專利名稱：一種玉米秸稈類農(nóng)林廢棄物的新用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種農(nóng)林廢棄物的綜合利用，確切地說是一種玉米秸稈類農(nóng)林廢棄物在發(fā)酵 制備檸檬酸的新用途。 二、背景技術(shù)擰檬酸又名枸櫞酸，英文名citricacid，化學名稱為3-羥基-3-羧基戊二酸。外觀無色 半透明晶體，或白色顆粒，或白色結(jié)晶性粉末，。檸檬酸結(jié)晶形態(tài)因結(jié)晶條件不同而不同， 有無水檸檬酸QiA，也有含結(jié)晶水的檸檬酸2QW)7 H20、 C6H807 &0或(^807 2H20。商品檸檬酸主要是無水檸檬酸和 一水檸檬酸。我國傳統(tǒng)生產(chǎn)檸檬酸的生產(chǎn)方法是用含淀粉質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品為原料。申請人曾首創(chuàng)玉米粉發(fā) 酵法制備檸檬酸的方法(ZL95111000.4)。目前該方法是國內(nèi)生產(chǎn)檸檬酸的最具代表性的方 法。從廣義上來說，任何含淀粉的農(nóng)產(chǎn)品和含葡萄糖的農(nóng)產(chǎn)品及其副產(chǎn)品都能作為檸檬酸的 發(fā)酵原料，如玉米、薯類、制糖工業(yè)副產(chǎn)品等。基本路線是原料粉碎、液化、發(fā)酵生產(chǎn)檸 檬酸，這些原料的共同特點就是利用糧食的淀粉質(zhì)，檸檬酸的生產(chǎn)需要消耗大量的糧食，形 成與人爭糧的局面，對人類的生存構(gòu)成威脅。我國玉米年產(chǎn)量達1.23億噸，按谷桿比l : 1.2計算，玉米秸稈每年約產(chǎn)1.47億噸， 加上其他農(nóng)作物秸稈，每年有7億噸左右，這是具有巨大潛力的再生資源，尤其是作為再生 能源和化工產(chǎn)品的原材料受到廣泛的重視，但目前除一部分用作反芻動物的飼料以及發(fā)展生 物能源外，大部分被焚燒，浪費資源，污染環(huán)境，還對航空和道路交通構(gòu)成威脅。本發(fā)明所稱的玉米秸稈類農(nóng)林廢棄物是玉米秸稈、小麥秸稈、高梁秸稈、棉子殼、甘蔗 渣、樺木片等，其主要成分是纖維素、木質(zhì)素等。玉米秸稈主要由植物細胞壁組成，主要成分是半纖維素、纖維素、木質(zhì)素及灰份和水等， 其中兩種主要糖源是半纖維素和纖維素。半纖維素占玉米秸稈總重量的20% 25%，而纖維素占玉米秸稈總重量的35% 40%。纖維素結(jié)構(gòu)單元是由e -d -葡萄糖基e -1, 4—糖苷鍵聯(lián)結(jié)而成的線性葡萄糖高分子聚合物，每個纖維分子由800—1200個葡萄糖分子組成，由于其結(jié) 晶結(jié)構(gòu)，很難被降解。半纖維素主要是木糖，以及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖等組成的 復雜分子聚合物。而木質(zhì)素是以苯丙垸及其衍生物為基本單位構(gòu)成的高分子芳香族化合物， 是一種酚類聚合物，起膠質(zhì)的作用，將纖維素和半纖維素連接在一起，其特點是易溶于堿， 以木質(zhì)素鈉鹽形式溶解于堿液中。因此，如果要獲得足以工業(yè)化發(fā)酵檸檬酸的葡萄糖和培養(yǎng)酵母的木糖，首先要對原料進行凈化預處理和稀堿處理，破壞半纖維素和纖維素的纏繞結(jié)構(gòu)， 有利于纖維素的酶解，獲得發(fā)酵生產(chǎn)擰檬酸的葡萄糖源和發(fā)酵酵母的木糖。 三、發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在綜合利用玉米秸稈類農(nóng)林廢棄物(在以下的敘述中簡稱秸稈)，所要解決的 技術(shù)問題是由秸稈發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸。