專利名稱：一種甘蔗渣高效糖化的方法
技術領域：
本發明屬于生物化工技術領域，涉及一種甘蔗渣高效糖化的方法。
背景技術：
作為世界經濟支柱的石油資源預計在數十年左右將會枯竭，因 此，石油替代品的開發研究迫在眉睫。目前有很多囯家在研究以木質 生物資源為原料用生物轉化法制備燃料乙醇，以替代或部分替代儲量 有限的石油。
木質生物資源的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素。其中，
纖維素、半纖維素是可發酵糖的來源，含量占66~75% (纖維質原料 的絕干重量)。由己糖通過釀酒酵母發酵生成乙醇是很成熟的工藝， 當采用纖維素酶水解木質生物資源制造乙醇時，纖維素酶必須接觸吸 附到纖維素底物上才能使反應進行，因此，纖維素對纖維素酶的可及 性是決定水解速度的關鍵因素。
影響纖維素酶解的主要因素有三種，按影響程度大小依次是纖維 素的比表面積、纖維素中的木質素含量、纖維素的結晶度和聚合度， 研究表明，纖維素的比表面積越大，酶解作用越快，酶解率越高；酶 解時木質素對纖維素酶起到了一定的屏蔽作用，木質素含量越大，酶 解率越低；纖維素的結晶結構影響了纖維素酶向纖維素擴散傳遞速 度。因此木質纖維素類生物質若想提高提高酶解率，應降低纖維素中 的木質素量及纖維素的結晶度及聚合度，以增大纖維素與酶接觸的比 表面積。
發明內容
本發明的目的是提供一種甘蔗渣高效糖化的方法，其釆取低濃度堿液情況下進行預處理，堿液能有效回收利用，酶解糖液不產生對發 酵有害的物質，同時提高了原料的酶解得率，可滿足不同的生物質發 酵生產工藝。
為了實現本發明目的，本發明的一種甘蔗渣高效糖化的方法，其 包括以下步驟
1 )先將切碎的甘蔗渣與質量百分比濃度為0.1 10%的堿溶液在 55 140。C下進行蒸煮反應，時間控制在10 300min之間，甘蔗渣與堿 溶液的重量比為1:1 10;
2) 反應后進行分離，得固體產物和液體產物；
3) 所述固體產物經纖維素酶催化水解得酶解糖液；
4) 所述液體產物經膜過濾后，液體回收用步驟l)的反應，膜過 濾后的濃相(木質素)再經磺化后制成磺化木素產品。
其中，所述甘蔗渣的切碎粒度為0.01 50mm，優選的粒度為 0.1 30mm。
所述堿水溶液為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，其質量百分比濃度優 選為1~3%。
所述甘蔗渣與堿溶液優選的重量比是1:3 10。
步驟l)中反應溫度的控制可以用過熱蒸汽或飽和蒸汽。
優選的溫度控制范圍是75 125'C，最優的溫度范圍是95 115。C。
較佳的反應時間是30 90min之間。
步驟2)中所述分離釆用離心分離，離心速率為2000 3000rpm。 步驟3)中經過處理后的固體產物中木質素含量已經降低了，有
利于酶解，所述纖維素酶的用量為15 30FPIU/克底物(以干基計)。 酶解過程中，酶解pH4.6 5.0，最優pH4.8,溫度為48。C 50。C ，
最優溫度50。C,攪拌轉速100 200rpm，最優攪拌轉速180rpm,酶解
時間控制在48 72小時，最優酶解時間控制在70小時。
步驟4)中所述膜過濾所釆用的過濾膜為有機膜，膜孔徑的分子
4量為3000 4000。
步驟4)中所述的液體，經有機膜過濾后，大分子的木質素等有 機物被膜截留下來，而小分子的無機鹽及大部分的水則穿透膜，膜透 淅項中含有的堿可以重新回步驟l)中重復利用，膜截留下來的濃相， 倒入反應釜內，溫度在70 8(TC下，加入甲醛，甲醛總量為干物總量 的10~15%，反應2 3小時后，再升溫到90 100。C，加入亞硫酸鈉，亞 硫酸鈉總量為總干物量的15 20%，反應3-4小時后，物料經噴霧干燥 就可制得磺化木素產品。
本發明所述酶解糖液可經過發酵生產酒精、丁二酸等發酵產品。
本發明釆用將甘蔗渣與一定濃度的熱堿液混合均勻后，進行蒸 煮，再進行固液分離，分離后的黑液經膜處理后回收堿液以重復利用， 黑液中的木質素去磺化制成磺化木素產品，固相在常溫常壓下，經酶 的催化作用，酶解糖液質量好，可以直接發酵生產酒精、丁二酸等發 酵產品，解決了甘蔗廠的固體廢棄物污染問題。
