專利名稱：一種高效利用木質(zhì)纖維原料制備高附加值糖醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物化工領(lǐng)域，特別涉及利用蒸汽爆破結(jié)合生物轉(zhuǎn)化技術(shù)將可再生的木質(zhì)纖維資源轉(zhuǎn)化成高附加值糖醇的方法。
背景技術(shù)：
木質(zhì)纖維原料是自然界中極為豐富的廉價可再生資源，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素這三種高分子聚合物組成，也含有少量的果膠、樹膠等成分，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。其中纖維素是植物細(xì)胞壁的主要組成成分，主要由1000-10000個β-D-吡喃型葡萄糖通過β -I, 4-糖苷鍵交聯(lián)而成的直鏈多糖，具有多個分子層平行排列構(gòu)成的絲狀不溶性微纖維結(jié)構(gòu)，基本組成單位為纖維二糖。半纖維素則一般作為分子黏合劑結(jié)合在纖維素和木質(zhì)素之間，是由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖或甘露糖等結(jié)構(gòu)單元組成的80-200聚合度的支鏈多糖，是植物中含量僅次于纖維素的多聚糖。木質(zhì)素是由苯丙烷及其衍生物組成的網(wǎng)狀聚 合物，包裹在纖維素和半纖維素的表面，在水解過程中起著屏障作用。目前對于木質(zhì)纖維原料的利用主要集中在纖維素的水解和微生物轉(zhuǎn)化制備乙醇、丁醇等生物燃料方面。雖然已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但仍未能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，主要有兩個問題一是纖維原料預(yù)處理的成本較高；二是纖維素酶解成本較高。由于上述纖維原料預(yù)處理的目的是去除木質(zhì)素和半纖維素對纖維素的保護(hù)作用和破壞纖維素大分子之間的晶體結(jié)構(gòu)，以提高纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率，半纖維素往往得不到有效的利用。針對上述問題，本發(fā)明采用木質(zhì)纖維原料不同組分分級利用的理念，針對半纖維素較纖維素容易降解的特點，設(shè)計不同的蒸汽爆破條件，依次降解木質(zhì)纖維原料中的半纖維素和纖維素得到可發(fā)酵糖，從而提高了原料的利用程度，降低了糖化工藝的生產(chǎn)成本。蒸汽爆破(簡稱“汽爆”)是近年來發(fā)展迅速的一種木質(zhì)纖維素處理方法。原料用蒸汽加熱至180-240° C，維壓一段時間，在突然釋壓噴放時，產(chǎn)生二次蒸汽，體積猛增，在機(jī)械力的作用下，將固體物料結(jié)構(gòu)破壞。中國科學(xué)院過程工程所應(yīng)用物理原理制備低聚木糖(CN1233614):汽爆處理后的原料經(jīng)水抽提可以得到可溶性半纖維素，其主要成分即為低聚木糖，半纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%以上。本發(fā)明在上述發(fā)明的基礎(chǔ)上，在汽爆之前加入有機(jī)酸浸泡預(yù)處理工藝，降低原料中各組分之間的交聯(lián)度，增加汽爆過程中半纖維素的降解程度，經(jīng)水抽提可以直接得到木糖溶液，半纖維素降解率達(dá)到85%以上，同時纖維素降解很少。對于剩余的固渣，采用化學(xué)處理結(jié)合蒸汽爆破技術(shù)降解其中的纖維素得到葡萄糖溶液，纖維素降解率達(dá)到80%以上。木糖醇是一種重要的工業(yè)用精細(xì)化學(xué)品、糖基化學(xué)品、食品及飼料添加劑，具備許多優(yōu)異特性。