CN106351051B - 利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，属于生物技术领域。本发明使用特殊的蛋白酶、特殊的常温型淀粉酶成功高效脱除蛋白质、淀粉，使用碱液脱除半纤维素、木质素、灰分、油脂类物质等。另外，汽爆过程中，采用低温、高压（惰性气体提供）环境；高压条件保证了碱液向原料细胞壁间的有效渗透，确保了纤维素的得率；低温及惰性环境避免了纤维素的分解反应、脱水（焦化）反应、剥皮反应、氧化反应、乙酰基的酯化反应等，确保了纤维素的完整性及纯度。本发明通过简单工艺成功脱除棉短绒中的蛋白质、淀粉、油脂类、灰分、半纤维素、木质素等成份，获得极高纯度（98%）的纤维素。

Description

利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法
技术领域
本发明涉及生物技术领域，特别涉及一种利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法。
背景技术
纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂，是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。
纤维素在工业、食品、药品等领域的应用越来越广泛。而高纯度、高质量的纤维素的获得和制备是纤维素能否得到高值化应用的前提。
棉短绒是所有纤维原料中纤维素含量最丰富的，含量在93%以上（相对棉短绒干基质量），因此成为制备高质量纤维素的重要原材料。然而，现有技术中采用棉短绒制备纤维素不仅得率低、工艺复杂且纯度远远不够。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种工艺简单、纤维素得率高且所得纤维素纯度非常高的利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法。
本发明的技术方案为：
一种利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，包括步骤：
1）将经过预处理的棉短绒置于汽爆分离器中，加入棉短绒质量1-20倍的水，通入惰性气体，使棉短绒均匀分布在水中，预浸10-30分钟；
2）加入复合蛋白酶，间歇1-3分钟，通入惰性气体，酶解10-80分钟；随后加入常温型α-淀粉酶，酶解10-80分钟；然后通入蒸汽升温至60-70℃，保温2-20分钟，灭活酶的活性；所述复合蛋白酶由具备内肽酶活性的碱性蛋白酶和具备端肽酶活性的蛋白酶K组成；所述常温型α-淀粉酶由微波诱导所得变异地衣芽孢杆菌分泌所得α-淀粉酶，所述常温型α-淀粉酶的适宜温度为22-35℃；
3）灭酶后，向汽爆分离器中加入碱至碱液质量浓度为5-25%，接着向汽爆分离器中通入惰性气体，将汽爆分离器内空气排净、封口；通入水蒸汽至温度升至80-120℃后，停止通水蒸汽；然后间歇性向汽爆分离器内通入惰性气体，以维持汽爆分离器内压力为1-2MPa，蒸煮30-180分钟后喷放；
4）喷放浆状物趁热固液分离，得滤渣一和滤液一；
5）将滤渣一置于漂白罐，加入滤渣一1-10倍质量的水，搅匀，加入双氧水至双氧水的质量分数为0.1%-0.5%，于50-80℃下保温10-120分钟；
6）继续加入双氧水，至双氧水的质量分数为2%-6%，进行漂白处理；
7）漂白处理完毕后固液分离，得滤渣二和滤液二；滤渣二采用水洗涤；
8）洗涤后的滤渣二经干燥、粉碎，得纤维素成品。
作为优选方案，步骤1）中，所述棉短绒的预处理为：棉短绒开包、疏解、去杂、除尘。
作为优选方案，步骤2）中，所述微波诱导所得变异地衣芽孢杆菌的获取步骤具体为：将地衣芽孢杆菌的培养液置于微波发生器，设置微波功率为850-950W，脉冲频率为2300MHz，微波处理20s，冷却20s，依此往复25-35次；将微波处理后的培养液涂布在固体培养基上，30℃条件下培养1-2天，由存活下来的菌落中筛选四株常温下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢杆菌的变异菌株。
