CN101942485B - 一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法，步骤如下：汽爆秸秆经水浸泡后进行固、液分离，从汽爆秸秆液体中得到糠醛、有机酸和木糖；汽爆秸秆木糖发酵生产丙酮丁醇，总溶剂产量为12-22g/L；汽爆秸秆固体经过碱萃取后，碱萃取液用于制备木质素，碱萃取渣用于造纸和发酵生产饲料。本发明使秸秆中的纤维素、半纤维和木质素三大组分得到了分级转化，可以生产糠醛、有机酸、木糖、木质素以及造纸纤维，经过生物转化可以生产丙酮、丁醇、饲料蛋白等发酵产品。本发明实现了秸秆资源的综合利用，生产过程无废料和污染物排放，达到了清洁生产，具有良好的社会效益和经济效益。
Description
技术领域
本方法属于秸秆资源利用领域，特别涉及一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法。
背景技术
丙酮丁醇梭菌(Clostridium.acetobutylicum)发酵产生的丙酮、丁醇、乙醇统称为丙丁总溶剂，是重要的有机溶剂和化工原料，广泛用于喷漆、炸药、塑料、制药、植物油提取及有机玻璃、合成橡胶等工业。尤其是丁醇还是一种极具潜力的新型生物燃料，具有高热值、易混溶性、高辛烷值和低挥发性等优良特性，在替代汽油作为燃料方面性能优于乙醇。
丙酮丁醇发酵曾是仅次于乙醇发酵的世界第二大发酵工业，上世纪五六十年代由于受到石油工业的严重冲击而逐渐衰退。但随着石化资源的耗竭和温室效应等环境问题的日益突出，使丙酮丁醇发酵重新受到了人们的重视。传统的发酵原料(淀粉、糖蜜)成本高昂，约占丙酮丁醇发酵总成本的60％，是丙酮丁醇发酵工业缺乏竞争性的重要原因。同时，全球人口的急剧增长和人类生活水平的迅速提高也造成食品用粮及工业用粮均出现严重不足。秸秆等木质纤维素类资源是自然界中分布最为广泛、含量丰富的可再生资源，仅我国每年的秸秆产量约达7亿吨。将秸秆等木质纤维素资源用于发酵工业，不仅将缓解粮食供应不足的现象，同时还将低了因秸秆焚烧带来的环境污染问题，实现秸秆的高值化利用。
木质纤维素的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中的木质素本身就是一种用途广泛的化工原料，而纤维素和半纤维素可直接转换生产出糠醛，有机酸等化工产品以及造纸原料，经过水解的纤维素和半纤维素可转换成为葡萄糖、木糖等可发酵糖，生产各类生物基产品。然而，在木质纤维素的利用过程中，人们往往采用单一技术，只针对重视其中一种组分的利用，忽略了其他组分的利用，造成了原料的浪费和环境污染，这也是整个生物质产业经济迟迟不能与石化行业相竞争的重要原因。
与酵母发酵乙醇相比，丙酮丁醇发酵的优势在于不仅能够利用葡萄糖，还能利用半纤维素的降解产物木糖，这为秸秆替代传统的淀粉发酵丙酮丁醇提供了可能，也为秸秆中的半纤维素提供了一条有效地利用途径。目前，秸秆中提取木糖多采用酸水解方式，虽然可以达到丙酮丁醇发酵木糖的底物浓度，但容易产生酸污染和大量发酵抑制物，影响后续丙酮丁醇的正常生长。此外，含有大量菌体蛋白的发酵废渣也为得到充分利用，造成环境污染和经济效益低。
秸秆经预处理去除可溶性的半纤维素后，剩下固体物料主要包含木质素和纤维素，经过碱处理后可分别得到高纯度木质素与纤维素。纤维素可水解为葡萄糖作为发酵工艺的原料，也可通过各种转化技术生产出各种纤维素的衍生产品，从而实现生物质资源的综合利用。
本发明采用汽爆技术对秸秆进行预处理，可以不破坏秸秆中的纤维素和木质素的结构，去除可溶性半纤维素。回收汽爆液中的半纤维素降解物，分离得到糠醛、有机酸和木糖；汽爆秸秆木糖可用于发酵生产丙酮丁醇，且发酵水平与玉米淀粉相当；碱萃取汽爆秸秆可得到木质素和纤维素；汽爆秸秆纤维素可进一步生产饲料蛋白和造纸纤维。本发明使秸秆中的纤维素、半纤维和木质素三大组分得到了分级转化，实现了秸秆资源的综合利用，生产过程无废料和污染物排放，达到了清洁生产，具有良好的社会效益和经济效益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法，即利用汽爆技术分离秸秆中可溶性半纤维素，收集汽爆秸秆液体生产糠醛、有机酸和木糖；汽爆秸秆木糖发酵生产丙酮丁醇；碱萃取汽爆秸秆固体得到木质素和纤维素；汽爆秸秆纤维素进一步发酵生产饲料蛋白和用于造纸。本发明使秸秆中的纤维素、半纤维和木质素三大组分得到了分级转化，实现了秸秆资源的综合利用，生产过程无废料和污染物排放，达到了清洁生产，具有良好的社会效益和经济效益。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法，其步骤如下：