本發(fā)明所稱的秸稈的新用途就是秸稈在發(fā)酵法制備檸檬酸中的應(yīng)用。秸稈發(fā)酵法制備檸檬酸的方法包括堿解、酶解、發(fā)酵、分離、洗滌和后處理，所述的堿 解就是秸稈在1.0 2.5% (重量百分比，下同)的稀堿溶液中于85 95'C條件下水解2 4 小時，然后離心分離，洗滌，黑色濾液送處理工段，或中和處理，或濃縮回收堿等，濾渣即 是堿解渣，堿解渣用于生產(chǎn)檸檬酸。所述的酶解就是用纖維素酶或/和纖維素二糖酶或/和木聚糖酶對堿解渣進行酶水解。酶 用量為堿解渣的1 3%，酶解pH4.0 6.0，溫度30 70°C，時間40 60小時，優(yōu)選酶解 pH4.5 5.5，溫度40 60°C。酶解結(jié)束后過濾分離，洗滌。酶解渣主要含木質(zhì)素，另進行 深加工，酶解液經(jīng)脫色濃縮后用于發(fā)酵制備檸檬酸。酶解液中主要含葡萄糖，此外還含少量 木糖、阿拉伯糖等，總糖濃度約6%左右，葡萄糖濃度3%左右，木糖濃度1.5%左右。所述的發(fā)酵就是用黑曲霉菌對酶解液進行有氧發(fā)酵。黑曲霉菌使葡萄糖轉(zhuǎn)化為檸檬酸， 而對木糖、阿拉伯糖等無作用。葡萄糖為黑曲霉菌提供碳源，此外還需要提供氮源等其他營養(yǎng)元素，也就是黑曲霉菌在 以下酶解液中進行發(fā)酵葡萄糖10 15%、尿素O. 1 0.2%、硫酸鎂0. 05 0. 08%、玉米漿 0.05 0. 1%、 PH5.5 6.5，將上述酶解液滅菌后接入黑曲霉菌種子液，于35 38'C下發(fā)酵 60 70小時，發(fā)酵期間通無菌空氣，通風量0. 2 0. 5m7min。發(fā)酵結(jié)束后過濾分離，洗滌濾渣，使其內(nèi)殘留的檸檬酸盡可能洗凈，濾渣主要含菌絲體， 可加工飼料，濾液進行后處理，以制備一水檸檬酸晶體。濾液中除含檸檬酸外，還含有木糖、阿拉伯糖、甘露糖等雜糖、色素以及少量葡萄糖， 鑒于糖類屬非電解質(zhì)，因此可以膜(電驅(qū)動膜)分離法(亦稱電滲析法)使檸檬酸與糖類分 離，實現(xiàn)第一步純化，然后中和使檸檬酸生成檸檬酸鈣沉淀分離，實現(xiàn)第二步純化，最后將 檸檬酸鈣酸解還原成擰檬酸，經(jīng)濃縮、結(jié)晶和干燥后得到一水檸檬酸晶體。本發(fā)明開創(chuàng)了以秸稈為原料替代淀粉生產(chǎn)檸檬酸的新途徑。以玉米秸稈為例，約5噸玉 米秸稈生產(chǎn)1噸檸檬酸，使檸檬酸的原料成本大幅度降低。所得到的一水檸檬酸晶體純度 》99. 9%，其他各項指標均達到BP2003版和USP28版的標準。2四具體實施方式
現(xiàn)以玉米秸稈為例，非限定實施例敘述如下-1、 玉米秸稈的堿解將玉米秸稈去雜、清洗、粉碎成3目大小，投入水解釜中，然后加入1. 5%Na0H稀堿溶 液，加入量為玉米秸稈重量的3 6倍，攪拌、升溫，90'C水解3小時。水解結(jié)束后離心分 離，水洗濾渣，濾液送處理工段，濾渣即堿解渣，用于以下加工生產(chǎn)檸檬酸。2、 堿解渣的酶解將堿解渣和2 3倍量的自來水投入酶解釜中，攪拌下用無機酸調(diào)pH5，然后加入2%(以 酸解渣計)的纖維素酶和纖維素二糖酶(以干基計)，兩種酶比例任意，升溫至50°C，酶 解50小時。酶解結(jié)束后降溫、離心過濾分離，并水洗。酶解液中總糖濃度為6%，其中葡萄糖濃度3%。酶解釜為上海申生科技有限公司生產(chǎn)的500L玻璃反應(yīng)釜。 纖維素酶購自無錫杰能科生物工程有限公司。 纖維素二糖酶和木聚糖酶均購自杭州祥龍生物技術(shù)有限公司。酶解液脫色、濃縮。按酶液體積加入0. 1 0. 5%的活性炭于75 8(TC脫色0. 5小時，過 濾分離，然后濃縮至葡萄糖濃度15wt%。采用薄膜(RO膜)或/和蒸發(fā)器濃縮。