CN112195209B - 一种木糖的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木糖的制备方法，属于生物化工技术领域，包括以下步骤：收集含半纤维素的溶液至预混合桶，加入稀硫酸调节pH值，加入纯水调节半纤维素的浓度至100g/L；在预热桶内加入水解酶，搅拌混合得混合液，控制混合液中含酶量在0.2‑0.3‰之间；将混合液送至酶水解反应器中，保持混合液充满酶反应器的80%液位溢流，得上清液，控制酶水解反应器中温度为36‑38℃，保持流入流速为30‑35m3/h；将上清液输送至纳滤膜过滤器进行过滤，可得到木糖清液和含酶及低聚糖的浓缩液；再将木糖清液输送至下一步工序，再将浓缩液输送回至预混合桶，可实现木糖75%以上的高收率，经济、环保、高效。

Description

一种木糖的制备方法
技术领域
本发明涉及生物化工技术领域，尤其涉及一种木糖的制备方法。
背景技术
目前，在粘胶生产领域中，会产出一部分副产物-半纤维素，而如何处理这部分副产物，或者如何将这部分副产物变成有用的原材料是企业所面临的问题。早前，如谭世语、黄诚于2006年在《食品科技》上发表的<木糖生产工艺的研究进展>文献就说明了木糖的具体获取方法，提到可通过纤维素酶来水解半纤维素液来获得木糖。
通常来说，木糖可在食品、饮料中作为无热量甜味剂，可应用于宠物饲料，可用作烤制品，可用作高档酱油色，在轻工、化工方面也有一定用途。因此木糖的用途非常广泛，其发展前景也非常广阔。
纤维素酶是木质纤维素转化的重要酶系，主要是由内切β-1,4-葡聚糖酶、外切β-1,4-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶组成，水解不同位置的糖苷键从而形成葡萄糖。但在利用纤维素酶水解半纤维素得到木糖的工艺中，常遇到以下问题：
1、酶水解率不够，很少见到能达到50%水解率的木糖外切酶。
2、酶水解内含物太杂，各类木聚糖涵盖在其中，分离困难。
3、由于获取有活性的酶较困难，导致市场上纤维素酶的价格高，传统的木糖生产工艺，回收再利用酶困难，没有最大化的利用纤维素酶，导致木糖的生产成本太高。
4、生产中，考虑酶的回用工艺时，又不能兼顾木糖的连续生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种木糖的制备方法，可以解决现有技术中的上述问题，以达到最大化的利用纤维素酶，同时可实现木糖的连续生产，降低生产成本的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
一种木糖的制备方法，包括以下步骤：
a.收集含半纤维素的溶液至预混合桶，加入稀硫酸调节pH值至5-7，加入纯水调节半纤维素的浓度至100g/L，得到半纤维素底物；
b.将预混合桶内的温度调节至30-38.5℃，加入水解酶，搅拌混合，得到混合液，并控制混合液中含酶量在0.2-0.3‰之间；
c. 将混合液输送至酶水解反应器中，保持混合液充满酶反应器的80%液位溢流，得上清液，控制酶水解反应器中温度为36-38℃，保持流入流速为30-35m3/h；
d.将步骤c中的酶反应器溢流出的上清液输送至纳滤膜过滤器进行过滤，纳滤膜过滤器选择性通过分子量为500以下的分子，可得到木糖清液和含酶及低聚糖的浓缩液；
e. 再将步骤d中得到木糖清液输送至下一步膜浓缩工序，再将含酶及低聚糖的浓缩液输送回至预混合桶再利用；
f.重复步骤a-e。
优选的，所述酶水解反应器与纳滤膜过滤器之间还设有储存罐，用于暂存步骤c中得到的上清液，所述储存罐内设有搅拌器，搅拌速率为25-35r/min，酶水解反应器中上清液持续溢流后，前端持续向酶水解反应器中输送混合液，重复步骤a-c。
进一步地，所述步骤a中收集的含半纤维素的溶液是粘胶生产工艺中纤维提取步骤中得到的半纤维素溶液，其中含80-110g/L的半纤维素、少量NaOH 。
进一步地，所述步骤b中的水解酶是采用水稀释至浓度10%的木聚糖复合酶溶液，所述木聚糖复合酶包括内切β-1，4-葡聚糖酶、外切β-1，4-葡聚糖酶。