自1966年，Onishi和Suzuki首次報道了酵母菌能夠?qū)-木糖轉(zhuǎn)化為木糖醇后，國際上許多學(xué)者開展了發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇的研究，許多成果申報了專利(中國專利ZL200710063303. 8.ZL200510040133. O ;美國專利 US2011/0003356A1)。但現(xiàn)有專利中的發(fā)酵底物木糖仍主要通過高濃度硫酸水解半纖維素的方法得到，在發(fā)酵前需要堿中和、脫色、脫鹽處理，過程工藝復(fù)雜、酸堿用量大。本專利采用有機(jī)酸預(yù)處理結(jié)合蒸汽爆破技術(shù)降解半纖維素獲得木糖液，其酸度和離子強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硫酸水解法，通過簡單的活性炭脫色和氨水調(diào)節(jié)即可用于后續(xù)的發(fā)酵過程，在優(yōu)化的發(fā)酵條件下，木糖到木糖醇的轉(zhuǎn)化率大于70%。赤蘚糖醇是分子量最小,熱量值最低(< I. 66kJ/g)的糖醇,在人體中的耐受量(50g/天)也遠(yuǎn)高于山梨糖醇、木糖醇等其他糖醇，且甜味純正與蔗糖相似，無后苦味。目前工業(yè)上赤蘚糖醇的生產(chǎn)主要是利用葡萄糖發(fā)酵。中國專利ZL200510102929. 6報道了以精制葡萄糖為碳源，利用解脂假絲酵母發(fā)酵得到赤蘚糖醇的方法；專利ZL201010611106. 7報道了以玉米粉為原料，經(jīng)過酶水解得到葡萄糖液，再利用解脂假絲酵母發(fā)酵得到赤蘚糖醇的方法。與現(xiàn)有專利相比，本專利采用化學(xué)處理結(jié)合蒸汽爆破技術(shù)降解可再生的木質(zhì)纖維原料中的纖維素組分得到葡萄糖溶液，再通過純化處理，微生物轉(zhuǎn)化得到赤蘚糖醇，從而避免了糧食資源的消耗，提高了纖維素資源的利用價值
發(fā)明內(nèi)容

—種高效利用木質(zhì)纖維原料制備高附加值糖醇的方法其特征在于，包括如下步驟(I)將木質(zhì)纖維原料粉碎至能過10-20目篩，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 2%-2%的有機(jī)酸常溫浸泡l_6h。(2)將預(yù)處理后的木質(zhì)纖維原料板框過濾至含水量為干重的1-4倍，然后放入汽爆機(jī)的爆腔中，在O. 5-2. 5MPa蒸汽壓力下維壓2_10min后，再通過控制系統(tǒng)自動開啟爆破閥快速噴放物料至旋風(fēng)分離器中。將物料取出，在30-60° C下水提1-3次后，板框過濾得到富含木糖的水提液A。(3)將步驟(2)中的濾渣收集，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 5%-5%的無機(jī)酸在40-80° C下浸泡5-10h。板框過濾至濾渣含水量為干重的1-4倍，然后放入汽爆機(jī)的爆腔中，在I. 5-3MPa蒸汽壓力下維壓5-20min后，再通過控制系統(tǒng)自動開啟爆破閥快速噴放物料至旋風(fēng)分離器中。將物料取出，在30-60° C下水提1-3次后，板框過濾得到富含葡萄糖的水提液B。(4)將(2)得到的水提液A經(jīng)過氨水中和、活性炭脫色、減壓濃縮、微生物發(fā)酵后得到木糖醇發(fā)酵液。(5)將(3)得到的水提液B經(jīng)過氫氧化鈣中和、活性炭脫色、減壓濃縮、微生物發(fā)酵后得到赤蘚糖醇發(fā)酵液。(6)將(4)得到的木糖醇發(fā)酵液經(jīng)過菌體分離，串聯(lián)樹脂除雜、減壓濃縮、結(jié)晶干燥后得到木糖醇晶體。(7)將(5)得到的赤蘚糖醇發(fā)酵液經(jīng)過菌體分離、膜分離除雜、減壓濃縮、結(jié)晶干燥后得到赤鮮糖醇晶體。木質(zhì)纖維原料可以是玉米芯、玉米秸桿、甘蔗渣、麩皮、棉籽殼中的一種，優(yōu)選玉米芯。