CN101748157B

CN101748157B - 一种玉米芯酸解渣与秸秆碱煮渣混合酶解方法

Info

Publication number: CN101748157B
Application number: CN2010100001966A
Authority: CN
Inventors: 李荣杰; 薛培俭; 尚海涛; 黄之文; 冯杰
Original assignee: Anhui BBCA Fermentation Technology Engineering Research Co Ltd
Current assignee: Anhui BBCA Fermentation Technology Engineering Research Co Ltd
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-01-08
Also published as: CN101748157A

Abstract

本发明提供了一种玉米芯酸解渣和秸秆碱煮渣混合酶解的方法，包括如下步骤：1)玉米芯经水洗、酸洗后，在酸性条件下水解，得到玉米芯酸解渣；2)秸秆经切碎、水洗后，在碱性条件下水解，得到秸秆碱煮渣；3)将上述玉米芯酸解渣与秸秆碱煮渣水洗后混合，作为酶解底物，将洗涤后的洗水混合作为酶解底水，用纤维素酶进行混合酶解。本发明的酶解方法，以洗涤酸解渣与碱煮渣的洗水作为酶解的底水，有效降低了酶解过程中的酸碱消耗，且洗水基本做到100％回用，降低了对环境的影响；即使底物浓度较高，也具有较快的液化速度；不影响原料酶解得率的同时，有效降低了生产成本。

Description

一种玉米芯酸解渣与秸秆碱煮渣混合酶解方法

技术领域

本发明涉及生物化工技术领域，具体地说，涉及一种玉米芯酸解渣与秸秆碱煮渣混合酶解制糖的方法。

背景技术

作为世界经济支柱的石油资源仅可维持工业文明百年的消耗，因此，石油替代品的开发研究迫在眉睫。目前很多国家都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的方法，用以替代或部分替代储量有限的石油。

木质生物资源主要包括谷类、薯类、油料等的植物秸秆，以及玉米芯、甘蔗渣等，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，其含量占66～75％(纤维质原料的绝干重量)，由可发酵糖通过酿酒酵母发酵生产乙醇是很成熟的工艺。

当采用纤维素酶水解木质生物资源时，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。但是，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。

因此，木质生物资源在酶水解之前需要进行必要的预处理，而预处理是利用木质生物资源生产乙醇工艺中技术最不成熟、成本最高的一个环节。

木质生物资源预处理的方法主要有物理法，化学法，物理化学法，生物法等。但其中很多方法都存在产率低、环境污染严重、成本高、操作复杂等缺点，不能推广使用。目前，较为成熟的化学预处理方法主要有酸水解法和碱水解法。

酸水解法包括浓酸水解和稀酸水解两种。稀酸水解过程为多相水解反应，硫酸浓度一般为0.5～2％，温度为180～240℃，时间为几分钟到几小时，其优点在于半纤维素水解得到的糖含量大，催化剂成本低，易于中和，但半纤维素的水解产物五碳糖易在该条件下进一步降解(糠醛)；浓酸水解过程为单相水解反应，纤维素在浓酸作用下首先溶解，然后在溶液中进行水解反应。浓酸能够迅速溶解纤维素，但并不是发生了水解反应，而是生成纤维素糊精而变得易于水解。

碱水解的处理效果主要取决于原料中的木素含量，其机理是基于连接木聚糖半纤维素和其他组分内部分子之间(比如木素和其他半纤维素之间)酯键的皂化作用。碱能使连接键脱除，从而增加了木质纤维原料的多孔性，引起木质纤维原料润胀，结果导致内部表面积增加，聚合度降低，结晶度下降，木素和碳水化合物之间化学键断裂，木素结构受到破坏，形成碱木素并溶出从而减少木素含量。

但是用上述方法进行预处理后再酶解，均不能做到木质生物资源的全利用，并且存在试剂回收、处理等方面的问题，污染环境，且生产成本较高。

为了解决上述问题，本发明人根据不同木质生物资源的成分含量不同，分别进行稀酸水解及碱水解，不同原料各组分得到有效分离，得到的酸解渣与碱煮渣按一定比例混合后进行酶解，以洗涤酸解渣与碱煮渣的洗水作为酶解的底水，有效降低了酶解过程中的酸碱消耗，且洗水基本做到100％回用，降低了对环境的影响，在不影响原料酶解得率的同时，有效降低了生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种玉米芯酸解渣与秸秆碱煮渣混合酶解的方法。