进一步的，选出常温下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢杆菌的变异菌株扩大培养，从而获得所述常温型α-淀粉酶。采用该方法获得的常温型α-淀粉酶，在常温下即可高效酶解淀粉，既降低了能耗，又避免了副反应的发生。
作为优选方案，所述复合蛋白酶中具备内肽酶活性的碱性蛋白酶与具备端肽酶活性的蛋白酶K的比例为1:1-3。
作为优选方案，所述复合蛋白酶的加入量满足每千克干基棉短绒400-800U，所述常温型α-淀粉酶的加入量满足每千克干基棉短绒300-700U。
作为优选方案，步骤3）中，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水或氢氧化钙。
作为优选方案，所述惰性气体为氮气、氦气或氩气。
作为优选方案，步骤7）中，滤渣二采用水洗涤2-4遍。
作为优选方案，步骤8）中，所述干燥为喷雾干燥、热风干燥、流化床干燥、冷冻干燥；干燥温度低于120℃。
本发明的有益效果为：
本发明使用特殊的蛋白酶、特殊的常温型淀粉酶成功高效脱除蛋白质、淀粉，使用碱液脱除半纤维素、木质素、灰分、油脂类物质等。另外，汽爆过程中，采用低温、高压（惰性气体提供）环境；高压条件保证了碱液向原料细胞壁间的有效渗透，确保了纤维素的得率；低温及惰性环境避免了纤维素的分解反应、脱水（焦化）反应、剥皮反应、氧化反应、乙酰基的酯化反应等，确保了纤维素的完整性及纯度。
本发明通过简单工艺成功脱除棉短绒中的蛋白质、淀粉糖、油脂类、灰分、半纤维素、木质素等成份，获得极高纯度（≥98%）的纤维素。
具体实施方式
实施例1
一种利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，包括步骤：
1）棉短绒开包、疏解、去杂、除尘后置于汽爆分离器中，加入棉短绒质量10倍的水，通入氮气，使棉短绒均匀分布在水中，预浸20分钟。
2）加入复合蛋白酶（500U/千克干基棉短绒），间歇1分钟，通入氮气，酶解50分钟；随后加入常温型α-淀粉酶（400U/千克干基棉短绒），酶解40分钟；然后通入蒸汽升温至65℃，保温10分钟，灭活酶的活性。
其中，复合蛋白酶由具备内肽酶活性的碱性蛋白酶和具备端肽酶活性的蛋白酶K组成，复合蛋白酶中具备内肽酶活性的碱性蛋白酶与具备端肽酶活性的蛋白酶K的比例为1: 1；该复合蛋白酶可以在常温下高效水解蛋白质。
常温型α-淀粉酶由微波诱导所得变异地衣芽孢杆菌分泌所得α-淀粉酶；微波诱导所得变异地衣芽孢杆菌的获取步骤具体为：将地衣芽孢杆菌的培养液置于微波发生器，设置微波功率为900W，脉冲频率为2300MHz，微波处理20s，冷却20s，依此往复30次；将微波处理后的培养液涂布在固体培养基上，30℃条件下培养1-2天，由存活下来的菌落中筛选四株常温下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢杆菌的变异菌株。选出常温下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢杆菌的变异菌株扩大培养，从而获得常温型α-淀粉酶；常温型α-淀粉酶在22-35℃温度下高效率地水解淀粉，不必像目前大多采用的高温型α-淀粉酶需要高温（80-90℃）条件，因而减少了能耗也降低了对设备的要求，同时极大减少了副反应的发生。
此处用酶法可以柔和地将蛋白质、淀粉水解成小分子的肽类、氨基酸、麦芽糖、葡萄糖等进入滤液中，从而成功脱除蛋白质和淀粉。
3）灭酶后，向汽爆分离器中加入碱至碱液质量浓度为18%，接着向汽爆分离器中通入氮气，将汽爆分离器内空气排净、封口；通入水蒸汽至温度升至110℃后，停止通水蒸汽；然后间歇性向汽爆分离器内通入氮气，以维持汽爆分离器内压力为1.5MPa，蒸煮100分钟后喷放。
该步骤中，木质素、半纤维素、灰分、油脂类等均溶入碱液中；采用较低蒸煮温度（110℃，通入热蒸汽实现）避免了纤维素的分解反应、脱水（焦化）反应、剥皮反应等，采用较高锅内压力（1.5MPa，通过空压机通入氮气实现）保证了碱液向原料细胞壁间的有效渗透，采用惰性环境（通入氮气实现）避免了纤维素分子基团的氧化反应、乙酰基的酯化反应等。
4）喷放浆状物趁热固液分离，得滤渣一和滤液一。
滤渣一即为含有纤维素的浆料；滤液一为脱除的半纤维素、木质素、灰分等无机盐、油脂类以及酶解后的小分子物质等。
