CN103146781B

CN103146781B - 一种棉杆水解液及其制备方法

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Publication number: CN103146781B
Application number: CN201310091489.3A
Authority: CN
Inventors: 李必金; 于宏艳; 叶华; 龚华; 胡征宇
Original assignee: XINJIANG MEIHUA AMINO ACID CO Ltd
Current assignee: XINJIANG MEIHUA AMINO ACID CO Ltd
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: CN103146781A

Abstract

本发明涉及生物技术领域，特别涉及一种棉杆水解液及其制备方法。该方法制得的棉杆水解液中，葡萄糖浓度可达到40g/L以上，棉杆的酶水解转化率可达70%以上，有效解决了农业废弃物资源浪费，为棉杆的资源化利用开辟了新的途径，具有良好的工业化应用前景。

Description

一种棉杆水解液及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物技术领域，特别涉及一种棉杆水解液及其制备方法。

背景技术

我国为全球最大棉花需求和进口国，新疆是我国的主要产棉地区，2005年，仅新疆棉花种植面积就达1721万亩，棉花产量为180万吨，棉花秸杆产量约650万吨。2011年我国棉花产量约为660万吨，相应产生了约1900万吨棉花秸秆。棉杆是棉花生产的主要副产品之一，主要成分包括纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、果胶等。大量的棉杆被废弃，造成了极大的资源浪费。随着我国可再生能源法的颁布实施，生物质能的利用必将受到全社会的重视。开发利用棉花秸杆符合国家产业政策，对调整农业产业结构，增加农民收入具有现实意义，同时经济和社会效益明显，发展前景十分广阔。如何合理有效地将这些棉花秸杆开发利用成可再生能源，对发展我国农村经济，促进当地经济发展，加快新农村建设将起到积极的推动作用。

棉杆的利用方式主要有燃烧产能、制造纤维板，也有利用棉杆水解制糖的报道。棉杆水解制糖主要采用的是酸法水解或者酶法水解，酸法水解处理糖得率较低，副产物多且糖液后处理成本高，难以实现工业化应用。酶法具有条件温和、反应专一等优点，但由于棉杆等生物质的结构复杂，直接酶解转化率低，酶加量高，导致成本较高。因此，在酶解前必须对棉杆进行预处理。

目前，关于玉米秸秆预处理的相关报道较多，但关于棉杆预处理的研究较少。碱处理棉杆转化率低，而且微波处理也不利于工业放大。酸处理转化率较高，但是试剂用量大，成本高，操作中产生的二氧化硫对环境的污染大，且获得糖液中盐浓度高，也不利于发酵进行。因此建立一种对环境污染小的、可获得高转化率的制备方法显得尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种棉杆水解液及其制备方法。该方法制备的棉杆水解液，葡萄糖浓度可达到40g/L以上，棉杆的酶水解转化率可达70%以上。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种棉杆水解液，以质量分数计，包括88～90%葡萄糖，2～3%葡寡糖，1.4～1.5%纤维二糖，0.4～0.5%木糖，1.3～1.4%甘露糖，0.9～0.98%酚类物质，0.6～0.65%蛋白，0.8～0.85%乳酸，余量为灰分。

在本发明的一些实施例中，本发明提供的一种棉杆水解液以质量分数计，包括88.5%葡萄糖，2.5%葡寡糖，1.44%纤维二糖，0.44%木糖，1.33%甘露糖，0.97%酚类物质，0.64%蛋白，0.83%乳酸和2.64%灰分。

本发明还提供了一种棉杆水解液的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取棉杆粉碎后，与过量的浸泡液混合后于50～100℃浸泡30～60min后获得第一混合物，干燥后获得第二混合物，控制第二混合物中的水分含量为50～75%，即固形物含量为25～50%；浸泡液为酸或碱；