为了实现本发明的目的，本发明的玉米芯酸解渣与秸秆碱煮渣混合酶解方法，其包括如下步骤：

1)玉米芯经水洗、酸洗后，在酸性条件下水解，得到玉米芯酸解渣；

2)秸秆经切碎、水洗后，在碱性条件下水解，得到秸秆碱煮渣；

3)将上述玉米芯酸解渣与秸秆碱煮渣经水洗后按重量比2～1∶1混合，优选的重量比为3∶2，作为酶解底物；将洗涤后的洗水混合作为酶解底水；用纤维素酶进行混合酶解。

其中，步骤1)、步骤2)为预处理过程，步骤3)为酶催化水解(酶解)过程。

步骤3)中所述混合酶解是在酶解底水pH为4.0～6.0，酶解底物(干基计)的重量百分数为10％～30％的条件下，将纤维素酶加入到酶解底物中，加入量为10～30FPIU/g底物，在40～60℃的温度下，酶解24～120h。

优选的是，酶解底水pH为4.5～5.2，酶解底物(干基计)的重量百分数为12％～18％，酶解温度为48～50℃，酶解时间为48～72h。

步骤1)中所述水洗的条件为：温度70～100℃，时间10～120min，玉米芯与水的重量体积比为1kg∶1～10L。

优选的是，温度80～90℃，时间30～90min，玉米芯与水的重量体积比为1kg∶3～8L。

所述酸洗的条件为：用质量分数0.01％～1％的硫酸酸洗，酸洗温度70～120℃，时间10～100min，玉米芯与酸洗液的重量体积比为1kg∶1～10L。

优选的是，用质量分数0.05％～0.5％的硫酸进行酸洗，温度80～110℃，时间30～90min，玉米芯与酸的重量体积比为1kg∶3～8L。

步骤1)中所述水解的条件为：用质量分数0.05％～5％的硫酸水解，温度100～130℃，时间30～180min，玉米芯与酸的重量体积比为1kg∶1～10L。

优选的是，用质量分数0.1％～3％硫酸水解，温度105～130℃，时间60～160min，玉米芯与酸的重量体积比为1kg∶3～8L。

步骤2)中所述水解的条件为：用质量分数0.05％～5％的氢氧化钠溶液水解，温度100～150℃，时间30～180min，秸秆与碱溶液的重量体积比为1kg∶1～10L。

优选的是，用质量分数1％～2％氢氧化钠溶液水解，温度105～130℃，时间50～160min，秸秆与碱溶液的重量体积比为1kg∶3～8L。

步骤2)中所述秸秆为玉米秸秆、油菜秸秆、高粱秸秆、小麦秸秆或稻草秸秆，优选的是玉米秸秆。

在本发明中，预先将秸秆切碎，粒度为0.01～50mm，优选的是1～20mm。

在步骤1)和步骤2)的预处理过程中，采用过热蒸汽或饱和蒸汽控温。

在本发明中，因为玉米芯中含有30％左右的半纤维素，经稀酸水解后，其酸解液可用来制备木糖或发酵制备木糖醇，酸解渣继续酶解制备可发酵性糖；而秸秆中木素含量相对较高，直接酶解的效果很差，碱蒸煮可除去大部分木素，明显提高酶解率。

此外，本发明的玉米芯酸解渣和秸秆碱煮渣混合酶解方法，在稀酸水解及碱煮水解后，将固体与液体分离，分别得到酸解渣、酸解液，以及碱煮渣、黑液。

其中，酸解液为主要由葡萄糖及木糖构成的混合糖，可以生产木糖醇、柠檬酸等发酵产品。

黑液经浓缩后加入相应量的甲醛及亚硫酸钠，在一定的温度下生产磺化木素产品。

酸解渣与碱煮渣经水洗后，按一定比例混合作为酶催化水解(酶解)底物；并且，将洗涤后得到的酸性及碱性洗水混合，调节pH为4.0～6.0，优选4.5～5.2，作为酶解底水。