1)汽爆秸秆制备木糖、糠醛和有机酸
秸秆原料加水浸泡5～20min，秸秆质量与加水体积的比例为1∶0.5～1∶2，秸秆湿料在压力为0.5～2.5MPa条件下处理时间1～10min，得到汽爆秸秆；在汽爆秸秆中加入2～4倍秸秆干料质量的水，于50～70℃充分浸泡10～30min，用挤压机分离得到汽爆秸秆液体和汽爆秸秆固体两部分，汽爆秸秆液体在0.7～0.9MPa，40～70℃下减压蒸馏，蒸馏液经过分离、浓缩得到糠醛和有机酸；蒸馏液蒸馏后的剩余液加入木聚糖酶，于50℃下水解6～24h，得到汽爆秸秆木糖；
2)汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇
将步骤1)得到的汽爆秸秆木糖先后经过大孔吸附树脂和碱性阴离子交换树脂，碱中和处理后，再用NaOH调至pH6.5，再加入2～6％的氮源，以及0.01％微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入5～10％的丙酮丁醇种子液，30～35℃下厌氧发酵3～6d；用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量；
所述的两种树脂的处理条件为：汽爆秸秆木糖溶液与树脂的体积比为1∶3～1∶10，150～250rpm，振荡12～48h；
所述的氮源可为：酵母提取物、蛋白胨、(NH4)2HPO4、(NH4)2SO4或者乙酸铵；
所述的微量元素为：生物素和对氨基苯甲酸
所述丙酮丁醇种子液的制备为：将丙酮丁醇梭菌Clostridium.acetobutylicum接入到6％的玉米醪培养基中，厌氧发酵2～3d后制得；
3)汽爆秸秆提取木质素
按照步骤1)得到的汽爆秸秆固体，将其送入碱萃取罐；加入1～3％的NaOH溶液，在130～170℃的温度下保温1～4h，然后进行固、液分离，得到碱萃取渣和碱萃取液，萃取液经过超滤膜，收集超滤得到的固体物，干燥后即为高纯度的木质素；
4)汽爆秸秆造纸
按步骤3)所述的汽爆秸秆碱萃取渣，送入开松机筛分得到3～5cm的长纤维和小于3cm的短纤维；长纤维按照造纸厂常规方法用于制浆造纸；
5)汽爆秸秆发酵饲料
按步骤4)所述的短纤维加入玉米浆或者汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇的发酵废渣，经过好养、厌氧顺次固体发酵生产饲料蛋白。
所述的玉米浆或着汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇的发酵废渣与汽爆秸秆碱萃取渣的质量为：1∶2～1∶5；
所述的固态发酵生产饲料蛋白的菌种为混和菌种，其中好氧固态发酵菌种为斜卧青霉与黄孢原毛平革菌的混合菌种，厌氧固态发酵菌种为植物乳杆菌。
本发明的一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法，具有下述优点：首先，本发明实现了了秸秆纤维素、半纤维素和木质素三组分的分级转化，可以直接生产或生物转化生产出糠醛、有机酸、木质素等化工产品，还为发酵、饲料、造纸等行业提供廉价的原料，提高了秸秆综合利用价值；其次，汽爆秸秆木糖可以作为替代粮食发酵丙酮丁醇的廉价原料，发酵性能与玉米淀粉相接近，可以满足工业化生产的要求。
附图说明
图1是本发明的技术路线图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1
玉米秸秆切段成3～5cm，加入1倍自来水充分浸泡10min后装入汽爆罐中，在压力1.5MPa下维压5min后从反应器中急速释放，得到汽爆秸秆；汽爆秸秆加2倍自来水，在60℃下浸泡20min，用挤压机分离得到汽爆秸秆液体和汽爆秸秆固体；汽爆秸秆液体过滤后，在0.9MPa，60℃下减压蒸馏，蒸馏液经过分离、浓缩得到糠醛和乙酸；蒸馏后的剩余液加入木聚糖酶，于50℃下水解12h，水解液先后经过大孔吸附树脂和碱性阴离子交换树脂处理，得到的汽爆秸秆木糖浓度为5％，再用NaOH调至其pH6.5，加入3％的氮源，以及0.01％微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