有機(jī)酸可以使用甲酸、乙酸、草酸、乙二酸中的一種或者幾種混合，優(yōu)選草酸。通過浸泡，木質(zhì)纖維原料中半纖維素組分與其他組分之間的交聯(lián)度下降，同時小分子的酸會滲入到植物細(xì)胞中，加劇蒸汽爆破過程中半纖維素的降解。對于預(yù)處理后的原料進(jìn)行第一步蒸汽爆破處理降解其中的半纖維素組分。整個過程主要是利用高溫、高壓水蒸汽處理木質(zhì)纖維原料，并通過瞬間釋壓過程實現(xiàn)原料的組分分離和結(jié)構(gòu)變化。由于預(yù)處理采用的是低濃度的有機(jī)酸，并且有機(jī)酸的PKa值較大，酸在水中解離生成的氫離子含量較少，因此能選擇性的使半纖維素大分子中的糖苷鍵斷裂，而對纖維素大分子中的糖苷鍵破壞很少。同時有機(jī)酸在反應(yīng)過程中還可以脫除部分木質(zhì)素。對于水提后剩余的固渣進(jìn)行第二步蒸汽爆破處理降解其中的纖維素組分。無機(jī)酸可以是硫酸、鹽酸、硝酸中的一種或幾種混合，優(yōu)選硫酸。汽爆處理后剩余的固渣中半纖維素含量很少，同時纖維素與木質(zhì)素結(jié)合力下降。無機(jī)酸的PKa值較小，能夠在水中解離生成大量的氫離子，并與水結(jié)合成水合氫離子，直接攻擊纖維素大分子中糖苷鍵的氧原子，使其質(zhì)子化后形成共軛酸，導(dǎo)致糖苷鍵能減弱而斷裂。水提液中糖組分含量采用高效液相色譜分析,檢測條件為waters sugar pak I色譜柱，超純水為流動相，示差折光檢測器，柱溫80° C，流速0.5ml/min。水提液中酸和醛類物質(zhì)含量采用高效液相色譜分析，檢測條件為BI0-RAD HPX-87H色譜柱，O. 018M硫酸為流動相，紫外檢測器210nm，柱溫35° C，流速O. 5ml/min。酚類物質(zhì)含量采用比色法測定。PH和電導(dǎo)采用pH儀和電導(dǎo)儀測定。 檢測結(jié)果如下表表I :水提液各組分含量
Iι\
丨I水捉液A水從液B
I < A、本€; 比( )) I
I木 SI 2& 4 -±0,50 I 2.01+0.10
IIftifI1,3誠053雜 7±0 遞 I
Immm\ 12S±0J0im^im I
I 乙酸OJSiftOS0,72 士 0.03
I rpff^7S±i)M1.28±0.05 I
I 物歧· 0J< L0^051 1,60 0Λ
I0.86+004' ι 82+OjM I
pH3JJ ±0^01.02±0J0
屯異(ps ·χιη)2462±10 049,18±Ι5^0對于水提液A的處理步驟如下向水提液中加入氨水中和至ρΗ=5_6。加入1%_5%的糖類專用活性炭(g活性炭/L水提液),在40-60° C下攪拌10-60min。板框過濾,將濾液用泵打入真空濃縮罐中濃縮5-10倍。向處理后的水提液A中加入氮源和無機(jī)鹽配置成各類微生物培養(yǎng)基，具體組成如下(1)固體保藏培養(yǎng)基木糖50-100g/L,葡萄糖5-10g/L,酵母粉5-10g/L,無水硫酸鎂 0. 1-1. 0g/L,瓊脂 10-20g/L。(2)液體種子培養(yǎng)基木糖10-40g/L，葡萄糖10-40g/L，酵母粉5_10g/L，無水硫酸鎂 0. 1-1. 0g/L。(3)發(fā)酵培養(yǎng)基木糖100-200g/L，葡萄糖10-20g/L，酵母粉5-10g/L，磷酸二氫鉀0. 5-5. 0g/L，無水硫酸鎂 0. 1-1. 0g/L。本發(fā)明生產(chǎn)木糖醇所用的菌種主要來自Candida tropicalis, Candidaguilliermondii, Candida parapsilosis 中的一種。優(yōu)選熱帶假絲酵母 Candidatropicalis。整個發(fā)酵過程如下(1)制備發(fā)酵菌株的一級種子液在無菌超凈臺內(nèi)用接種環(huán)挑取一環(huán)固體保藏培養(yǎng)基中的菌株加入到含40ml-100mL液體種子培養(yǎng)基的250ml搖瓶中，在28-37° C，100-200rpm轉(zhuǎn)速的搖床里培養(yǎng)20-30h。