CN104099378B - 一种用甜高粱发酵渣制备木糖醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用甜高粱发酵渣制备木糖醇的方法，属于生物化工技术领域。本发明所提供的方法是以甜高粱发酵渣为原料，经过碱法预处理并固液分离后，再将得到的固相水洗至中性后，用木聚糖酶糖化后固液分离，再经过活性炭吸附脱色及离子交换树脂纯化后得到木糖纯化液，再对木糖纯化液进行氢化处理后获得木糖醇原液，浓缩结晶并烘干后获得木糖醇。本发明提供的方法充分利用了甜高粱固态发酵生产燃料乙醇后残留的发酵渣，不仅生产出木糖醇等高附加值产品，有效提高了甜高粱原料的利用率，同时解决了大量甜高粱发酵渣的处理问题。本发明所得木糖糖液中几乎无杂质，有效降低后续木糖纯化成本，具有广阔的工业化推广前景。

Description

一种用甜高粱发酵渣制备木糖醇的方法

技术领域

本发明涉及一种用甜高粱发酵渣制备木糖醇的方法，属于生物化工技术领域。

背景技术

木糖醇(分子式C₅H₁₀O₅)隶属于五碳糖醇，由白色晶体组成，无毒无异味。木糖醇密度为1520kg/m³，熔点92-96℃，易溶于水，微溶于甲醇、乙醇，广泛存在于水果、蔬菜、谷物及农业秸秆中，但含量很低。木糖醇甜度高于蔗糖，热量与葡萄糖相当，进入人体后不依赖于胰岛素进行代谢，不消耗人体内的胰岛素，非常适合作为糖类替代品供糖尿病患者食用。木糖醇不能被口腔内的细菌所利用，可以有效降低龋齿的感染率；其具有约-34.8cal/g的溶解热，与唾液接触时有明显的新鲜感，能够促进唾液的分泌，减缓口腔内pH降低，有效减少牙齿的酸蚀及牙斑的产生，巩固牙齿，因此成为牙膏、口香糖生产中的重要原料。

传统方法生产木糖醇的主要原料包括玉米芯、甘蔗渣等农业废弃物，而对甜高粱发酵渣作为原料制备木糖醇却未见相关的报道。事实上，甜高粱是目前唯一集谷物、糖以及木质纤维原料为一体的作物，被认为是未来最有发展前景的一种能源作物。甜高粱具有光合效率高、耐盐碱、耐干旱等特性，非常适合在盐碱滩图、及干旱等边际土地种植。以甜高粱杆茎为原料，采用固态发酵技术生产燃料乙醇后，残余的甜高粱发酵渣中存在丰富的半纤维素，可作为原料用于木糖醇的生产。

传统木糖醇生产工艺中首先对含有半纤维素的农业废弃物进行预处理，固液分离后得到的固相物用酸水解，将得到的糖液用碱中和、脱色、纯化、浓缩后进行氢化反应生成木糖醇，最后经结晶、烘干得到木糖醇晶体。该工艺用酸催化水解木制纤维原料，导致水解液中含有大量己糖(如葡萄糖)、低聚糖(低聚己糖、低聚木糖)以及降解产物(如糠醛、羟甲基糠醛等)，显著增加了后续木糖的纯化的成本。此外，该工艺过程复杂，消耗酸、碱等辅料较多，对设备要求苛刻，最终导致生产成本高，影响市场推广。目前采用木聚糖酶首先将木制纤维原料水解成木糖，纯化后通过氢化反应得到木糖醇，最后浓缩、结晶得到木糖醇晶体的工艺还未见相关的报道。事实上木聚糖酶可定向将木质纤维素中的半纤维素水解成木糖，所得糖液中除木糖外几乎无杂质，工艺简单易行，同时可显著降低后续糖液纯化成本。为了提高木糖醇的得率，需将木质纤维原料中的半纤维素尽可能多地转化为成木糖。因此，采用酶水解方法制取木糖醇时，甜高梁发酵渣首先需经过预处理以达到破坏木质纤维原料三维网状结构，提高木聚糖酶对半纤维素可及性的目的。目前，对甜高粱杆茎以及以制取生物乙醇残留的甜高梁发酵渣进行预处理主要包括稀酸法、碱法以及蒸汽爆破法等方法。稀酸预处理主要通过去除木质纤维素中的半纤维素，达到提高酶对纤维素的可及性以及增加酶水解转化率的目的。稀酸预处理通常在高温高压下进行，设备投入高，预处理过程中产生较多的微生物发酵的抑制物(糠醛、乙酸等)，需要脱毒等工艺后续处理，因此成本较高。蒸汽爆破法通过破坏木质素与半纤维素的交联，去除木质素。此外，蒸汽爆破法可降低纤维素结晶度，从而提高酶对纤维素的可及性。蒸汽爆破法同样在高温高压下进行，并且通常需要对反应试剂进行回收，因此成本同样较高。碱预处理主要通过去除木质素达到增加酶对纤维素的可及性，提高酶水解转化率的目的。碱法预处理所用反应试剂主要包括氢氧化钠、氢氧化钾、及氢氧化钙，所需设备成本低，反应条件温和，预处理过程中几乎不产生发酵抑制物，因此广泛用于木质纤维原料的预处理工艺。近期出现一种名为碱蒸馏的新工艺，该工艺在蒸馏釜中同步完成甜高粱固态发酵产生乙醇的蒸馏与甜高粱发酵渣的碱预处理，显著降低设备投入以及能耗，因此该工艺具有广阔的发展前景。