入10％的丙酮丁醇种子液，35℃下厌氧发酵5d；用气相色谱测定发酵液中的总溶剂含量为22g/L；将汽爆秸秆固体送入碱萃取罐，加入2％NaOH溶液在150℃的温度下保温2h，用挤压机分离得到碱萃取液和碱萃取渣；碱萃取液经过聚氯乙烯超滤膜回收NaOH，收集超滤得到的固体物，干燥后得到的木质素；碱萃取渣送入开松机筛分得到3～5cm的长纤维和小于3cm的短纤维；长纤维按照造纸厂常规方法用于制浆造纸；短纤维和玉米浆或者汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇的发酵废渣以1∶3质量比配成发酵培养基，接入10％的斜卧青霉、黄孢原毛平革菌和植物乳杆菌的混合菌种，经过好养、厌氧顺次固体发酵生产蛋白含量为25％的饲料蛋白。
实施例2
玉米秸秆切段成3～5cm，加入1倍自来水充分浸泡10min后装入汽爆罐中，在压力1.5MPa下维压5min后从反应器中急速释放，得到汽爆秸秆；汽爆秸秆加3倍自来水，在60℃下浸泡20min，用挤压机分离得到汽爆秸秆液体和汽爆秸秆固体；汽爆秸秆液体过滤后，在0.9MPa，60℃下减压蒸馏，蒸馏液经过分离、浓缩得到糠醛和乙酸；蒸馏后的剩余液加入木聚糖酶，于50℃下水解12h，水解液先后经过大孔吸附树脂和碱性阴离子交换树脂处理，得到的汽爆秸秆木糖浓度为4％，再用NaOH调至其pH6.5，加入3％的氮源，以及0.01％的微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入10％的丙酮丁醇种子液，35℃下厌氧发酵4d；用气相色谱测定发酵液中的总溶剂含量为17g/L；将汽爆秸秆固体送入碱萃取罐，加入2％NaOH溶液在150℃的温度下保温2h，用挤压机分离得到碱萃取液和碱萃取渣；碱萃取液经过聚氯乙烯超滤膜回收NaOH，收集超滤得到的固体物，干燥后得到的木质素；碱萃取渣送入开松机筛分得到3～5cm的长纤维和小于3cm的短纤维；长纤维按照造纸厂常规方法用于制浆造纸；短纤维和玉米浆或者汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇的发酵废渣以1∶3质量比配成发酵培养基，接入10％的斜卧青霉、黄孢原毛平革菌和植物乳杆菌的混合菌种，经过好养、厌氧顺次固体发酵生产蛋白含量为25％的饲料蛋白。
实施例3
玉米秸秆切段成3～5cm，加入1倍自来水充分浸泡10min后装入汽爆罐中，在压力1.5MPa下维压5min后从反应器中急速释放，得到汽爆秸秆；汽爆秸秆加4倍自来水，在60℃下浸泡20min，用挤压机分离得到汽爆秸秆液体和汽爆秸秆固体；汽爆秸秆液体过滤后，在0.9MPa，60℃下减压蒸馏，蒸馏液经过分离、浓缩得到糠醛和乙酸；蒸馏后的剩余液加入木聚糖酶，于50℃下水解12h，水解液先后经过大孔吸附树脂和碱性阴离子交换树脂处理，得到的汽爆秸秆木糖浓度为3％，再用NaOH调至其pH6.5，加入3％的氮源，以及0.01％的微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入10％的丙酮丁醇种子液，35℃下厌氧发酵3d；用气相色谱测定发酵液中的总溶剂含量为12g/L；将汽爆秸秆固形物送入碱萃取罐，加入2％NaOH溶液在150℃的温度下保温2h，用挤压机分离得到碱萃取液和碱萃取渣；碱萃取液经过聚氯乙烯超滤膜回收NaOH，收集超滤得到的固体物，干燥后得到的木质素；碱萃取渣送入开松机筛分得到3～5cm的长纤维和小于3cm的短纤维；长纤维按照造纸厂常规方法用于制浆造纸；短纤维和玉米浆或者汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇的发酵废渣以1∶3质量比配成发酵培养基，接入10％的斜卧青霉、黄孢原毛平革菌和植物乳杆菌的混合菌种，经过好养、厌氧顺次固体发酵生产蛋白含量为25％的饲料蛋白。
实施例4