进一步地，所述步骤b中，预混合桶上设有搅拌器，搅拌速率为10-15r/min。
进一步地，所述步骤c中的酶水解反应器为微孔气动搅拌酶水解反应器，所述微孔气动搅拌酶水解反应器包括上部漏斗形组件和下部试管式组件，所述上部漏斗形组件和下部试管式组件内部贯穿有气动管，所述下部试管式组件外部设有保温装置，空时是持续通过气动管向为微孔气动搅拌酶水解反应器鼓压缩气体。
进一步地，所述步骤d中的纳滤膜过滤器中，运行温度不超过40℃。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
1、本发明中，收集粘胶生产中得到的副产物-含半纤维素的溶液，经中和后，加入纤维素酶，水解半纤维素，最后得到木糖，与传统的加入化学试剂制得木糖的方法相比，本技术方案中，不会引入新的离子，更安全，同时木糖的转化率可以达到75%以上，明显高于现有技术中木糖的转化率。
2、本发明中，巧妙地增设有预混合桶，且给预混合桶设有加热调节的装置，可以使预混合桶内的温度保持在一个稳定的温度范围，更利于酶解反应；增设机械搅拌装置，可以快速平衡酶与半纤维素的组分比例，减轻酶水解反应器中水解底物物料的混合工艺负荷，因此酶水解反应器可以实现微孔气动搅拌，即将压缩气体（优选惰性气体）通入气动管中，具有搅拌的作用混合液的作用，利于酶解反应以及混合液的分层。
3、本发明中，固体膜过滤器过滤后，上端被截留在水解液腔的含大量水解酶的混悬液、以及膜浓缩工艺中截留下的水直接返回至预混合桶，减少中间存储工序，减少工艺泄漏点，创造了更好的无菌工艺控制条件，有利于酶水解反应器中反应物的水解速度与强度，同时，可达到水解酶的无损封闭回流使用，实现水解酶最大化的利用。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明的其中一种实施方式的流程图。
图3是实施例3中方案1-方案7的数据统计表。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种木糖的制备方法，涉及生物化工技术领域，包括以下步骤：
a.收集含半纤维素的溶液至预混合桶，加入稀硫酸调节pH值至7，加入纯水调节半纤维素的浓度至100g/L，得到半纤维素底物；
b.将预混合桶内的温度调节至38℃，加入水解酶，搅拌混合，得到混合液，并控制混合液中含酶量在0.3‰；
c. 将混合液输送至酶水解反应器中，保持混合液充满酶反应器的80%液位溢流，得上清液，本实施例中使用的酶反应器的容量为680 m3，即反应器内物料稳定在540 m3左右，保持流入流速为35 m3/h，控制酶水解反应器中温度为36-38℃，即可保证混合液在酶水解反应器中停留约10h，可达到充分水解的目的；
d.将步骤c中的酶反应器溢流出的上清液输送至纳滤膜过滤器进行过滤，纳滤膜过滤器选择性通过分子量为500以下的分子，可得到分子量500以下以木糖为主的木糖清液和分子量500以上的含酶及低聚糖的浓缩液；
e. 再将步骤d中得到木糖上清液输送至下一步膜浓缩工序，再将含酶及低聚糖的浓缩液输送回至预混合桶再利用；
f.重复步骤a-e。
本实施例为本发明的一种实施方式，将粘胶生产中的副产物再利用起来，得到有用的木糖，且本技术方案不引入酸、碱，不使用高温高压，整个过程对设备腐蚀性等要求非常低；利用纳滤膜的拦截效果，可以不再使用活性炭，厂区环境将得到极大改善；整个生产环节中没有硫酸，最后送至电渗析系统，电渗析负荷大幅度降低，将大幅度降低电耗，厂区也不再使用氧化钙，用水量也明显降低。
实施例2
一种木糖的制备方法，涉及生物化工技术领域，包括以下步骤：
a.收集含半纤维素的溶液至预混合桶，加入稀硫酸调节pH值至7，加入纯水调节半纤维素的浓度至100g/L，得到半纤维素底物；
b.将预混合桶内的温度调节至38℃，加入水解酶，搅拌混合，得到混合液，并控制混合液中含酶量在0.3‰；
c. 将混合液输送至酶水解反应器中，保持混合液充满酶反应器的80%液位溢流，得上清液，本实施例中使用的酶反应器的容量为680 m3，即反应器内物料稳定在540 m3左右，保持流入流速为30 m3/h，控制酶水解反应器中温度为38℃，即可保证混合液在酶水解反应器中停留约10h，可达到充分水解的目的；