发明内容

本发明提供了一种利用甜高粱发酵渣制备木糖醇的方法，采取的技术方案如下：

本发明的目的在于提供一种用甜高粱发酵渣制备木糖醇的方法。该方法是以甜高粱发酵渣为原料，经过碱法预处理并固液分离后，再将得到的固相水洗至中性后，用木聚糖酶糖化后固液分离，再经过活性炭吸附脱色及离子交换树脂纯化后得到木糖纯化液，再对木糖纯化液进行氢化处理后获得木糖醇原液，浓缩结晶并烘干后获得木糖醇。

所述方法的步骤如下：

1)原料的预处理：将甜高粱经过固态发酵生产燃料乙醇后残留的发酵渣转入蒸馏釜，利用碱液进行碱法预处理，处理完毕后进行固液分离，得到固相残渣；

2)糖化处理：将步骤1)所得固相残渣水洗至中性后加入木聚糖酶进行糖化处理，获得糖化水解液；

3)脱色纯化：利用活性炭对步骤2)所得的糖化水解液进行脱色处理，再用离子交换树脂对脱色后的木糖糖液进行纯化，获得木糖纯化液；

4)氢化处理：对步骤3)所得木糖纯化液进行氢化处理，获得木糖醇原液；

5)浓缩结晶：真空浓缩步骤4)所得的木糖醇原液，得到木糖醇浓缩液，结晶木糖醇原液后烘干获得木糖醇。

步骤1)所述碱液为NaOH溶液，碱法预处理条件为：碱液浓度为5％-12.5％，发酵渣：碱液＝1：3-8，蒸馏釜蒸汽通入压力为0.02-0.10MPa，温度为100-110℃，处理时间为20-50min；所述固液分离为抽滤、离心、沉降或压榨分离中的一种或几种。

所述碱法预处理条件优选：碱液浓度为8％-11％，发酵渣：碱液＝1：3-6，蒸馏釜蒸汽通入压力为0.02-0.06MPa，温度为100-105℃，处理时间为30-40min。

所述上清液为酶解液经固液分离后得到的液相部分。

步骤2)所述水洗是用自来水冲洗固相物；所述糖化条件为：木聚糖酶添加量为100-350U/g，木聚糖酶用50mM醋酸钠缓冲溶液溶解，固相物与水的质量比为1:5-9，pH4.8-5.2，糖化温度为45-55℃，处理时间为24-72h。

所述糖化条件优选：木聚糖酶添加量为200-300U/g，木聚糖酶用50mM醋酸钠缓冲溶液溶解，固液比为1:5-9，pH4.8-5.0，糖化温度为50℃，处理时间为24-60h。

步骤3)所述脱色处理，是将木糖液升温至65-75℃，在pH2.5-3.0，35-40r/min的搅拌速度下按照50-100g每升木糖液的添加量添加活性炭粉末，搅拌30-45min后过滤收集滤液，脱色后，糖液透光度达到70％-85％；所述纯化是将木糖糖液温度降至30-40℃后，糖液先经过阳离子交换柱，再经过阴离子交换柱，每小时流速为树脂体积的1-2倍，得到木糖纯化液，纯化后糖液木糖含量70％-80％，电阻率小于10μs/cm。糖液定量投毕后，先用水冲洗树脂直至柱底流出液中无糖测出为止，接着用水从柱底反冲，使树脂层松散翻动，通过溢流除去上层杂质。然后分别用酸、碱进行再生，最后用超纯水淋洗再生。