(2)制備發(fā)酵菌株的二級種子液將一級種子液全部加入到含1-1. 5L液體種子培養(yǎng)基的2L種子罐中，在28-37° C，150-250rpm轉(zhuǎn)速，1. 0-2. 0vvm通氣量下培養(yǎng)10-20h。(3)將培養(yǎng)好的二級種子液用泵打入到含10-15L液體發(fā)酵培養(yǎng)基的20L發(fā)酵罐中，設(shè)定發(fā)酵溫度28-37° C。酵母發(fā)酵產(chǎn)木糖醇是一個比較特殊的過程發(fā)酵前期占發(fā)酵總時間的一半以上，是細(xì)胞好氧生長過程，此時菌體若不能得到充足的氧氣供應(yīng)，不但菌體生長不好，后期菌體產(chǎn)酶的量也會不足，生物轉(zhuǎn)化勢必會較差；但若此時細(xì)胞生長的過于旺盛，細(xì)胞生長所消耗的碳源過多，勢必會浪費過多的底物造成產(chǎn)醇率不高。發(fā)酵后期菌體生長到一定階段，產(chǎn)酶逐漸積累增多，進(jìn)入轉(zhuǎn)醇期，此時提供發(fā)酵的微氧環(huán)境，一是有利于提高木糖還原酶的活力，增加發(fā)酵的產(chǎn)率和速率，抑制其他的代謝副途徑，二是該時期細(xì)胞不需要進(jìn)一步增殖和旺盛的生長，以避免消耗更多的底物和營養(yǎng)物質(zhì)。根據(jù)前期和后期發(fā)酵的特殊性要求，發(fā)酵前期通過控制攪拌轉(zhuǎn)速400-800rpm,通氣量1. 0-3. 0vvm,來維持溶氧在20%-30%之間；發(fā)酵后期通過控制攪拌轉(zhuǎn)速100-300rpm，通氣量0. 2-1. 0vvm來維持溶氧在5%-10%之間，發(fā)酵總時間為40-60h。對于水提液B的處理步驟如下將水提液加熱到60-80° C后，加入氫氧化鈣中和到pH=4-6。趁熱板框過濾,除去硫酸韓沉淀。液體部分再加入1%_5%的糖類專用活性炭(g活性炭/L水提液)，在40-60° C下攪拌10-60min。板框過濾，將濾液用泵打入真空濃縮罐中濃縮10-15倍。向處理后的水提液B中加入氮源和無機(jī)鹽配置成各類微生物培養(yǎng)基，具體組成如下固體保藏培養(yǎng)基葡萄糖50-150g/L,酵母粉5-10g/L,蛋白胨1-5g/L,無水硫酸鎂0. 1-1.0g/L，瓊脂 10-20g/L。液體種子培養(yǎng)基葡萄糖20-100g/L，酵母粉5-10g/L，蛋白胨1-5g/L，無水硫酸鎂
0.1-1. 0g/L。液體發(fā)酵培養(yǎng)基葡萄糖200-400g/L，酵母粉5-10g/L，蛋白胨1-5g/L，磷酸二氫鉀 0. 5-5. 0g/L，無水硫酸鎂 0. 1-1. 0g/L。本發(fā)明生產(chǎn)赤蘚糖醇所用的菌種主要來自叢梗孢酵母(Moniliella pollinis)、解脂假絲酵母(Candida lipolytica)中的一種。優(yōu)選解脂假絲酵母Candida Iipolytica0整個發(fā)酵過程如下(I)制備發(fā)酵菌株的一級種子液在無菌超凈臺內(nèi)用接種環(huán)挑取一環(huán)固體保藏培養(yǎng)基中的菌株加入到含30ml-80mL液體種子培養(yǎng)基的250ml搖瓶中，在28-37° C，100-200rpm轉(zhuǎn)速的搖床里培養(yǎng)25_35h。(2)制備發(fā)酵菌株的二級種子液將一級種子液全部用泵加入到含1-1. 5L液體種子培養(yǎng)基的2L種子罐中，在28-37° C，150-250rpm轉(zhuǎn)速，I. 5-2. 5vvm通氣量下培養(yǎng)15-25h。(3)將培養(yǎng)好的二級種子液全部用泵加入到含10-15L液體發(fā)酵培養(yǎng)基的20L發(fā)酵罐中，設(shè)定發(fā)酵溫度28-37° C。