CN103266145B - 一种用糠醛渣制备可发酵性糖和木质素磺酸盐的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用糠醛渣制备可发酵性糖的方法，包括步骤：1）乙醇亚硫酸盐预处理：糠醛渣在乙醇溶液中与亚硫酸盐反应，然后固液分离；2）逆流洗涤：步骤1）得到的固体用乙醇洗涤液多级逆流洗涤；3）酶水解：逆流洗涤后的固体用纤维素酶水解；4）回收乙醇：步骤1）固液分离得到的液体与步骤2)逆流洗涤回收的洗涤液混合，减压浓缩得到乙醇和木质素磺酸盐。本发明提出的方法采用有机溶剂法与亚硫酸盐法相耦合，用亚硫酸盐法对糠醛渣进行预处理，提高了糠醛渣样品亲水性，达到木质素脱除和提高水解得率的目的。采用有机溶剂法对原料预处理，可以实现预处理液的回收和循环利用，降低生产成本。

Description

一种用糠醛渣制备可发酵性糖和木质素磺酸盐的方法

技术领域

本发明属于生物化学领域，具体涉及一种使用酶处理糠醛渣的方法。

背景技术

近年来，针对全世界面临的“石油危机”，以及利用石化资源给环境造成的无可估量的影响，人们逐渐把眼光转移到地球上的可再生资源-木质纤维原料上。以木质纤维类物质为原料通过酶水解可以将纤维素转化成葡萄糖，经发酵可转化为乙醇、丁醇、乳酸、丙酮、甘油等液体燃料和化工原料，可以替代部分石油资源，不仅可以使人类摆脱对石油资源的过分依赖，而且能够大幅减少污染和温室气体的排放。

糠醛渣是生物质类物质如玉米芯、玉米秆、稻壳、棉籽壳以及农副产品加工下脚料中的聚戊糖成分水解生产糠醛(呋喃甲醛)产生的生物质类废弃物，每吨糠醛产品排出10吨以上残渣，我国每年排放糠醛废渣约3000万吨。这些废渣除了少部分被直接回用于锅炉燃烧外，目前大多采用堆积或挖坑倾倒的方法，既浪费了资源、污染了环境，又占用了大量土地，逐渐成为该行业发展的瓶颈。糠醛渣中含有大量的纤维素和木质素，其中纤维素含量超过45%，这部分纤维素可直接或经预处理后进行纤维素酶水解，通过发酵的方式生产燃料乙醇或其他化学品。

以木质纤维原料生产乙醇替代石油用作燃料的工艺研究已经比较成熟，然而由于经济效益问题，未能大规模工业生产。原因主要有两个方面：一是木质纤维原料天然的顽抗性需要较多的酶用量和较高强度的预处理过程，增加了生产成本；二是木质纤维原料中的木质素对纤维素酶的无效吸附，大大降低了酶有效组分浓度。很多实验已证明，木质素的结构特性对底物酶水解糖化时葡萄糖的得率影响较大，并且提高木质素的亲水性可以降低其对纤维素酶酶的无效吸附。

通过亚硫酸盐预处理过程，木质素被部分降解和磺化，提高了其亲水性，这对底物的酶水解有利。经亚硫酸盐预处理液进行浓缩和分离，即可获取木质素磺酸盐。木质素磺酸盐具有比较广的用途，在农药乳化液、油田化学品和纺织行业的染整助剂中都有较多的应用。亚硫酸盐法脱木质素，在制浆造纸工业中的应用已有一百多年的应用历史，可以在很宽泛的pH和温度下进行。亚硫酸盐木质素脱除程度主要受预处理液中活性试剂的影响，而活性试剂的种类有主要由预处理液的pH和温度决定，一般催化作用下，可以提高木质素的磺化和降解的程度，提高木质素的亲水性和溶解性，对原料酶水解有利。碱处理糠醛渣可以脱除部分木质素，但是其酶水解效率反而下降。

有机溶剂预处理时，一般采用有机溶剂或水溶性有机物对原料中木质素或半纤维素进行部分脱除，达到提高酶水解得率的目的。采用有机溶剂进行木质素脱除，具有投资小，溶剂易于回收，环境污染少，副产物利用潜能巨大等特点。通过有机溶剂法预处理得到的木质素一般纯度高，分子量小，可用于生产其他产品。但有机溶剂预处理时，需添加催化剂来降低反应温度，还要回收有机溶剂。