步骤4)所述氢化处理，是将木糖纯化液pH调至7.5-8.0，再将木糖纯化液注入含有催化剂镍和氢的加氢反应釜中，反应釜内压力为6.5-8.5MPa，反应温度110-130℃，反应时间为80-90min。

步骤5)所述真空浓缩，是先在真空度0.8MPa、50℃下将低聚木糖纯化液浓缩至50％，再在0.9MPa、75℃条件下，将低聚木糖纯化液进一步浓缩至85-90％；

所述结晶，将木糖醇浓缩液在结晶机中降温至48-52℃，以相对于木糖醇质量的0.8-1.5％加入20-40μM的木糖醇籽晶作为晶种，先以0.8-1.0℃/h的传热速率将温度从48-52℃降温至38-42℃；随后以1.5-2.5℃/h的传热速率快速降温至20-25℃完成结晶，结晶周期为35-55小时；最后将木糖醇晶体在80℃烘干，使结晶水分降低至1％以下，得到木糖醇成品。

本发明尝试采用酸法预处理经过固态发酵的甜高粱渣，结果发现不同条件下酸水解，得到低聚木糖粉剂含量为8％-12％，可能由于酸水解过程产生了较多杂质，影响了产物得率。

本发明有益效果：

(1)以甜高粱为原料，采用固态发酵工艺生产燃料乙醇后将产生大量发酵残渣。本发明充分利用这部分资源，不仅生产出木糖醇等高附加值产品，有效提高了甜高粱原料的利用率，同时解决了大量甜高粱发酵渣的处理问题。

(2)本发明通过酶制剂将木制纤维原料水解成木糖，代替传统酸催化水解工艺，通过木聚糖酶对半纤维素专一性水解，所得木糖糖液中几乎无杂质，因此有效降低后续木糖纯化成本，具有广阔的工业化推广前景。

附图说明

图1为以甜高粱发酵渣为原料制取木糖醇工艺的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

以下实施例的百分数除特殊说明外均为重量百分数。

实施例1：

(1)取10吨甜高粱发酵渣放入反应釜中，按照固液比1:3加入2.0％的H₂SO₄溶液，在160℃条件下反应40分钟。反应结束后将蒸馏釜内的混合物进行固液分离，固相物水洗至中用作酶解底物。

(2)按每克底物250U的用量加入木聚糖酶，保持固液比为1:5，在pH为5.0，50℃下水解30小时，酶解完成后升温至90℃中灭活10分钟。将酶解液固液分离，取上清液得到木糖糖液。

(3)将木糖糖液升温至65℃，pH保持在2.5，在搅拌速度为35转/分钟下按每升糖液50g的剂量加入活性炭粉末。搅拌30分钟后过滤，取滤液得到脱色的木糖糖液。脱色后，糖液透光度达到72％。

(4)将脱色的木糖糖液降温至30℃。糖液先经过阳离子交换柱，再经过阴离子交换柱，每小时流速为树脂体积的2倍，得到木糖纯化液。纯化后，木糖含量74％，电阻率小于10μs/cm。

(5)纯化的木糖糖液pH调至7.5，将纯化的糖液连续注入装有催化剂镍和过量氢的加氢反应釜内，催化剂用量为木糖糖液质量的3％，控制糖液进料速度为催化剂体积的0.8，釜内压力为6.5MPa，反应温度为110℃，反应时间为85分钟。

(6)利用双效蒸发器首先在真空度为0.8MPa，温度为50℃条件下将木糖醇液浓缩至含醇50％，接着将真空度调至0.9MPa,温度提高至75℃，将木糖醇液浓缩至含醇85％后出料。

(7)将木糖醇浓缩液在结晶机中降温至48℃，以相对于木糖醇0.8％的剂量加入20μm的木糖醇籽晶。首先以0.8℃/h的传热速率将温度从48℃降温至38℃，随后以1.5℃/h的传热速率快速降温至25℃完成结晶。结晶周期为35小时。最后将木糖醇晶体在80℃烘干，水分含量0.56％，得到成品木糖醇晶体0.78吨，木糖醇含量93.5％。

实施例2

(1)取10吨甜高粱发酵渣放入蒸馏釜中，按照固液比1:3加入7.5％的NaOH溶液，蒸馏釜中通入0.02MPa的蒸汽，在100℃条件下反应30分钟。反应结束后将蒸馏釜内的混合物进行固液分离，固相物水洗至中用作酶解底物。