通過調(diào)節(jié)通氣量I. 5-2. 5vvm，轉(zhuǎn)速200-800rpm來維持發(fā)酵過程溶氧含量在20%-30%。發(fā)酵總時間為60-80h。將木糖醇發(fā)酵液在4° C、IOOOOrpm下離心5-10min。收集到的菌體可以回復(fù)利 用。將離心得到的液體以l_5ml/min流速依次通過強(qiáng)酸性陽離子樹脂、強(qiáng)堿性陰離子樹脂、弱堿性陰離子樹脂進(jìn)行脫鹽和脫色處理。其中強(qiáng)酸性陽離子樹脂選擇001*7或D72中的一種，用來吸附液體中的陽離子；強(qiáng)堿性陰離子樹脂選擇D201或D296中的一種，用來吸附液體中的陰離子；弱堿性陰離子樹脂選擇D301，用來吸附液體中的色素分子。測定不同時間段樹脂流出液的PH和電導(dǎo)值，收集pH 7. O、電導(dǎo)200us/cm以下的流出液加熱到50-80° C，以l-5ml/min流速通過鈣型陽離子樹脂吸附至飽和，其中鈣型陽離子樹脂可以選擇UBK555或DTF-Ol中的一種。由于液體中木糖醇和發(fā)酵殘留的雜糖與樹脂中鈣離子形成的配位絡(luò)合物穩(wěn)定程度不同，鈣型陽離子樹脂對木糖醇的吸附力更強(qiáng)，因此在用水洗脫的過程中雜糖會優(yōu)先被洗脫出來。測定不同時間段洗脫液中的雜糖與木糖醇含量，收集只含有木糖醇的洗脫液，用泵打入真空濃縮罐中濃縮至木糖醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%-70%。采用梯度降溫方法對木糖醇進(jìn)行晶析先升溫至80° C維溫5-15min，再以4-8° C/min的降溫速率降溫至50-60。C，加入溶質(zhì)質(zhì)量O. 01%-0· 1%的晶種維溫l_2h。然后再以1-4。C/min的降溫速率降溫至5-20° C，停止結(jié)晶過程。用少量乙醇沖洗，板框過濾后40-50° C下熱風(fēng)烘干得到白色木糖醇晶體。將赤蘚糖醇發(fā)酵液在4° C、IOOOOrpm下離心5-10min。收集到的菌體可以回復(fù)利用。將離心得到的液體在操作壓強(qiáng)為O. 1-0. 5Mpa條件下通過陶瓷膜除去其中蛋白、色素等大分子物質(zhì)。再在40-60° C，操作壓力為3-5MPa條件下通過金屬納濾膜，選擇性透過赤蘚糖醇。將膜分離后的溶液用泵打入真空濃縮罐中濃縮至赤蘚糖醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%-50%。采用乙醇法對赤蘚糖醇進(jìn)行晶析加入4倍體積的無水乙醇，并加入溶質(zhì)質(zhì)量O. 01%-0. 1%赤蘚糖醇晶種，溫度保持在4-6° C，靜置10-12h，赤蘚糖醇即可結(jié)晶。用少量乙醇沖洗，板框過濾后40-50° C下熱風(fēng)烘干得到白色赤蘚糖醇晶體。


圖I本發(fā)明流程圖。
具體實施例方式I.木糖液制備實例
取Ikg玉米芯(干重)，加入5L、1%質(zhì)量濃度的草酸浸泡5h后，板框過濾至玉米芯濕重為3kg。將濕物料放入蒸汽爆破機(jī)的爆腔中，在I. 5MPa的高壓蒸汽中維壓5min，開啟爆破閥快速噴放物料至旋風(fēng)分離器中得到汽爆后的玉米芯，濕重為5kg。將其放入提取罐中，用IOL的水50° C下水提lh，再用泵將固液混合物打入到板框壓濾機(jī)中進(jìn)行固液分離得到水提液A。經(jīng)高效液相色譜分析水提液A中木糖濃度為25. 4g/L,葡萄糖濃度為I. 6g/L,阿拉伯糖濃度為2. lg/L，半纖維素降解率為87. 3%。2.葡萄糖液制備實例剩余濾渣濕重為3kg，向其中 加入3L、2%質(zhì)量濃度的硫酸60° C下浸泡8h后，板框過濾至濾渣濕重為3kg。將濕物料放入蒸汽爆破機(jī)的爆腔中，在2. 5MPa的高壓蒸汽中維壓15min，開啟爆破閥快速噴放物料至旋風(fēng)分離器中得到汽爆后的玉米芯，濕重為5kg。