水稻秸秆切段成3～5cm，加入0.5倍自来水充分浸泡10min后装入汽爆罐中，在压力1.5MPa下维压3min后从反应器中急速释放，得到汽爆秸秆；汽爆秸秆加3倍自来水，在60℃下浸泡20min，用挤压机分离得到汽爆秸秆液体和汽爆秸秆固体；汽爆秸秆液体过滤后，在0.9MPa，60℃下减压蒸馏，蒸馏液经过分离、浓缩得到糠醛和乙酸；蒸馏后的剩余液加入木聚糖酶，于50℃下水解12h，水解液先后经过大孔吸附树脂和碱性阴离子交换树脂处理，得到的汽爆秸秆木糖浓度为3.5％，再用NaOH调至其pH6.5，加入3％的氮源，以及0.01％的微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入10％的丙酮丁醇种子液，35℃下厌氧发酵4d；用气相色谱测定发酵液中的总溶剂含量为10g/L；将汽爆秸秆固形物送入碱萃取罐，加入2％NaOH溶液在150℃的温度下保温2h，用挤压机挤压分离得到碱萃取液和碱萃取渣；碱萃取液经过聚氯乙烯超滤膜回收NaOH，收集超滤得到的固体物，干燥后得到的木质素；碱萃取渣送入开松机筛分得到3～5cm的长纤维和小于3cm的短纤维；长纤维按照造纸厂常规方法用于制浆造纸；短纤维和玉米浆或者汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇的发酵废渣以1∶3质量比配成发酵培养基，接入10％的斜卧青霉、黄孢原毛平革菌和植物乳杆菌的混合菌种，经过好养、厌氧顺次固体发酵生产蛋白含量为25％的饲料蛋白。
实施例5
小麦秸秆切段成3～5cm，加入0.5倍自来水充分浸泡10min后装入汽爆罐中，在压力1.5MPa下维压3min后从反应器中急速释放，得到汽爆秸秆；汽爆秸秆加3倍自来水，在60℃下浸泡20min，用挤压机分离得到汽爆秸秆液体和汽爆秸秆固体；汽爆秸秆液体过滤后，在0.9MPa，60℃下减压蒸馏，蒸馏液经过分离、浓缩得到糠醛和乙酸；蒸馏后的剩余液加入木聚糖酶，于50℃下水解12h，水解液先后经过大孔吸附树脂和碱性阴离子交换树脂处理，得到的汽爆秸秆木糖浓度为3.5％，再用NaOH调至其pH6.5，加入3％的氮源，以及0.01％的微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入10％的丙酮丁醇种子液，35℃下厌氧发酵4d；用气相色谱测定发酵液中的总溶剂含量为10g/L；将汽爆秸秆固形物送入碱萃取罐，加入2％NaOH溶液在150℃的温度下保温2h，用挤压机分离得到碱萃取液和碱萃取渣；碱萃取液经过聚氯乙烯超滤膜回收NaOH，收集超滤得到的固体物，干燥后得到的木质素；碱萃取渣送入开松机筛分得到3～5cm的长纤维和小于3cm的短纤维；长纤维按照造纸厂常规方法用于制浆造纸；短纤维和玉米浆或者汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇的发酵废渣以1∶3质量比配成发酵培养基，接入10％的斜卧青霉、黄孢原毛平革菌和植物乳杆菌的混合菌种，经过好养、厌氧顺次固体发酵生产蛋白含量为25％的饲料蛋白。
Claims (5)
1.一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法，其特征在于，步骤包括：
1)汽爆秸秆用水浸泡后进行固、液分离，汽爆秸秆液体经过蒸馏得到糠醛和有机酸，蒸馏条件的压力为0.7～0.9MPa，温度为40～70℃；
2)将步骤1)蒸馏后的残余液加入木聚糖酶，于50℃下水解6～24h，得到汽爆秸秆木糖；将得到的汽爆秸秆木糖先后经过大孔吸附树脂和碱性阴离子交换树脂，碱中和处理后，再用NaOH调至pH6.5，补加氮源和微量元素制成发酵培养基生产丙酮丁醇；
3)在步骤1)的汽爆秸秆固体中加入碱溶液进行萃取，碱萃取液经过超滤、干燥得到木质素；
4)将步骤3)的碱萃取渣机械分梳后，长纤维用于造纸，短纤维加入玉米浆或步骤2)的发酵废渣用于生产饲料蛋白。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的秸秆为玉米、小麦或稻谷的秸秆。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述浸泡条件是加水量为2～4倍秸秆量，温度50～70℃，时间10～30min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的酶解采用木聚糖酶，其来源为微生物或者动物性来源的内切木聚糖酶、外切木聚糖酶和β-木糖苷酶。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的超滤的膜材料为聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚醚砜或陶瓷中的任意一种。
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