(2)按每克底物200U的用量加入木聚糖酶，保持固液比为1:5，在pH为5.0，50℃下水解24小时，酶解完成后升温至90℃中灭活10分钟。将酶解液固液分离，取上清液得到木糖糖液。

(3)将木糖糖液升温至65℃，pH保持在2.5，在搅拌速度为35转/分钟下按每升糖液50g的剂量加入活性炭粉末。搅拌30分钟后过滤，取滤液得到脱色的木糖糖液。脱色后，糖液透光度达到72％。

(4)将脱色的木糖糖液降温至30℃。糖液先经过阳离子交换柱，再经过阴离子交换柱，每小时流速为树脂体积的2倍，得到木糖纯化液。纯化后，木糖含量74％，电阻率小于10μs/cm。

(5)纯化的木糖糖液pH调至7.5，将纯化的糖液连续注入装有催化剂镍和过量氢的加氢反应釜内，催化剂用量为木糖糖液质量的3％，控制糖液进料速度为催化剂体积的0.8，釜内压力为6.5MPa，反应温度为110℃，反应时间为80分钟。

(6)利用双效蒸发器首先在真空度为0.8MPa，温度为50℃条件下将木糖醇液浓缩至含醇50％，接着将真空度调至0.9MPa,温度提高至75℃，将木糖醇液浓缩至含醇85％后出料。

(7)将木糖醇浓缩液在结晶机中降温至48℃，以相对于木糖醇0.8％的剂量加入20μm的木糖醇籽晶。首先以0.8℃/h的传热速率将温度从48℃降温至38℃，随后以1.5℃/h的传热速率快速降温至25℃完成结晶。结晶周期为35小时。最后将木糖醇晶体在80℃烘干，水分含量0.4％，得到成品木糖醇晶体1.25吨，木糖醇含量99.2％。

实施例3

(1)取20吨甜高粱发酵渣放入蒸馏釜中，按照固液比1:6加入12.5％的NaOH溶液，蒸馏釜中通入0.06MPa的蒸汽，在105℃条件下反应40分钟。反应结束后将蒸馏釜内的混合物进行固液分离，固相物水洗至中用作酶解底物。

(2)按每克底物300U的用量加入木聚糖酶，保持固液比为1:9，在pH为5.0，50℃下水解60h，酶解完成后升温至90℃中灭活10分钟。将酶解液固液分离，取上清液得到木糖糖液。

(3)将木糖糖液升温至75℃，pH保持在2.5，在搅拌速度为40转/分钟下按每升糖液100g的剂量加入活性炭粉末。搅拌40分钟后过滤，取滤液得到脱色的木糖糖液。脱色后，糖液透光度达到85％。

(4)将脱色的木糖糖液降温至30℃。糖液先经过阳离子交换柱，再经过阴离子交换柱，每小时流速为树脂体积的2倍，得到木糖纯化液。纯化后，木糖含量76％，电阻率小于10μs/cm。

(5)纯化的木糖糖液pH调至7.5，将纯化的糖液连续注入装有催化剂镍和过量氢的加氢反应釜内，催化剂用量为木糖糖液质量的5％，控制糖液进料速度为催化剂体积的0.8，釜内压力为8.5MPa，反应温度为130℃，反应时间为90分钟。

(6)利用双效蒸发器首先在真空度为0.8MPa，温度为50℃条件下将木糖醇液浓缩至含醇50％，接着将真空度调至0.9MPa,温度提高至75℃，将木糖醇液浓缩至含醇85％后出料。

(7)将木糖醇浓缩液在结晶机中降温至52℃，以相对于木糖醇0.8％的剂量加入40μm的木糖醇籽晶。首先以1.5℃/h的传热速率将温度从52℃降温至42℃，随后以2.5℃/h的传热速率快速降温至25℃完成结晶。结晶周期为55小时。最后将木糖醇晶体在80℃烘干，水分含量0.5％，得到成品木糖醇晶体2.46吨，木糖醇含量99.5％。

实施例4

(1)取50吨甜高粱发酵渣放入蒸馏釜中，按照固液比1:4加入10％的NaOH溶液，蒸馏釜中通入0.04MPa的蒸汽，在100℃条件下反应30分钟。反应结束后将蒸馏釜内的混合物进行固液分离，固相物水洗至中用作酶解底物。