將其放入提取罐中，用IOL的水50° C下水提lh，再用泵將固液混合物打入到板框壓濾機(jī)中進(jìn)行固液分離得到水提液B。經(jīng)高效液相色譜分析水提液B中木糖濃度為2. Og/L,葡萄糖濃度為31. 2g/L,阿拉伯糖濃度為I. 9g/L，纖維素降解率為81. 2%。3.木糖醇發(fā)酵液制備實例將IOL水提液A用泵打入到儲罐中，加入氨水中和至pH=6。加入3%的糖類專用活性炭(g活性炭/L水提液)，在50° C下攪拌30min。板框過濾，將濾液用泵打入真空濃縮罐中濃縮6倍。向處理后的水提液A中加入氮源和無機(jī)鹽配置成各類微生物培養(yǎng)基。在無菌操作環(huán)境中取一環(huán)保存在固體培養(yǎng)基中的熱帶假絲酵母接入到含50ml種子培養(yǎng)基的250ml搖瓶中，在30° C，200rpm轉(zhuǎn)速的搖床里培養(yǎng)24h后得到一級種子液。再將上述50ml種子接入到含I. 2L種子培養(yǎng)基的2L種子罐中，在30° C，250rpm轉(zhuǎn)速，I. 5vvm通氣量下培養(yǎng)15h后得到二級種子液，此時菌種已經(jīng)進(jìn)入對數(shù)生長期的中后期。然后用泵將培養(yǎng)好的
I.2L 二級種子液接入到含12L發(fā)酵培養(yǎng)基的20L發(fā)酵罐中，其中木糖濃度為118g/L。設(shè)定發(fā)酵溫度30° C，發(fā)酵前期0-22h內(nèi)控制攪拌轉(zhuǎn)速500-600rpm，通氣量I. 0-1. 5vvm，使菌體快速生長進(jìn)入穩(wěn)定期。發(fā)酵后期22-44h內(nèi)控制攪拌轉(zhuǎn)速200-300rpm，通氣量O. 2-0. 8vvm,使菌體進(jìn)入轉(zhuǎn)化期代謝木糖生成木糖醇。發(fā)酵48h以后停止發(fā)酵，經(jīng)高效液相色譜分析木糖醇發(fā)酵液中剩余木糖濃度為4. 6g/L,木糖醇濃度為85. 2g/L，木糖醇得率為72. 2%。4.赤蘚糖醇發(fā)酵液制備實例將IOL水提液B用泵打入到儲罐中，加熱到70° C，加入氫氧化鈣中和至pH=6。趁熱板框過濾，除去硫酸鈣沉淀。液體部分再加入4%的糖類專用活性炭(g活性炭/L水提液)，在50° C下攪拌30min。板框過濾，將濾液用泵打入真空濃縮罐中濃縮11倍。向處理后的水提液B中加入氮源和無機(jī)鹽配置成各類微生物培養(yǎng)基。在無菌操作環(huán)境中取一環(huán)保存在固體培養(yǎng)基中的解脂假絲酵母接入到含50ml種子培養(yǎng)基的250ml搖瓶中，在30° C，200rpm轉(zhuǎn)速的搖床里培養(yǎng)30h后得到一級種子液。再將上述50ml種子接入到含I. 2L種子培養(yǎng)基的2L種子罐中，在30° C，250rpm轉(zhuǎn)速，I. 5vvm通氣量下培養(yǎng)20h后得到二級種子液，此時菌種已經(jīng)進(jìn)入對數(shù)生長期的中后期。然后用泵將培養(yǎng)好的I. 2L 二級種子液接入到含12L發(fā)酵培養(yǎng)基的20L發(fā)酵罐中，其中葡萄糖濃度為306g/L。設(shè)定發(fā)酵溫度30° C，攪拌轉(zhuǎn)速500-600rpm，通氣量I. 0-2. 5vvm,發(fā)酵72h以后停止發(fā)酵，經(jīng)高效液相色譜分析赤蘚糖醇發(fā)酵液中剩余葡萄糖濃度為10.5g/L，赤蘚糖醇濃度為156.9g/L，赤蘚糖醇醇得率為51. 3%。