RO膜為凱能高科技工程(上海)有限公司生產(chǎn)的試驗?zāi)?；蒸發(fā)器為上海申生科技有限公 司生產(chǎn)的30L濃縮試驗裝置。4、酶解液發(fā)酵(1) 種子液的制備菌種黑曲霉Co827。購自……制曲1000mL三角燒瓶，每只燒瓶裝入經(jīng)充分淘洗，水份65%的大片麥麩皮38-40§， 121°C滅菌1小時，冷卻后，接入一環(huán)黑曲霉菌種孢子，37'C培養(yǎng)6-8天。種子罐培養(yǎng)基酶解液8-10%、尿素O. 1%、硫酸鎂0.05%、玉米漿0.3%，余量為水。 種子罐培養(yǎng)條件通風風量l: 0.5 (0.5m3無菌空氣/m3'min);溫度36 37°C; pH自然，周期30小時。(2) 酶解液發(fā)酵將葡萄糖濃度15%的酶解液投入發(fā)酵罐中，攪拌下加入尿素、硫酸鎂和玉米漿，使其濃 度依次為0.15%、 0. 06%和0. 06%，用堿調(diào)pH至6，滅菌后接入種子液，接種量10%，于36 37。C下發(fā)酵65小時，發(fā)酵期間通無菌空氣，0.3mVmin。發(fā)酵液外觀褐色，檸檬酸含量9 10%，葡萄糖轉(zhuǎn)化率95%。 5、后處理(1) 發(fā)酵結(jié)束后過濾分離，水洗濾渣，使其內(nèi)殘留的檸檬酸盡可能洗凈。(2) 第一次純化-電滲析法分離檸檬酸將濾液投入電滲析分離器，進行檸檬酸和雜糖等不電離物質(zhì)的分離。電滲析分離器規(guī)格400X600，共80對陰陽膜的實驗裝置。淡水室的物料、濃水室的自來 水和極水在泵的作用下各自循環(huán)流動，檸檬酸酸根和氫離子以離子狀態(tài)分別通過陰膜和陽膜 進入濃水室中。淡水室的酸液的電導率由初始的6000us/cm，降至100us/cm以下。操作條件 常溫、常壓。電壓《60v。電滲析分離收率98%。(3) 第二次純化將電滲析得到的酸液投入中和釜中，攪拌下加CaC03或Ca(0H)2中和，使檸檬酸生成鈣鹽 沉淀析出，靜置使沉淀完全，然后分離，得到檸檬酸鈣。酸化用硫酸酸化檸檬酸鈣，得到擰檬酸溶液和硫酸鈣沉淀，分離得到檸檬酸溶液，檸 檬酸濃度8 9%。中和酸解收率99%。(4) 將檸檬酸溶液投入真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中進行濃縮，直至檸檬酸濃度75%左右時將濃縮 液投入結(jié)晶釜中，待結(jié)晶完全后分離，真空干燥至含水量〈9%，即得成品一水檸檬酸。
權(quán)利要求
1、一種玉米秸稈類農(nóng)林廢棄物的新用途，其特征在于玉米秸稈類農(nóng)林廢棄物在發(fā)酵法制備檸檬酸中的應(yīng)用。
全文摘要
一種玉米秸稈類農(nóng)林廢棄物的新用途，就是玉米秸稈類農(nóng)林廢棄物在發(fā)酵法制備檸檬酸中的應(yīng)用。其制備方法包括堿解、酶解、發(fā)酵、分離和后處理。堿解就是玉米秸稈類農(nóng)林廢棄物在1.0～2.5％的稀堿溶液中于85～95℃條件下水解2～4小時，分離、洗滌得到堿解渣，酶解就是用纖維素酶和纖維素二糖酶等對堿解渣進行酶水解，使纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖，分離、洗滌，然后對含葡萄糖的酶解液用公知黑曲霉菌進行發(fā)酵，使葡萄糖轉(zhuǎn)化為檸檬酸，最后經(jīng)后處理得到純度≥99.8％的一水檸檬酸晶體。每生產(chǎn)1噸檸檬酸約消耗5噸玉米秸稈，使檸檬酸的原料成本大幅度降低。
文檔編號C12P7/40GK101215586SQ20081001941
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月4日
發(fā)明者宋家林, 尚海濤, 李榮杰, 穆曉玲, 薛培儉, 鄧遠德, 輝 鄭, 黃之文 申請人:安徽豐原發(fā)酵技術(shù)工程研究有限公司