在本发明中，玉米芯酸解渣与秸秆碱煮渣混合酶解后主要生成由葡萄糖及木糖组成的混合糖。该混合糖可以通过常规发酵方法，进一步生成酒精、丁二酸等发酵产品。

本发明的玉米芯酸解渣与秸秆碱煮渣混合酶解方法，其优点在于：1)利用预处理过程中洗涤酸解渣与碱煮渣的洗水作为酶解的底水，使得酶解过程中的酸碱消耗基本为零，降低了成本；且洗水基本做到100％回用，不需要另行处理，降低了对环境的影响，节省成本。

2)以玉米芯酸解渣及秸秆碱煮渣按一定比例混合后的混合物为酶解底物，同时利用预处理过程中洗涤酸解渣与碱煮渣的洗水作为酶解底水，可使酶解体系的pH值处于4.0～6.0(后期只需进行微调至4.5～5.2)的较佳条件，即使底物浓度较高，也具有较快的液化速度。

3)只需在现有酶解发酵设备的基础上增加部分酸解或蒸煮设备，有效利用企业现有资源，进一步降低成本。

4)将玉米芯酸解渣及秸秆碱煮渣按一定比例混合后的混合物为酶解底物，酶解得糖率高，总纤维素酶解得糖率达到83％以上，且糖液质量好，不产生对进一步发酵有害的物质。

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。

(注：以下实施例的百分数均为重量百分数)

实施例1

取7.0kg玉米芯(水分13.29％，干基中纤维素39.13％、半纤维素31.07％、木素22.72％、灰分3.37％)，用35L 85℃热水洗涤30min后，再用50L 0.1％硫酸在95℃条件下酸洗1h，最后用30L 1.3％硫酸在118℃的条件下酸解2h，反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得酸解渣10.8kg(湿重，其中水分71.55％，干基中纤维素60.89％、半纤维素6.83％、木素26.67％，灰分1.15％)。

取3.5kg玉米秸秆(水分9.59％，干基中纤维素38.02％，半纤维素21.10％，木素24.65％，灰分7.34％)，用15.75L 2.0％的氢氧化钠溶液在105℃的条件下蒸煮1.5小时，反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得碱煮渣7.2kg(湿重，其中水分75.87％，干基中纤维素63.28％、半纤维素25.51％、木素6.87％，灰分7.83％)。

取酸解渣洗水及碱煮渣洗水加入到反应釜内，混合调节pH＝4.8，总计12kg；加入10.8kg(湿重)玉米芯酸解渣及7.2kg(湿重)玉米秸秆碱煮渣，控制温度为50℃，加入纤维素酶(注：实施例中所用的纤维素酶均购自无锡杰能科生物工程有限公司。)，酶用量为30FPIU/克底物(以干基计)，以180r/min的转速搅拌，酶解(酶催化水解)72h；

酶解过程中，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度，酶解总还原糖得率85.5％。

实施例2

玉米芯酸解渣、玉米秸秆碱煮渣的制备方法与实施例1相同。

取酸解渣洗水及碱煮渣洗水加入到反应釜内，混合调节pH＝4.5，总计6kg；加入5.4kg(湿重)玉米芯酸解渣及3.6kg(湿重)玉米秸秆碱煮渣，控制温度为50℃，加入纤维素酶，酶用量为30FPIU/克底物(以干基计)，以180r/min的转速搅拌，酶解48小时；

酶解过程中，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度，酶解总还原糖得率83.5％。

实施例3

取7.0kg玉米芯，用35L 70℃热水洗涤30min后，再用50L 1％硫酸于95℃条件下酸洗30min，最后用30L 3％硫酸于130℃条件下酸解180min，反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得酸解渣10.8kg(湿重)。

取3.3kg油菜秸秆(水分11.5％、干基中纤维素40.62％、半纤维素16.97％、木素18.9％、灰分7.97％)，用16.5L 1.8％氢氧化钠溶液于100℃条件下蒸煮2h，反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得碱煮渣7.2kg(湿重)。

取酸解渣洗水及碱煮渣洗水加入到反应釜内，混合调节pH＝5.2，总计12kg；加入10.8kg(湿重)玉米芯酸解渣及7.2kg(湿重)油菜秸秆碱煮渣，控制温度为50℃，加入纤维素酶，酶用量为20FPIU/克底物(以干基计)，以180r/min的转速搅拌，酶解72小时；