5）将滤渣一置于漂白罐，加入滤渣一6倍质量的水，搅匀，加入双氧水至双氧水的质量分数为0.3%，于60℃下保温60分钟。该步骤加入双氧水并不是为了漂白，而是利用双氧水在碱性环境下继续脱除残留在纤维素表面的半纤维素、木质素等，进一步提高纤维素纯度。
6）继续加入双氧水，至双氧水的质量分数为3%，进行漂白处理；
7）漂白处理完毕后固液分离，得滤渣二和滤液二；滤渣二采用水洗涤3遍；
8）洗涤后的滤渣二经喷雾干燥、粉碎，得纤维素成品。该步骤中，干燥温度在120℃以下，以确保纤维素的聚合度及纤维素分子的稳定性。本实施例中纤维素的理论得率为96.6%，纯度为98.4%。
实施例2
一种利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，包括步骤：
1）棉短绒开包、疏解、去杂、除尘后置于汽爆分离器中，加入棉短绒质量8倍的水，通入氮气，使棉短绒均匀分布在水中，预浸30分钟。
2）加入复合蛋白酶（600U/千克干基棉短绒），间歇2分钟，通入氮气，酶解30分钟；随后加入常温型α-淀粉酶（500U/千克干基棉短绒），酶解30分钟；然后通入蒸汽升温至70℃，保温8分钟，灭活酶的活性。
其中，复合蛋白酶由具备内肽酶活性的碱性蛋白酶和具备端肽酶活性的蛋白酶K组成，复合蛋白酶中具备内肽酶活性的碱性蛋白酶与具备端肽酶活性的蛋白酶K的比例为1: 2；该复合蛋白酶可以在常温下高效水解蛋白质。
常温型α-淀粉酶由微波诱导所得变异地衣芽孢杆菌分泌所得α-淀粉酶；微波诱导所得变异地衣芽孢杆菌的获取步骤具体为：将地衣芽孢杆菌的培养液置于微波发生器，设置微波功率为900W，脉冲频率为2300MHz，微波处理20s，冷却20s，依此往复30次；将微波处理后的培养液涂布在固体培养基上，30℃条件下培养1-2天，由存活下来的菌落中筛选四株常温下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢杆菌的变异菌株。选出常温下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢杆菌的变异菌株扩大培养，从而获得常温型α-淀粉酶；常温型α-淀粉酶在22-35℃温度下高效率地水解淀粉，不必像目前大多采用的高温型α-淀粉酶需要高温（80-90℃）条件，因而减少了能耗也降低了对设备的要求，同时极大减少了副反应的发生。
此处用酶法可以柔和地将蛋白质、淀粉水解成小分子的肽类、氨基酸、麦芽糖、葡萄糖等进入滤液中，从而成功脱除蛋白质和淀粉。
3）灭酶后，向汽爆分离器中加入碱至碱液质量浓度为15%，接着向汽爆分离器中通入氮气，将汽爆分离器内空气排净、封口；通入水蒸汽至温度升至105℃后，停止通水蒸汽；然后间歇性向汽爆分离器内通入氮气，以维持汽爆分离器内压力为1.6MPa，蒸煮90分钟后喷放。
该步骤中，木质素、半纤维素、灰分、油脂类等均溶入碱液中；采用较低蒸煮温度（105℃，通入热蒸汽实现）避免了纤维素的分解反应、脱水（焦化）反应、剥皮反应等，采用较高锅内压力（1.6MPa，通过空压机通入氮气实现）保证了碱液向原料细胞壁间的有效渗透，采用惰性环境（通入氮气实现）避免了纤维素分子基团的氧化反应、乙酰基的酯化反应等。
4）喷放浆状物趁热固液分离，得滤渣一和滤液一。
滤渣一即为含有纤维素的浆料；滤液一为脱除的半纤维素、木质素、灰分等无机盐、油脂类以及酶解后的小分子物质等。
5）将滤渣一置于漂白罐，加入滤渣一4倍质量的水，搅匀，加入双氧水至双氧水的质量分数为0.2%，于70℃下保温40分钟。该步骤加入双氧水并不是为了漂白，而是利用双氧水在碱性环境下继续脱除残留在纤维素表面的半纤维素、木质素等，进一步提高纤维素纯度。
6）继续加入双氧水，至双氧水的质量分数为4%，进行漂白处理；
7）漂白处理完毕后固液分离，得滤渣二和滤液二；滤渣二采用水洗涤4遍；
8）洗涤后的滤渣二经流化床干燥、粉碎，得纤维素成品。该步骤中，干燥温度在120℃以下，以确保纤维素的聚合度及纤维素分子的稳定性。本实施例中纤维素的理论得率为96.9%，纯度为99.1%。

Claims (10)

1.一种利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，其特征在于，包括步骤：