步骤2：取第二混合物在180～210℃的条件下蒸汽爆破5～15min，洗涤后，与纤维素酶混合后酶解、过滤，收集滤液，即得。

在本发明的一些实施例中，以g/mL计，步骤1中棉杆与浸泡液的质量体积比为1:3～10。

在本发明的一些实施例中，步骤1中浸泡液的浓度为1～4%。

在本发明的一些实施例中，步骤1中浸泡液为硫酸水溶液或氢氧化钠水溶液。

在本发明的一些实施例中，步骤2中洗涤具体为采用循环水洗涤，去除气爆过程中产生的发酵抑制物，同时洗至pH值为5～7。

在本发明的一些实施例中，步骤2中纤维素酶的酶活为1500～2000U/g。

在本发明的一些实施例中，步骤2中纤维素酶占第二混合物中纤维素的质量百分数至少为4.0%。

在本发明的另一些实施例中，步骤2中纤维素酶占第二混合物中纤维素的质量百分数为4.0～7.0%。

在本发明的一些实施例中，步骤2中酶解具体为于50～60℃的条件下酶解72～120h。

本发明还提供了上述制备方法制得的棉杆水解液；制备方法为取棉杆粉碎后，与过量的浸泡液混合后于50～100℃浸泡30～60min后获得第一混合物，干燥后获得第二混合物，控制第二混合物中的水分含量为50～75%；浸泡液为酸或碱；取第二混合物在180～210℃的条件下蒸汽爆破5～15min，洗涤后，与纤维素酶混合后酶解、过滤，收集滤液，即得。作为优选，步骤1中棉杆与浸泡液的质量体积比为1:3～10。作为优选，步骤1中浸泡液的浓度为1～4%。作为优选，步骤1中浸泡液为硫酸水溶液或氢氧化钠水溶液。作为优选，步骤2中洗涤具体为采用循环水洗涤，去除气爆过程中产生的发酵抑制物，同时洗至pH值为5～7。作为优选，步骤2中纤维素酶的酶活为1500～2000U/g。作为优选，步骤2中纤维素酶占第二混合物中纤维素的质量百分数至少为4.0%。更优选的，步骤2中纤维素酶占第二混合物中纤维素的质量百分数为4.0～7.0%。作为优选，步骤2中酶解具体为于50～60℃的条件下酶解72～120h。

本发明提供的制备方法酸或碱结合蒸汽爆破及酶解条件制备棉杆水解液，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、与碱预处理或碱微波预处理相比，棉杆的酶水解转化率高，易于工业化应用；

2、与酸预处理相比，化学试剂用量小，污染小，不会产生二氧化硫等有毒气体，处理成本低；

3、水解液中盐离子浓度低，葡萄糖含量高，杂质少。

本发明提供的制备方法制得的棉杆水解液中，葡萄糖浓度可达到40g/L以上，棉杆的酶水解转化率可达70%以上，有效解决了农业废弃物资源浪费，为棉杆的资源化利用开辟了新的途径，具有良好的工业化应用前景。

具体实施方式

本发明公开了一种棉杆水解液及其制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

本发明提供的棉杆水解液及其制备方法中所用的试剂和纤维素酶均可由市场购得；其中纤维素酶购自诺维信（中国）生物技术有限公司。

下面结合实施例，进一步阐述本发明：

实施例1棉杆水解液的制备

取棉杆10Kg，粉碎机粉碎至粒径0.5～1cm备用。称取400g棉杆颗粒，按固液比1:6加入浓度为1.2%的稀硫酸，放入60℃水浴锅中，浸泡50min后取出，挤干至固形物含量为30%，放入气爆罐中，195℃条件下气爆10min，然后采用循环水洗气爆物料pH至5.0，根据纤维素含量添加纤维素酶，酶加量占纤维素的质量百分数为5.5%，加入酶解罐中50℃条件下酶解72h，酶解结束后抽滤获得水解液，葡萄糖浓度可达40g/L，棉杆的酶水解转化率为70%。