酶解过程中，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度，酶解总还原糖得率88％。

实施例4

取3.5kg玉米芯，用18L 90℃热水洗涤30min后，再用25L 0.5％硫酸于110℃条件下洗涤30min，最后用15L 5％硫酸于105℃条件下酸解2h，反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得酸解渣5.4kg(湿重)。

取3.5kg高粱秸秆，用21L 1％氢氧化钠溶液于110℃条件下蒸煮1h，反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得碱煮渣3.6kg(湿重)。

取酸解渣洗水及碱煮渣洗水加入到反应釜内，混合调节pH＝4.0，总计6.5kg；加入5.4kg(湿重)玉米芯酸解渣及3.6kg(湿重)高粱秸秆碱煮渣，调节温度到50℃，加入纤维素酶，酶用量为10FPIU/克底物(以干基计)，以180r/min的转速搅拌，酶解60小时；

在酶解过程中，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度，酶解总还原糖得率85％。

实施例5

取7.0kg玉米芯，用35L 80℃热水洗涤2h后，再用50L 1％硫酸于70℃条件下洗涤30min，最后用30L 0.1％硫酸于130℃条件下酸解3h，反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得酸解渣10.8kg(湿重)。

取3.0kg稻草秸秆(干基中纤维素39.12％、半纤维素22.45％、木素11.66％、灰分13.39％)，用15L 3％氢氧化钠溶液于105℃条件下蒸煮1.5h，反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得碱煮渣7.2kg(湿重)。

取酸解渣洗水及碱煮渣洗水加入到反应釜内，混合调节pH＝6.0，总计12.2kg；加入10.2kg(湿重)玉米芯酸解渣及6.8kg(湿重)稻草秸秆碱煮渣，调节温度到50℃，加入纤维素酶，酶用量为30FPIU/克底物(以干基计)，以180r/min的转速搅拌，酶解120小时；

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

1.一种玉米芯酸解渣与秸秆碱煮渣混合酶解方法，其特征在于，包括如下步骤：

3)将上述玉米芯酸解渣与秸秆碱煮渣经水洗后按重量比2～1∶1混合，作为酶解底物；将洗涤后的洗水混合作为酶解底水；用纤维素酶进行混合酶解。

2.根据权利要求1所述的酶解方法，其特征在于，步骤3)所述混合酶解是在酶解底水pH为4.0～6.0，酶解底物以干基计的重量百分数为10％～30％的条件下，将纤维素酶加入到酶解底物中，加入量为10～30FPIU/g底物，在40～60℃的温度下，酶解24～120h。

3.根据权利要求1所述的酶解方法，其特征在于，步骤1)中所述水洗的条件为：温度70～100℃，时间10～120min，玉米芯与水的重量体积比为1kg∶1～10L。

4.根据权利要求1所述的酶解方法，其特征在于，步骤1)中所述酸洗的条件为：用质量分数0.01％～1％的硫酸酸洗，酸洗温度70～120℃，时间10～100min，玉米芯与酸洗液的重量体积比为1kg∶1～10L。

5.根据权利要求1所述的酶解方法，其特征在于，步骤1)中所述水解的条件为：用质量分数0.05％～5％的硫酸水解，温度100～130℃，时间30～180min，玉米芯与酸的重量体积比为1kg∶1～10L。

6.根据权利要求1所述的酶解方法，其特征在于，步骤2)中所述水解的条件为：用质量分数0.05％～5％的氢氧化钠溶液水解，温度100～150℃，时间30～180min，秸秆与碱溶液的重量体积比为1kg∶1～10L。

7.根据权利要求1所述的酶解方法，其特征在于，步骤2)中所述秸秆为玉米秸秆、油菜秸秆、高粱秸秆、小麦秸秆或稻草秸秆。

8.根据权利要求7所述的酶解方法，其特征在于，步骤2)中所述秸秆为玉米秸秆。

9.根据权利要求1所述的酶解方法，其特征在于，步骤2)中所述切碎是指将秸秆切碎成粒度0.01～50mm。

10.根据权利要求9所述的酶解方法，其特征在于，步骤2)中所述切碎的粒度为1～20mm。