如何采用低强度的预处理方式，通过改变木质素结构达到提高纤维素酶水解效率的目的，是目前开发的热点和重点。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处，提出一种用糠醛渣生产可发酵性糖和木质素磺酸盐的方法。

实现本发明目的的具体技术方案为：

1、一种用糠醛渣生产可发酵性糖和木质素磺酸盐的方法，包括步骤：

1）乙醇亚硫酸盐预处理：糠醛渣加入乙醇溶液中，与亚硫酸盐反应1.5～2.5h，然后固液分离；

2）逆流洗涤：步骤1）固液分离得到的固体用乙醇洗涤液多级逆流洗涤；

3）酶水解：逆流洗涤后的固体用纤维素酶水解，水解的温度45-50℃，时间65-76h；酶水解后得到可发酵性糖和木质素。

4）回收乙醇：步骤1）固液分离得到的液体与步骤2)逆流洗涤回收的洗涤液混合，减压浓缩得到乙醇和木质素磺酸盐。

其中，所述步骤1）中的糠醛渣为水洗过的糠醛渣，所述水洗为水洗至出水pH值6-7。

其中，所述步骤1）中的糠醛渣加入乙醇溶液中，至固形物含量为80-150g/L。

其中，所述步骤1）中的乙醇溶液为质量比70-80%的乙醇溶液，所述亚硫酸盐为亚硫酸钠或亚硫酸镁，亚硫酸盐的加入量为2-8g/L。

其中，所述步骤1）预处理反应的温度为50-70℃。

其中，所述步骤2）中的逆流洗涤是将固体用乙醇洗涤液2-6级多级逆流洗涤，第一级的洗涤液为质量比92-96%的乙醇水溶液。具体操作中，可采用多级洗涤塔逆流洗涤，塔板数为2-6个，洗涤剂和物料逆向流动；也可采用分批次洗涤的方法，洗涤2-6批固体物料。

其中，所述步骤3）中逆流洗涤后的固体先用45-55℃热水洗涤，然后配制为底物浓度2-3%、pH值4.5-5.0的溶液，纤维素酶的加入量为14-16FPU/g纤维素。底物指洗涤后的固体，配制为2-3%水溶液。

其中，所述溶液pH值用醋酸-醋酸钠缓冲溶液进行调节。

其中，所述步骤4）中减压浓缩的温度为65-75℃，压力为0.05-0.5MPa负压，减压浓缩后的固体在55-65℃下烘干。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的方法采用有机溶剂法与亚硫酸盐法相耦合，用亚硫酸盐法对糠醛渣进行预处理，提高了糠醛渣样品亲水性，达到木质素脱除和提高水解得率的目的。采用有机溶剂法对原料预处理，可以实现预处理液的回收和循环利用，降低生产成本。

预处理后，溶解的木质素（磺酸盐）可以通过减压浓缩的形式加以提纯，工艺简单，所得样品纯度较高，可以直接用进行商业应用；对预处理后的糠醛渣样品采用逆流洗涤，减少了洗涤过程中药品的用量，还提高了洗涤的效率。耦合预处理工艺简单，易于实现，和现有工业具有良好兼容性。加入回收的乙醇进行预处理，可实现部分化学品的重复利用，降低生产成本，减少废液排放带来的环境污染。乙醇有机溶剂与碱性亚硫酸盐耦合预处理糠醛渣再酶解糖化可高效联产可发酵性糖和木质素磺酸盐产品，在实现纤维原料生物转化的同时，提高了过程的经济性和原料综合利用率。

附图说明

图1为本发明浓缩提取工艺路线图。

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。

实施例中，糠醛渣为工业糠醛渣，由河北春蕾集团提供，含水量55～60%，pH值2～3。糠醛渣干基中纤维素含量43.4%，酸不溶木质素含量47.4%。纤维素含量按照美国再生能源实验室标准方法测定。

实施例中所用纤维素酶购于诺维信公司。

实施例1

取10kg的糠醛渣（工业糠醛渣）用水调节至固形物含量为10%，浸泡24h，期间隔一定时间进行搅拌，过滤，滤渣再用自来水冲洗5次至冲洗水pH为7。水洗所得糠醛渣备用。

参见图1。取100g糠醛渣（水洗所得糠醛渣，下同）和80%的乙醇溶液的混合，混合物的固形物含量为100g/L，然后加入亚硫酸钠（亚硫酸钠浓度为2g/L），置于60℃ 100rpm的恒温水浴振荡器中反应2.5h，然后对样品进行离心分离，分离出的固体用于逆流洗涤，保留分离出的液体。