实施例2棉杆水解液的制备

取棉杆10Kg，粉碎机粉碎至粒径0.5～1cm备用。称取400g棉杆颗粒，按固液比1:8加入浓度为2.8%的稀硫酸，放入80℃水浴锅中，浸泡30min后取出，挤干至固形物含量为40%，放入气爆罐中，204℃条件下气爆13min，然后采用循环水洗气爆物料pH至6.0，根据纤维素含量添加纤维素酶，酶加量占纤维素的质量百分数为4.0%，加入酶解罐中50℃条件下酶解120h，酶解结束后抽滤获得水解液，葡萄糖浓度可达50g/L，棉杆的酶水解转化率为80%。

实施例3棉杆水解液的制备

取棉杆10Kg，粉碎机粉碎至粒径0.5～1cm备用。称取400g棉杆颗粒，按固液比1:10加入浓度为4%的氢氧化钠，放入90℃水浴锅中，浸泡60min后取出，挤干至固形物含量为40%，放入气爆罐中，204℃条件下气爆7min，然后采用循环水洗气爆物料pH至7.0，根据纤维素含量添加纤维素酶，酶加量占纤维素的质量百分数为6.2%，加入酶解罐中50℃条件下酶解120h，酶解结束后抽滤获得水解液，葡萄糖浓度可达45g/L，棉杆的酶水解转化率为75%。

实施例4棉杆水解液的制备

取棉杆10Kg，粉碎机粉碎至粒径0.5～1cm备用。称取400g棉杆颗粒，按固液比1:3加入浓度为1%的氢氧化钠，放入100℃水浴锅中，浸泡30min后取出，挤干至固形物含量为50%，放入气爆罐中，180℃条件下气爆15min，然后采用循环水洗气爆物料pH至7.0，根据纤维素含量添加纤维素酶，酶加量占纤维素的质量百分数为4.0%，加入酶解罐中55℃条件下酶解100h，酶解结束后抽滤获得水解液，葡萄糖浓度可达40g/L，棉杆的酶水解转化率为70%。

实施例5棉杆水解液的制备

取棉杆10Kg，粉碎机粉碎至粒径0.5～1cm备用。称取400g棉杆颗粒，按固液比1:5加入浓度为4%的稀硫酸，放入50℃水浴锅中，浸泡40min后取出，挤干至固形物含量为25%，放入气爆罐中，210℃条件下气爆5min，然后采用循环水洗气爆物料pH至5.0，根据纤维素含量添加纤维素酶，酶加量占纤维素的质量百分数为7.0%，加入酶解罐中58℃条件下酶解90h，酶解结束后抽滤获得水解液，葡萄糖浓度可达53g/L，棉杆的酶水解转化率为83%。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种棉杆水解液，其特征在于，以质量分数计，包括88～90％葡萄糖，2～3％葡寡糖，1.4～1.5％纤维二糖，0.4～0.5％木糖，1.3～1.4％甘露糖，0.9～0.98％酚类物质，0.6～0.65％蛋白，0.8～0.85％乳酸，余量为灰分。

2.一种如权利要求1所述的棉杆水解液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：取棉杆粉碎后，与过量的浸泡液混合后于50～100℃浸泡30～60min后获得第一混合物，干燥后获得第二混合物，所述第二混合物中的水分含量为50～75％；所述浸泡液为硫酸水溶液或氢氧化钠水溶液；

步骤2：取所述第二混合物在180～210℃的条件下蒸汽爆破5～15min，洗涤后，与纤维素酶混合后酶解、过滤，收集滤液，即得；

所述浸泡液的浓度为1～4％；

所述纤维素酶占所述第二混合物中纤维素的质量百分数至少为4.0％；

所述棉杆与所述浸泡液的质量体积比为1:3～10；

所述洗涤具体为采用循环水洗至pH值为5～7；

所述纤维素酶的酶活为1500～2000U/g；

所述酶解具体为于50～60℃的条件下酶解72～120h。