5.木糖醇晶體制備實例將12L木糖醇發(fā)酵液在4° C、IOOOOrpm下離心IOmin,收集上清液,用泵打入到裝填有陽離子樹脂001*7、陰離子樹脂D201、D301的三根4L的串聯(lián)離子交換柱中?？刂七M(jìn)樣流速為3ml/min,收集pH在7. O左右、電導(dǎo)在200us/cm下的樹脂流出液再用泵打入到裝填有DTF-Ol鈣型陽離子樹脂的離子交換柱中吸附至飽和，最后用去離子水對吸附飽和的鈣型陽離子樹脂進(jìn)行洗脫，收集只含有木糖醇的洗脫液20L用泵打入到真空濃縮罐中濃縮至木糖醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%。將濃縮后的木糖醇溶液用泵打入到結(jié)晶器中，先升溫至80° C維溫15min,再以5° C/min的降溫速率降至55° C,加入相當(dāng)于木糖醇質(zhì)量的O. 05%的晶種維溫lh。然后再以2° C/min的降溫速率降至10° C，停止結(jié)晶過程。用少量乙醇沖洗，板框過濾后40° C下熱風(fēng)烘干得到白色木糖醇晶體。經(jīng)高效液相色譜測定木糖醇晶體收率為91. 4%，純度為98. 5%，還原糖彡O. 5%。6.赤蘚糖醇晶體制備實例
將12L赤蘚糖醇發(fā)酵液在4° C、IOOOOrpm下離心lOmin。收集上清液在操作壓強(qiáng)為O. 2Mpa條件下通過陶瓷膜除去其中蛋白、色素等大分子物質(zhì)。再在50° C，操作壓力為4MPa條件下通過金屬納濾膜，選擇性透過赤蘚糖醇。將膜分離后的溶液用泵打入真空濃縮罐中濃縮至赤蘚糖醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%。采用乙醇法對赤蘚糖醇進(jìn)行晶析加入4倍體積的無水乙醇,并加入溶質(zhì)質(zhì)量O. 01%-0. 1%赤蘚糖醇晶種，溫度保持在4° C，靜置12h，赤蘚糖醇即可結(jié)晶。用少量乙醇沖洗，板框過濾后40° C下熱風(fēng)烘干得到白色赤蘚糖醇晶體。經(jīng)高效液相色譜測定赤蘚糖醇晶體收率為90. 2%，純度為95. 5%，還原糖< O. 5%。
權(quán)利要求
1.一種高效利用木質(zhì)纖維原料制備高附加值糖醇的方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)將木質(zhì)纖維原料粉碎至能過10-20目篩，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O.2%-2%的有機(jī)酸常溫浸泡l_6h ； (2)將預(yù)處理后的木質(zhì)纖維原料板框過濾至含水量為干重的1-4倍，然后放入汽爆機(jī)的爆腔中，在O. 5-2. 5MPa蒸汽壓力下維壓2_10min后，再通過控制系統(tǒng)自動開啟爆破閥快速噴放物料至旋風(fēng)分離器中；將物料取出，在30-60° C下水提1-3次后，板框過濾得到富含木糖的水提液A ； (3)將步驟(2)中的濾渣收集，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O.5%-5%的無機(jī)酸在40-80° C下浸泡5-10h ;板框過濾至濾渣含水量為干重的1-4倍，然后放入汽爆機(jī)的爆腔中，在I. 5-3MPa蒸汽壓力下維壓5-20min后，再通過控制系統(tǒng)自動開啟爆破閥快速噴放物料至旋風(fēng)分離器中；將物料取出，在30-60° C下水提1-3次后，板框過濾得到富含葡萄糖的水提液B ; (4)將(2)得到的水提液A經(jīng)過氨水中和、活性炭脫色、減壓濃縮、微生物發(fā)酵后得到木糖醇發(fā)酵液； (5)將(3)得到的水提液B經(jīng)過氫氧化鈣中和、活性炭脫色、減壓濃縮、微生物發(fā)酵后得到赤蘚糖醇發(fā)酵液； (6)將(4)得到的木糖醇發(fā)酵液經(jīng)過菌體分離，串聯(lián)樹脂除雜、減壓濃縮、結(jié)晶干燥后得到木糖醇晶體； (7)將(5)得到的赤蘚糖醇發(fā)酵液經(jīng)過菌體分離、膜分離除雜、減壓濃縮、結(jié)晶干燥后得到赤鮮糖醇晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，木質(zhì)纖維原料是玉米芯、玉米秸桿、甘蔗渣、麩皮、棉籽殼中的一種；有機(jī)酸用甲酸、乙酸、草酸、乙二酸中的一種或者幾種混合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，將步驟(3)中的無機(jī)酸是硫酸、鹽酸、硝酸中的一種或幾 種混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，木質(zhì)纖維原料是玉米芯。