本發明以甘蔗渣為原料，釆取低濃度堿液情況下進行預處理，堿 液能有效回收利用，酶解糖液不產生對發酵有害的物質，同時經處理 后的物料酶解得率高，可滿足不同的生物質發酵生產工藝。
具體實施例方式
以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。 下述實施例中所用的纖維素酶均為無錫杰能科生物工程有限公
司生產的纖維素酶。
實施例l
在一個適當的反應釜內，加入800克切碎后的風干的甘蔗渣(粒 度為0.1mm),水份在10%,然后按固液重量比1:8的比例加入熱的 氫氧化鈉溶液，堿液質量百分比濃度2%，封好口后，在95。C條件下 保溫1.5小時進行預處理，得到的漿液在2000rpm離心機內離心，離 心后的黑液經有機膜(膜分子量3000)以回收其中的堿，膜濾后的濃相黑液倒入反應釜內，升溫至70°C，加入甲醛，甲醛總量為干物
總量的10%,反應2小時后，再升溫到9(TC，加入亞硫酸鈉，亞硫 酸鈉總量為總干物量的20%,反應3小時后，物料經噴霧干燥就可制 得磺化木素產品。
離心后所得固相加入容器中，同時加入同等固相重量的水，用 20% (g/100ml)濃度的稀硫酸調節pH到4.8,調節溫度到50。C,向 料液中加入纖維素酶，用酶量為30FPIU/克底物(以干基計)，攪拌 轉速100rpm，酶解時間控制在72小時，每24小時取樣一次，利用 DNS法測酶解液在的總糖濃度，酶解液總糖濃度16.4%,綜纖維素酶 解得率88.4%。 實施例2
在一個適當的反應釜內，加入800克切碎后的甘蔗渣(粒度為 10mm)，水份在56°/。，然后按固液重量比1:10的比例加入熱的氫氧 化鈉溶液，堿液質量百分比濃度2%，封好口后，在10(TC條件下保 溫1.0小時進行預處理，得到的漿液在2000rpm離心機內離心，離心 后的黑液經有機膜(膜分子量2000)以回收其中的堿，膜濾后的濃 相倒入反應釜內，升溫至7(TC，加入甲醛，甲醛總量為干物總量的 10%,反應2小時后，再升溫到9(TC,加入亞硫酸鈉，亞硫酸鈉總量 為總干物量的20%,反應3小時后，物料經噴霧干燥就可制得磺化木 素產品。
離心后所得固相加入容器中，同時加入同等固相重量的水，用 20% (g/100ml)濃度的稀硫酸調節pH到4.8，調節溫度到50。C,向 料液中加入纖維素酶，用酶量為30FPIU/克底物(以干基計)，攪拌 轉速100rpm,酶解時間控制在72小時，每24小時取樣一次，利用 DNS法測酶解液在的總糖濃度，酶解液總糖濃度15.8%，綜纖維素酶 解得率89.2%。
6實施例3
在一個適當的反應釜內，加入1200克切碎后的甘蔗渣(粒度為 50mm)，水份在56%，然后按固液重量比1:6的比例加入熱的氫氧化 鈉溶液，堿液濃度1.8%，封好口后，在105。C條件下保溫l.O小時進 行預處理，得到的漿液在3000rpm離心機內離心，離心后的黑液經有 機膜(膜分子量3000)以回收其中的堿，膜濾后的濃相倒入反應釜 內，升溫至70°C,加入甲醛，甲醛總量為干物總量的10%，反應2 小時后，再升溫到90°C,加入亞硫酸鈉，亞硫酸鈉總量為總干物量 的20%,反應3小時后，物料經噴霧干燥就可制得磺化木素產品。
離心后所得固相加入容器中，同時加入同等固相重量的水，用 20% (g/100ml)濃度的稀硫酸調節pH到4.6，調節溫度到48匸，向 料液中加入纖維素酶，用酶量為20FPIU/克底物(以干基計)，攪拌 轉速200rpm,酶解時間控制在70小時，每24小時取樣一次，利用 DNS法測酶解液在的總糖濃度，酶解液總糖濃度16.7%,綜纖維素酶 解得率90.2%。 實施例4