1）将经过预处理的棉短绒置于汽爆分离器中，加入棉短绒质量1-20倍的水，通入惰性气体，使棉短绒均匀分布在水中，预浸10-30分钟；
2）加入复合蛋白酶，间歇1-3分钟，通入惰性气体，酶解10-80分钟；随后加入常温型α-淀粉酶，酶解10-80分钟；然后通入蒸汽升温至60-70℃，保温2-20分钟，灭活酶的活性；所述复合蛋白酶由具备内肽酶活性的碱性蛋白酶和具备端肽酶活性的蛋白酶K组成；所述常温型α-淀粉酶由微波诱导所得变异地衣芽孢杆菌分泌所得α-淀粉酶，所述常温型α-淀粉酶的适宜温度为22-35℃；
3）灭酶后，向汽爆分离器中加入碱至碱液质量浓度为5-25%，接着向汽爆分离器中通入惰性气体，将汽爆分离器内空气排净、封口；通入水蒸汽至温度升至80-120℃后，停止通水蒸汽；然后间歇性向汽爆分离器内通入惰性气体，以维持汽爆分离器内压力为1-2MPa，蒸煮30-180分钟后喷放；
4）喷放浆状物趁热固液分离，得滤渣一和滤液一；
5）将滤渣一置于漂白罐，加入滤渣一1-10倍质量的水，搅匀，加入双氧水至双氧水的质量分数为0.1%-0.5%，于50-80℃下保温10-120分钟；
6）继续加入双氧水，至双氧水的质量分数为2%-6%，进行漂白处理；
7）漂白处理完毕后固液分离，得滤渣二和滤液二；滤渣二采用水洗涤；
8）洗涤后的滤渣二经干燥、粉碎，得纤维素成品。
2.如权利要求1所述利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，其特征在于，步骤1）中，所述棉短绒的预处理为：棉短绒开包、疏解、去杂、除尘。
3.如权利要求1所述利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，其特征在于，步骤2）中，所述微波诱导所得变异地衣芽孢杆菌的获取步骤具体为：将地衣芽孢杆菌的培养液置于微波发生器，设置微波功率为850-950W，脉冲频率为2300MHz，微波处理20s，冷却20s，依此往复25-35次；将微波处理后的培养液涂布在固体培养基上，30℃条件下培养1-2天，由存活下来的菌落中筛选四株常温下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢杆菌的变异菌株。
4.如权利要求3所述利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，其特征在于：选出常温下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢杆菌的变异菌株扩大培养，从而获得所述常温型α-淀粉酶。
5.如权利要求1或3所述利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，其特征在于：所述复合蛋白酶中具备内肽酶活性的碱性蛋白酶与具备端肽酶活性的蛋白酶K的比例为1:1-3。
6.如权利要求1所述利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，其特征在于：所述复合蛋白酶的加入量满足每千克干基棉短绒400-800U，所述常温型α-淀粉酶的加入量满足每千克干基棉短绒300-700U。
7.如权利要求1所述利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，其特征在于：步骤3）中，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水或氢氧化钙。
8.如权利要求1所述利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，其特征在于：所述惰性气体为氮气、氦气或氩气。
9.如权利要求1所述利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，其特征在于：步骤7）中，滤渣二采用水洗涤2-4遍。
10.如权利要求1所述利用汽爆技术由棉短绒生产高纯纤维素的方法，其特征在于：步骤8）中，所述干燥为喷雾干燥、热风干燥、流化床干燥、冷冻干燥；干燥温度低于120℃。
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