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，步驟(4)對于水提液A的處理步驟如下向水提液中加入氨水中和至pH=5-6 ;加入糖類專用活性炭,在40-60° C下攪拌10_60min ;板框過濾,將濾液用泵打入真空濃縮罐中濃縮5-10倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，對于水提液B的處理步驟如下將水提液加熱到60-80° C后，加入氫氧化鈣中和到pH=4-6 ;趁熱板框過濾，除去硫酸鈣沉淀；液體部分再加入糖類專用活性炭，在40-60° C下攪拌10-60min ;板框過濾，將濾液用泵打入真空濃縮罐中濃縮10-15倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，將木糖醇發(fā)酵液在4°C、10000rpm下離心5_10min ；將離心得到的液體以l_5ml/min流速依次通過強(qiáng)酸性陽離子樹脂、強(qiáng)堿性陰離子樹脂、弱堿性陰離子樹脂進(jìn)行脫鹽和脫色處理；其中強(qiáng)酸性陽離子樹脂選擇001*7或D72中的一種，用來吸附液體中的陽離子；強(qiáng)堿性陰離子樹脂選擇D201或D296中的一種，用來吸附液體中的陰離子；弱堿性陰離子樹脂選擇D301，用來吸附液體中的色素分子；測定不同時間段樹脂流出液的PH和電導(dǎo)值，收集pH 7.0、電導(dǎo)200us/cm以下的流出液加熱到50-80° C，以l-5ml/min流速通過鈣型陽離子樹脂吸附至飽和，其中鈣型陽離子樹脂可以選擇UBK555或DTF-Ol中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，將赤蘚糖醇發(fā)酵液在4° C、IOOOOrpm下離心5-10min ;將離心得到的液體在操作壓強(qiáng)為O. 1-0. 5Mpa條件下通過陶瓷膜除去其中大分子物質(zhì)；；再在40-60° C，操作壓力為3-5MPa條件下通過金屬納濾膜，選擇性透過赤蘚糖醇；將膜分離后的溶液用泵打入真空濃縮罐中濃縮至赤蘚糖醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%-50% ;采用乙醇法對赤蘚糖醇進(jìn)行晶析。
全文摘要
一種高效利用木質(zhì)纖維原料制備高附加值糖醇的方法屬于生物化工領(lǐng)域。本發(fā)明對木質(zhì)纖維原料預(yù)處理之后，利用蒸汽爆破技術(shù)定向分解其中的半纖維素組分，固液分離得到富含木糖的溶液；剩余固渣經(jīng)過化學(xué)處理之后，再利用蒸汽爆破技術(shù)分解其中的纖維素組分，固液分離得到富含葡萄糖的溶液。上述兩種含糖溶液分別經(jīng)過除雜濃縮、微生物發(fā)酵、發(fā)酵液分離純化、濃縮結(jié)晶得到木糖醇產(chǎn)品和赤蘚糖醇產(chǎn)品。本發(fā)明充分利用木質(zhì)纖維原料中可降解成糖的組分，開發(fā)出利用蒸汽爆破結(jié)合生物轉(zhuǎn)化技術(shù)將可再生的木質(zhì)纖維資源轉(zhuǎn)化成高附加值糖醇的新工藝。
文檔編號C12R1/74GK102876732SQ20121035108
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者袁其朋, 范曉光, 王顯路, 王樂, 朱新濤 申請人:北京化工大學(xué)