在一個適當的反應釜內，加入1200克切碎后的甘蔗渣(粒度為 30mm)，水份在56%，然后按固液重量比1:8的比例加入熱的氫氧化 鈉溶液，堿液濃度2.0%,封好口后，在85。C條件下保溫1.0小時進 行預處理，得到的漿液在2500rpm離心機內離心，離心后的黑液經有 機膜(膜分子量3000)以回收其中的堿，膜濾后的濃相倒入反應釜 內，升溫至70°C,加入甲醛，甲醛總量為干物總量的10%,反應2 小時后，再升溫到90°C，加入亞硫酸鈉，亞硫酸鈉總量為總干物量 的20%,反應3小時后，物料經噴霧干燥就可制得磺化木素產品。
離心后所得固相加入容器中，同時加入同等固相重量的水，用 20% (g/100ml)濃度的稀硫酸調節pH到5.0，調節溫度到50°C,向 料液中加入纖維素酶，用酶量為30FPIU/克底物(以干基計)，攪拌轉速100rpm,酶解時間控制在72小時，每24小時取樣一次，利用 DNS法測酶解液在的總糖濃度，酶解液總糖濃度14.6%，綜纖維素酶 解得率82.2%。 實施例5
在一個適當的反應釜內，加入2000克切碎后的甘蔗渣(粒度為 20mm),水份在56%,然后按固液重量比1:8的比例加入熱的氫氧化 鈉溶液，堿液濃度2.0%,封好口后，在14(TC條件下保溫0.5小時進 行預處理，得到的漿液在2000rpm離心機內離心，離心后的黑液經有 機膜(膜分子量4000)以回收其中的堿，膜濾后的濃相倒入反應釜內， 升溫至75'C,加入甲醛，甲醛總量為干物總量的15%,反應2小時 后，再升溫到9(TC,加入亞硫酸鈉，亞硫酸鈉總量為總干物量的20%, 反應3小時后，物料經噴霧干燥就可制得磺化木素產品。
離心后所得固相加入容器中，同時加入同等固相重量的水，用 20% (g/100ml)濃度的稀硫酸調節pH到4.8，調節溫度到48。C,向 料液中加入纖維素酶，用酶量為15FPIU/克底物(以干基計)，攪拌 轉速180rpm，酶解時間控制在60小時，每24小時取樣一次，利用 DNS法測酶解液在的總糖濃度，酶解液總糖濃度16.7%，綜纖維素酶 解得率89.2%。 實施例6
在一個適當的反應釜內，加入2000克切碎后的甘蔗渣(粒度為 30mm),水份在56%，然后按固液重量比1:3的比例加入熱的氫氧化鈉 溶液，堿液濃度2.0%，封好口后，在115X:條件下保溫2.0小時進行預 處理，得到的漿液在2000rpm離心機內離心，離心后的黑液經有機膜 (膜分子量3000 )以回收其中的堿，膜濾后的濃相黑液倒入反應釜內， 升溫至8(TC，加入甲醛，甲醛總量為干物總量的10%，反應3小時后， 再升溫到90'C,加入亞硫酸鈉，亞硫酸鈉總量為總干物量的20%,反 應3小時后，物料經噴霧干燥就可制得磺化木素產品。
8離心后所得固相加入容器中，同時加入1.5倍固相重量的水，用
20°/。 (g/100ml)濃度的稀硫酸調節pH到5.0，調節溫度到50。C,向料 液中加入纖維素酶，用酶量為20FPIU/克底物(以干基計)，攪拌轉速 150rpm，酶解時間控制在48小時，每24小時取樣一次，利用DNS法測 酶解液在的總糖濃度，酶解液總糖濃度7.8%，綜纖維素酶解得率 65.2%。 實施例7
在一個適當的反應釜內，加入2000克切碎后的甘蔗渣(粒度為 O.Olmm)，水份在56%,然后按固液比l:l的比例加入熱的氫氧化鉀溶 液，堿液濃度3%,封好口后，在125'C條件下保溫3.0小時進行預處理， 得到的漿液在2000rpm離心機內離心，離心后的黑液經有機膜(膜分子 量3000)以回收其中的堿，膜濾后的濃相黑液倒入反應釜內，升溫至 7(TC,加入甲醛，甲醛總量為干物總量的10%,反應2小時后，再升 溫到95T，加入亞硫酸鈉，亞硫酸鈉總量為總干物量的18%,反應4 小時后，物料經噴霧干燥就可制得磺化木素產品。
離心后所得固相加入容器中，同時加入1.5倍固相重量的水，用 20% (g/100ml)濃度的稀硫酸調節pH到4.8,調節溫度到5(TC，向料 液中加入纖維素酶，用酶量為30FPIU/克底物(以干基計)，攪拌轉速 100rpm,酶解時間控制在70小時，每24小時取樣一次，利用DNS法測 酶解液在的總糖濃度，酶解液總糖濃度6.1%，綜纖維素酶解得率 51.2%。 實施例8