重复预处理步骤，共得五批固体，用95%工业乙醇进行多级逆流洗涤。第一批固体用95%工业乙醇洗涤三次，每次的比例为1g固体加入200mL95%工业乙醇（洗涤液），洗涤后减压抽滤得到洗涤液1，第二批固体用洗涤液1洗涤后减压抽滤得到洗涤液2，第三批固体用洗涤液2洗涤后减压抽滤得到洗涤液3，类似地，第五批固体用洗涤液4洗涤后减压抽滤得到洗涤液5。第五批固体依次用洗涤液4、洗涤液3、洗涤液2、洗涤液1、95%工业乙醇洗涤各一次。第四批固体依次用洗涤液3、洗涤液2、洗涤液1、95%工业乙醇洗涤各一次。其他各批固体也同样洗涤。

逆流洗涤后的固体用50℃去离子水洗涤，洗涤后减压抽滤得到热水洗涤液和固体，对固体进行酶水解，采用pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液体系，酶水解条件为底物浓度25g/L，纤维素酶用量为15FPU/（g纤维素），酶水解温度为47.5℃，水解时间72h，糖化率达到82.1%。酶水解后的产物离心分离，固体为木质素，可用于制备其他化学品；液体为糖液，可进行发酵。

离心分离出的液体、逆流洗涤后的洗涤液5、热水洗涤液混合，减压浓缩：温度70℃，压力0.1MPa负压，分离出的固体置于60℃真空干燥箱内烘干，即为木质素磺酸盐，为黄褐色固体粉末。有良好的扩散性，易溶于水，可直接出售。木质素磺酸盐得率为12.5%。减压浓缩分离出的液体主要成分为乙醇，循环利用在逆流洗涤过程中和预处理过程中。

实施例2

取100g的糠醛渣用80%的乙醇溶液调节至固形物含量为100g/L，然后加入亚硫酸钠（亚硫酸钠浓度为2g/L），置于60℃ 100rpm的恒温水浴振荡器中反应2.5h，然后对样品进行离心分离，分离得到的固体用实施例1的洗涤剂4、洗涤剂3、洗涤剂2、洗涤剂1和95%乙醇溶液依次逆流洗涤。

逆流洗涤后的样品用50℃去离子水洗涤，然后进行酶水解，采用pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液体系，酶水解条件为底物浓度25g/L，纤维素酶用量为15FPU/（g纤维素），酶水解温度为50℃，水解时间68h。

糖化率达到84.1%。木质素磺酸盐得率为14.8%。

实施例3：

取100g糠醛渣用75%的乙醇溶液调节至固形物浓度为100g/L，再加入亚硫酸钠（亚硫酸钠浓度达到5g/L），置于60℃ 100rpm的恒温水浴振荡器中反应3h，然后对样品进行离心分离，分离得到的固体用实施例1的洗涤剂4、洗涤剂3、洗涤剂2、洗涤剂1和95%乙醇溶液依次逆流洗涤。

逆流洗涤后的样品用50℃去离子水洗涤，然后进行酶水解。，采用pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液体系，酶水解条件为底物浓度25g/L，纤维素酶用量为15FPU/（g纤维素），酶水解温度为50℃，水解时间65h.

糖化率达到83.5%。木质素磺酸盐得率为15.6%。

实施例4

取100g糠醛渣用水调节至固形物含量为8%，浸泡20h，期间隔一定时间进行搅拌，过滤，滤渣再用自来水冲洗3次至冲洗水pH为6.5。

控制糠醛渣和80%乙醇溶液的混合物，其固形物含量为80g/L，再加入亚硫酸钠（亚硫酸钠浓度为2g/L），置于65℃ 100rpm的恒温水浴振荡器中反应2h，然后对样品进行离心分离，分离出的固体用于逆流洗涤，保留分离出的液体。

共四批固体，用95%工业乙醇进行多级逆流洗涤。第一批固体用95%工业乙醇洗涤三次，比例为1g固体加入200mL95%工业乙醇（洗涤液）洗涤后减压抽滤得到洗涤液1，第二批固体用洗涤液1洗涤后减压抽滤得到洗涤液2，第三批固体用洗涤液2洗涤后减压抽滤得到洗涤液3，第四批固体用洗涤液3洗涤后减压抽滤得到洗涤液4。第四批固体依次洗涤液3、洗涤液2、洗涤液1、95%工业乙醇洗涤。其他各批固体也同样依次洗涤。