(2)按每克底物250U的用量加入木聚糖酶，保持固液比为1:7，在pH为5.0，50℃下水解48h，酶解完成后升温至90℃中灭活10分钟。将酶解液固液分离，取上清液得到木糖糖液。

(3)与具体实施方式2中步骤(3)相同。

(4)与具体实施方式2中步骤(4)相同。

(5)与具体实施方式2中步骤(5)相同。

(6)与具体实施方式2中步骤(6)相同。

(7)将木糖醇浓缩液在结晶机中降温至50℃，以相对于木糖醇0.8％的剂量加入30μm的木糖醇籽晶。首先以0.9℃/h的传热速率将温度从52℃降温至42℃，随后以2℃/h的传热速率快速降温至25℃完成结晶。结晶周期为45小时。最后将木糖醇晶体在80℃烘干，水分含量0.55％，得到成品木糖醇晶体6.82吨，木糖醇含量99.6％。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种用甜高粱发酵渣制备木糖醇的方法，其特征在于，步骤如下：

1)原料的预处理：将甜高粱经过固态发酵生产燃料乙醇后残留的发酵渣转入蒸馏釜，利用碱液进行碱法预处理，处理完毕后进行固液分离，得到固相残渣；

2)糖化处理：将步骤1)所得固相残渣水洗至中性后加入木聚糖酶进行糖化处理，获得糖化水解液；

3)脱色纯化：利用活性炭对步骤2)所得的糖化水解液进行脱色处理，再用离子交换树脂对脱色后的木糖糖液进行纯化，获得木糖纯化液；

4)氢化处理：对步骤3)所得木糖纯化液进行氢化处理，获得木糖醇原液；

5)浓缩结晶：真空浓缩步骤4)所得的木糖醇原液，得到木糖醇浓缩液，结晶木糖醇原液后烘干获得木糖醇；

其中，步骤1)所述碱液为NaOH溶液，碱法预处理条件为：碱液浓度为5％-12.5％，发酵渣：碱液＝1：3-8，蒸馏釜蒸汽通入压力为0.02-0.10MPa，温度为100-110℃，处理时间为20-50min；

步骤2)所述水洗是用自来水冲洗固相物；所述糖化条件为：木聚糖酶添加量为100-350U/g，木聚糖酶用50mM醋酸钠缓冲溶液溶解，固相物与水的质量比为1:5-9，pH4.8-5.2，糖化温度为45-55℃，处理时间为24-72h；

步骤3)所述脱色处理，是将木糖液升温至65-75℃，在pH2.5-3.0，35-40r/min的搅拌速度下按照50-100g每升木糖液的添加量添加活性炭粉末，搅拌30-45min后过滤收集滤液；所述纯化是将木糖糖液温度降至30-40℃后，分别利用732型阳离子离子交换树脂和多孔阴离子交换树脂纯化，纯化后糖液木糖含量70％-80％；

步骤4)所述氢化处理，是将木糖纯化液pH调至7.5-8.0，再将木糖纯化液注入含有催化剂镍和氢的加氢反应釜中，反应釜内压力为6.5-8.5MPa，反应温度110-130℃，反应时间为80-90min；

步骤5)所述真空浓缩，是先在真空度0.8MPa、50℃下将低聚木糖纯化液浓缩至50％，再在0.9MPa、75℃条件下，将低聚木糖纯化液进一步浓缩至85-90％；

步骤5)所述结晶，将木糖醇浓缩液在结晶机中降温至48-52℃，以相对于木糖醇质量的0.8-1.5％加入20-40μM的木糖醇籽晶作为晶种，先以0.8-1.0℃/h的传热速率将温度从48-52℃降温至38-42℃；随后以1.5-2.5℃/h的传热速率快速降温至20-25℃完成结晶，结晶周期为35-55小时；最后将木糖醇晶体在80℃烘干，使结晶水分降低至1％以下，得到木糖醇成品。

2.权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)所述固液分离为抽滤、离心、沉降或压榨分离中的一种或几种。

3.权利要求2所述方法，其特征在于，所述碱法预处理条件为：碱液浓度为8％-11％，发酵渣：碱液＝1：3-6，蒸馏釜蒸汽通入压力为0.02-0.06MPa，温度为100-105℃，处理时间为30-40min。

4.权利要求1所述方法，其特征在于，所述糖化条件为：木聚糖酶添加量为200-300U/g，木聚糖酶用50mM醋酸钠缓冲溶液溶解，固液比为1:5-9，pH 4.8-5.0，糖化温度为50℃，处理时间为24-60h。