶液与浓度为0.5～20wt％的亚硫酸钠溶液的混合溶液；
2)酶解
预处理后进行固液分离，将固体物中加入纤维素酶进行酶解；
纤维素酶加入量为10～30FPIU/克底物，pH在4.5～5.2，温度在46～50℃，酶解时间在48～72小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，氢氧化钠溶液的浓度为1～3wt％；亚硫酸钠溶液的浓度为0.5～3wt％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，酶解前，先用水洗涤固体产物。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预处理采用过热蒸汽或饱和蒸汽控温。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述甘蔗渣的粒度为0.01～50mm。
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