逆流洗涤后的固体用50℃去离子水洗涤，洗涤后减压抽滤得到热水洗涤液和固体，对固体进行酶水解。采用pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液体系，酶水解条件为底物浓度25g/L，纤维素酶用量为15FPU/（g纤维素），酶水解温度为45℃，水解时间75h。酶水解后的产物离心分离，固体为木质素，可用于制备其他化学品；液体为糖液，糖化率达到82.7%。

离心分离出的液体、逆流洗涤后的洗涤液4、热水洗涤液混合，减压浓缩：温度70℃，压力0.1MPa负压，分离出的固体置于60℃真空干燥箱内烘干，即为木质素磺酸盐，得率为13.2%。减压浓缩分离出的液体主要成分为乙醇，循环利用在逆流洗涤过程中和预处理过程中。

实施例5

取100g质量的糠醛渣用75%乙醇溶液调节至固形物含量80g/L，再加入亚硫酸钠（亚硫酸钠浓度达到5g/L），置于60℃ 100rpm的恒温水浴振荡器中反应2.5h，然后对样品进行离心分离，分离得到的固体用实施例4的洗涤剂3、洗涤剂2、洗涤剂1和95%乙醇溶液依次逆流洗涤。

逆流洗涤后的样品用50℃去离子水洗涤，然后对固体进行酶水解。采用pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液体系，酶水解条件为底物浓度25g/L，纤维素酶用量为15FPU/（g纤维素），酶水解温度为50℃，水解时间68h。

糖化率达到84.1%。木质素磺酸盐得率为14.7%。

实施例6：

取100g质量的糠醛渣用75%乙醇溶液调节至固形物浓度为100g/L，再加入亚硫酸钠（亚硫酸钠浓度为5g/L），置于60℃100rpm的恒温水浴振荡器中反应3h，然后对样品进行离心分离，分离得到的固体用实施例4的洗涤剂3、洗涤剂2、洗涤剂1和95%乙醇溶液依次逆流洗涤。

逆流洗涤后的样品用50℃去离子水洗涤，然后进行酶水解。采用pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液体系，酶水解条件为底物浓度25g/L，纤维素酶用量为15FPU/（g纤维素），酶水解温度为50℃，水解时间65h.

糖化率达到83.2%。木质素磺酸盐得率为15.1%。

以上所公开或要求的实施例在不超过现有公开的实验手段的范围内可以制出或实施。本发明优选的实施方式所描述的所有的产物和/或方法，明白地指那些不违反本发明的概念、范围和精神的可以用于该产物和/或实验方法以及接下来的步骤。对所述的工艺中技术手段的所有的改动和改进，均属于本发明权利要求定义的概念、范围和精神。

Claims (5)

1.一种用糠醛渣制备可发酵性糖和木质素磺酸盐的方法，其特征在于，包括步骤：

1）乙醇亚硫酸盐预处理：糠醛渣加入乙醇溶液中，与亚硫酸盐反应1.5～2.5h，然后固液分离；

其中，所述乙醇溶液为质量比70-80%的乙醇溶液，所述亚硫酸盐为亚硫酸钠或亚硫酸镁，亚硫酸盐的加入量为2-8g/L；预处理反应的温度为50-70℃；

2）逆流洗涤：步骤1）固液分离得到的固体用乙醇洗涤液多级逆流洗涤；所述逆流洗涤是将固体用乙醇洗涤液2-6级多级逆流洗涤，第一级的洗涤液为质量比92-96%的乙醇水溶液；

3）酶水解：逆流洗涤后的固体先用45-55℃热水洗涤，然后配制为底物浓度20-30g/L、pH值4.5-5.0的溶液，用纤维素酶水解，水解的温度45-50℃，时间65-76h；所述纤维素酶的加入量为14-16FPU/g纤维素；

4）回收乙醇：步骤1）固液分离得到的液体与步骤2)逆流洗涤回收的洗涤液混合，减压浓缩得到乙醇和木质素磺酸盐。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中的糠醛渣为水洗过的糠醛渣，所述水洗为水洗至出水pH值6-7。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中的糠醛渣加入乙醇溶液中，至固形物含量为80-150g/L。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶液pH值用醋酸-醋酸钠缓冲溶液进行调节。

5.如权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述步骤4）中减压浓缩的温度为65-75℃，压力为0.05-0.5MPa的负压，减压浓缩后的固体在55-65℃下烘干。

Images