d.将步骤c中的酶反应器溢流出的上清液输送至纳滤膜过滤器进行过滤，纳滤膜过滤器选择性通过分子量为500以下的分子，可得到分子量500以下以木糖为主的木糖清液和分子量500以上的含酶及低聚糖的浓缩液；
e. 再将步骤d中得到木糖清液输送至下一步膜浓缩工序，再将含酶及低聚糖的浓缩液输送回至预混合桶再利用；
f.重复步骤a-e。
优选的，所述酶水解反应器与纳滤膜过滤器之间还设有储存罐，用于暂存步骤c中得到的上清液，所述储存罐内设有搅拌器，搅拌速率为25r/min，酶水解反应器中上清液持续溢流后，前端持续向酶水解反应器中输送混合液，重复步骤a-c。
进一步地，所述步骤a中收集的含半纤维素的溶液是粘胶生产工艺中纤维提取步骤中得到的半纤维素溶液，其中含85g/L的半纤维素、浓度在14g/L以下的NaOH，最后中和后得到的半纤维素底物中的NaSO4的浓度一般不高于20g/L。
半纤维素底物中的NaSO4的浓度过高虽然仍可以使用本工艺，但会影响整个工艺的反应速率，会导致耗时更长，或者酶的使用增加，导致生产成本增加。
进一步地，所述步骤b中的水解酶是采用水稀释至浓度10%的木聚糖复合酶溶液，所述木聚糖复合酶包括内切β-1，4-葡聚糖酶、外切β-1，4-葡聚糖酶。
进一步地，所述步骤b中，预混合桶上设有搅拌器，搅拌速率为15r/min。
进一步地，所述步骤c中的酶水解反应器为微孔气动搅拌酶水解反应器，所述微孔气动搅拌酶水解反应器包括上部漏斗形组件和下部试管式组件，所述上部漏斗形组件和下部试管式组件内部贯穿有气动管，所述下部试管式组件外部设有保温装置，空时是持续通过气动管向为微孔气动搅拌酶水解反应器鼓压缩气体。
进一步地，所述步骤d中的纳滤膜过滤器中，运行温度不超过40℃。
实施例3
本实施例为较优的一种实施方式，参照附图1-2，一种木糖的制备方法，涉及生物化工技术领域，包括以下步骤：
a.收集含半纤维素的溶液至预混合桶，加入稀硫酸调节pH值至6，加入纯水调节半纤维素的浓度至100g/L，得到半纤维素底物，当然为避免加入的稀硫酸与后面加入的水解酶接触，损坏水解酶的活性，可另增一个缓冲罐，用于得到pH稳定的半纤维素底物；
b.将预混合桶内的温度调节至36℃，加入水解酶，搅拌混合，得到混合液，并控制混合液中含酶量在0.3‰；
c. 将混合液输送至酶水解反应器中，保持混合液充满酶反应器的80%液位溢流，得上清液，本实施例中使用的酶反应器的容量为680 m3，即反应器内物料稳定在540 m3左右，保持流入流速为30m3/h，控制酶水解反应器中温度为38℃，即可保证混合液在酶水解反应器中停留约10h，可达到充分水解的目的；
d.将步骤c中的酶反应器溢流出的上清液输送至纳滤膜过滤器进行过滤，纳滤膜过滤器选择性通过分子量为500以下的分子，可得到分子量500以下以木糖为主的木糖清液和分子量500以上的含酶及低聚糖的浓缩液；
e. 再将步骤d中得到木糖清液输送至下一步膜浓缩工序，再将含酶及低聚糖的浓缩液输送回至预混合桶再利用；
f.重复步骤a-e。
优选的，所述酶水解反应器与纳滤膜过滤器之间还设有储存罐，用于暂存步骤c中得到的上清液，所述储存罐内设有搅拌器，搅拌速率为30r/min，酶水解反应器中上清液持续溢流后，前端持续向酶水解反应器中输送混合液，重复步骤a-c。
进一步地，所述步骤a中收集的含半纤维素的溶液是粘胶生产工艺中纤维提取步骤中得到的半纤维素溶液，其中含85g/L的半纤维素、浓度在14g/L以下的NaOH，最后中和后得到的半纤维素底物中的NaSO4的浓度一般不高于20g/L。
半纤维素底物中的NaSO4的浓度过高虽然仍可以使用本工艺，但会影响整个工艺的反应速率，会导致耗时更长，或者酶的使用增加，导致生产成本增加。
进一步地，所述步骤b中的水解酶是采用水稀释至浓度10%的木聚糖复合酶溶液，所述木聚糖复合酶包括内切β-1，4-葡聚糖酶、外切β-1，4-葡聚糖酶。
进一步地，所述步骤b中，预混合桶上设有搅拌器，搅拌速率为10r/min。