在一個適當的反應釜內，加入2000克切碎后的甘蔗渣(粒度為 30mm),水份在56。/。，然后按固液比l:6的比例加入熱的氫氧化鈉溶液， 堿液濃度1.0%，封好口后，在75'C條件下保溫5.0小時進行預處理， 得到的漿液在2000rpm離心機內離心，離心后的黑液經有機膜(膜分子 量4000)以回收其中的堿，膜濾后的濃相黑液倒入反應釜內，升溫至反應2小時后，再升 溫到90。C，加入亞硫酸鈉，亞硫酸鈉總量為總干物量的20%，反應3 小時后，物料經噴霧干燥就可制得磺化木素產品。
離心后所得固相加入容器中，同時加入1.5倍固相重量的水，用 20% (g/100ml)濃度的稀硫酸調節pH到4.8，調節溫度到50。C，向料 液中加入纖維素酶，用酶量為30FPIU/克底物(以干基計)，攪拌轉速 100rpm,酶解時間控制在72小時，每24小時取樣一次，利用DNS法測 酶解液在的總糖濃度，酶解液總糖濃度6.8%,綜纖維素酶解得率 54.2%。
雖然，上文中已經用一般性說明及具體實施方案對本發明作了詳 盡的描述，但在本發明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本 領域技術人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發明精神的基礎 上所做的這些修改或改進，均屬于本發明要求保護的范圍。
權利要求
1.一種甘蔗渣高效糖化的方法，其特征在于，其包括以下步驟1)先將切碎的甘蔗渣與質量百分比濃度為0.1～10％的堿溶液在55～140℃下進行蒸煮反應，時間控制在10～300min之間，甘蔗渣與堿水溶液的重量比為1∶1～10；2)反應后進行分離，得固體產物和液體產物；3)所述固體產物經纖維素酶催化水解得酶解糖液；4)所述液體產物經膜過濾后，液體回收用于步驟1)的反應，膜過濾后的濃相再經磺化反應后制成磺化木素產品。
2. 根據權利要求l所述的方法，其特征在于，所述甘蔗渣的切碎 粒度為0.01 50mm。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述堿溶液為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。
4. 根據權利要求l-3任意一項所述的方法，其特征在于，所述堿 溶液的質量百分比濃度為1~3%。
5. 根據權利要求l-4任意一項所述的方法，其特征在于，所述甘 蔗渣與堿溶液的重量比是1:3 10。
6. 根據權利要求l-5任意一項所述的方法，其特征在于，步驟l) 中反應溫度為75 125i:,優選為95 115。C。
7. 根據權利要求l-6任意一項所述的方法，其特征在于，步驟l) 中反應時間為30 90min。
8. 根據權利要求l-7任意一項所述的方法，其特征在于，步驟3) 中所述纖維素酶的用量為15 30FPIU/克底物；酶解過程中，酶解pH 為4.6~5.0，溫度為48 50。C，攪拌轉速為100~200rpm,酶解時間控制 在48 72小時。
9. 根據權利要求l-8任意一項所述的方法，其特征在于，步驟2) 中所述分離采用離心分離，離心速率為2000 3000rpm。
全文摘要
本發明提供一種甘蔗渣高效糖化的方法，其采用將甘蔗渣與熱堿液混合均勻后，進行蒸煮，再進行固液分離，分離后的黑液經膜處理后回收堿液以重復利用，黑液中的木質素去磺化制成磺化木素產品，固相在常溫常壓下，在酶的催化作用下酶解，酶解糖液質量好，可以直接發酵生產酒精、丁二酸等發酵產品，解決了甘蔗廠的固體廢棄物污染問題。本發明先對甘蔗渣進行預先處理，可以減少原料中對發酵有害的物質，堿液能有效回收利用，酶解糖液不產生對發酵有害的物質，同時經處理后的物料酶解得率高，可滿足不同的生物質發酵生產工藝。
文檔編號C12P19/14GK101619332SQ20091009050
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月13日 優先權日2009年8月13日
發明者尚海濤, 李榮杰, 薛培儉, 黃之文 申請人:安徽豐原發酵技術工程研究有限公司