进一步地，所述步骤c中的酶水解反应器为微孔气动搅拌酶水解反应器，所述微孔气动搅拌酶水解反应器包括上部漏斗形组件和下部试管式组件，所述上部漏斗形组件和下部试管式组件内部贯穿有气动管，所述下部试管式组件外部设有保温装置，空时是持续通过气动管向为微孔气动搅拌酶水解反应器鼓压缩气体。
进一步地，所述步骤d中的纳滤膜过滤器中，运行温度不超过40℃。
本技术方案中需要及时检测预混合桶中的水解酶的含量，让其浓度保持在0.2-0.3‰之间，水解酶含量较少会影响半纤维素的转化率，水解酶含量较多会增加水解酶的用量，同时可提高半纤维素的转化率的空间很小，都不经济、实用，且酶剂的价格昂贵，都会直接或间接的增加生产成本。
本实施例中，半纤维素底物在酶水解反应器中，木糖产品转化率为：每克水解酶转化300-400g木糖。
另外，采用本实施例的方法，在一定范围内调节相关参数，另统计了方案1-方案7的数据，如附图3所示，可以看出，采用本方明的技术方案，木糖的收率能稳定在75%-85%之间，明显高于采用现有技术的木糖收率。
实施例4
本实施例与实施例1-3相比，区别在于，在步骤a中收集到的前工序中的副产物-含半纤维素的溶液中的半纤维素含量约为110 g/L，且含有约14 g/L的NaOH混合液，加适量稀硫酸调节pH值至7，考虑到如果将pH值调节至更低，后续需要加入的纯水更多，再加入纯水调节半纤维素的浓度至100g/L，整个工艺中温度保持在38±0.5℃，保证水解酶在较高活性温度范围内工作，酶水解反应器的流入流速为保持在30-35m3/h，最后经纳滤膜过滤器过滤最后得到木糖液，木糖液的收率可达到82%。
且，经多次调整发现，其中预混合桶中搅拌速率保持在10-15r/min，储存罐内搅拌速率25-35r/min，在这个搅拌速率范围内，得到的木糖收率波动较小，能保持在75%以上，但预混合桶中搅拌速率过快，容易导致酶损坏且混合效果较差，搅拌速率过慢，混合不充分，都会导致想要达到木糖转化率75%以上，整个循环时间明显增长，经济效益明显较低。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种木糖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.收集含半纤维素的溶液至预混合桶，加入稀硫酸调节pH值至5-7，加入纯水调节半纤维素的浓度至100g/L，得到半纤维素底物；
b.将预混合桶内的温度调节至30-38.5℃，加入水解酶，搅拌混合，得到混合液，并控制混合液中含酶量在0.2-0.3‰之间；
c. 将混合液输送至酶水解反应器中，保持混合液充满酶反应器的80%液位溢流，得上清液，控制酶水解反应器中温度为36-38.5℃，保持流入流速为30-35m3/h；
d.将步骤c中的酶反应器溢流出的上清液输送至纳滤膜过滤器进行过滤，纳滤膜过滤器选择性通过分子量为500以下的分子，可得到木糖清液和含酶及低聚糖的浓缩液；
e. 再将步骤d中得到木糖清液输送至下一步膜浓缩工序，再将含酶及低聚糖的浓缩液输送回至预混合桶再利用；
f.重复步骤a-e；
所述酶水解反应器与纳滤膜过滤器之间还设有储存罐，用于暂存步骤c中得到的上清液，所述储存罐内设有搅拌器，搅拌速率25-35r/min，酶水解反应器中上清液持续溢流后，前端持续向酶水解反应器中输送混合液，重复步骤a-c；
所述步骤b中的水解酶是采用水稀释至浓度10%的木聚糖复合酶溶液，所述木聚糖复合酶为内切β-1，4-葡聚糖酶和外切β-1，4-葡聚糖酶；
所述步骤b中，预混合桶上设有搅拌器，搅拌速率为10-15r/min；
所述步骤c中的酶水解反应器为微孔气动搅拌酶水解反应器，所述微孔气动搅拌酶水解反应器包括上部漏斗形组件和下部试管式组件，所述上部漏斗形组件和下部试管式组件内部贯穿有气动管，所述下部试管式组件外部设有保温装置，空时是持续通过气动管向微孔气动搅拌酶水解反应器鼓压缩气体。
2.根据权利要求1所述的一种木糖的制备方法，其特征在于：所述步骤d中的纳滤膜过滤器中，运行温度不超过40℃。
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