CN101215586A - 一种玉米秸秆类农林废弃物的新用途 - Google Patents

Abstract

一种玉米秸秆类农林废弃物的新用途，就是玉米秸秆类农林废弃物在发酵法制备柠檬酸中的应用。其制备方法包括碱解、酶解、发酵、分离和后处理。碱解就是玉米秸秆类农林废弃物在1.0～2.5％的稀碱溶液中于85～95℃条件下水解2～4小时，分离、洗涤得到碱解渣，酶解就是用纤维素酶和纤维素二糖酶等对碱解渣进行酶水解，使纤维素转化为葡萄糖，分离、洗涤，然后对含葡萄糖的酶解液用公知黑曲霉菌进行发酵，使葡萄糖转化为柠檬酸，最后经后处理得到纯度≥99.8％的一水柠檬酸晶体。每生产1吨柠檬酸约消耗5吨玉米秸秆，使柠檬酸的原料成本大幅度降低。

Description

一种玉米秸秆类农林废弃物的新用途

一、技术领域

本发明涉及一种农林废弃物的综合利用，确切地说是一种玉米秸秆类农林废弃物在发酵制备柠檬酸的新用途。

二、背景技术

柠檬酸又名枸橼酸，英文名citric acid，化学名称为3-羟基-3-羧基戊二酸。外观无色半透明晶体，或白色颗粒，或白色结晶性粉末，。柠檬酸结晶形态因结晶条件不同而不同，有无水柠檬酸C₆H₈O₇，也有含结晶水的柠檬酸2C₆H₈O₇·H₂O、C₆H₈O₇·H₂O或C₆H₈O₇·2H₂O。商品柠檬酸主要是无水柠檬酸和一水柠檬酸。

我国传统生产柠檬酸的生产方法是用含淀粉质的农产品为原料。申请人曾首创玉米粉发酵法制备柠檬酸的方法(ZL95111000.4)。目前该方法是国内生产柠檬酸的最具代表性的方法。从广义上来说，任何含淀粉的农产品和含葡萄糖的农产品及其副产品都能作为柠檬酸的发酵原料，如玉米、薯类、制糖工业副产品等。基本路线是：原料粉碎、液化、发酵生产柠檬酸，这些原料的共同特点就是利用粮食的淀粉质，柠檬酸的生产需要消耗大量的粮食，形成与人争粮的局面，对人类的生存构成威胁。

我国玉米年产量达1.23亿吨，按谷杆比1∶1.2计算，玉米秸秆每年约产1.47亿吨，加上其他农作物秸秆，每年有7亿吨左右，这是具有巨大潜力的再生资源，尤其是作为再生能源和化工产品的原材料受到广泛的重视，但目前除一部分用作反刍动物的饲料以及发展生物能源外，大部分被焚烧，浪费资源，污染环境，还对航空和道路交通构成威胁。

本发明所称的玉米秸秆类农林废弃物是玉米秸秆、小麦秸秆、高梁秸秆、棉子壳、甘蔗渣、桦木片等，其主要成分是纤维素、木质素等。

玉米秸秆主要由植物细胞壁组成，主要成分是半纤维素、纤维素、木质素及灰份和水等，其中两种主要糖源是半纤维素和纤维素。半纤维素占玉米秸秆总重量的20％～25％，而纤维素占玉米秸秆总重量的35％～40％。纤维素结构单元是由β-D-葡萄糖基β-1，4-糖苷键联结而成的线性葡萄糖高分子聚合物，每个纤维分子由800-1200个葡萄糖分子组成，由于其结晶结构，很难被降解。半纤维素主要是木糖，以及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖等组成的复杂分子聚合物。而木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物，是一种酚类聚合物，起胶质的作用，将纤维素和半纤维素连接在一起，其特点是易溶于碱，以木质素钠盐形式溶解于碱液中。因此，如果要获得足以工业化发酵柠檬酸的葡萄糖和培养酵母的木糖，首先要对原料进行净化预处理和稀碱处理，破坏半纤维素和纤维素的缠绕结构，有利于纤维素的酶解，获得发酵生产柠檬酸的葡萄糖源和发酵酵母的木糖。

三、发明内容

本发明旨在综合利用玉米秸秆类农林废弃物(在以下的叙述中简称秸秆)，所要解决的技术问题是由秸秆发酵法生产柠檬酸。

本发明所称的秸秆的新用途就是秸秆在发酵法制备柠檬酸中的应用。

秸秆发酵法制备柠檬酸的方法包括碱解、酶解、发酵、分离、洗涤和后处理，所述的碱解就是秸秆在1.0～2.5％(重量百分比，下同)的稀碱溶液中于85～95℃条件下水解2～4小时，然后离心分离，洗涤，黑色滤液送处理工段，或中和处理，或浓缩回收碱等，滤渣即是碱解渣，碱解渣用于生产柠檬酸。

所述的酶解就是用纤维素酶或/和纤维素二糖酶或/和木聚糖酶对碱解渣进行酶水解。酶用量为碱解渣的1～3％，酶解pH4.0～6.0，温度30～70℃，时间40～60小时，优选酶解pH4.5～5.5，温度40～60℃。酶解结束后过滤分离，洗涤。酶解渣主要含木质素，另进行深加工，酶解液经脱色浓缩后用于发酵制备柠檬酸。酶解液中主要含葡萄糖，此外还含少量木糖、阿拉伯糖等，总糖浓度约6％左右，葡萄糖浓度3％左右，木糖浓度1.5％左右。

所述的发酵就是用黑曲霉菌对酶解液进行有氧发酵。黑曲霉菌使葡萄糖转化为柠檬酸，而对木糖、阿拉伯糖等无作用。

葡萄糖为黑曲霉菌提供碳源，此外还需要提供氮源等其他营养元素，也就是黑曲霉菌在以下酶解液中进行发酵：葡萄糖10～15％、尿素0.1～0.2％、硫酸镁0.05～0.08％、玉米浆0.05～0.1％、pH5.5～6.5，将上述酶解液灭菌后接入黑曲霉菌种子液，于35～38℃下发酵60～70小时，发酵期间通无菌空气，通风量0.2～0.5m³/min。

发酵结束后过滤分离，洗涤滤渣，使其内残留的柠檬酸尽可能洗净，滤渣主要含菌丝体，可加工饲料，滤液进行后处理，以制备-水柠檬酸晶体。

滤液中除含柠檬酸外，还含有木糖、阿拉伯糖、甘露糖等杂糖、色素以及少量葡萄糖，鉴于糖类属非电解质，因此可以膜(电驱动膜)分离法(亦称电渗析法)使柠檬酸与糖类分离，实现第一步纯化，然后中和使柠檬酸生成柠檬酸钙沉淀分离，实现第二步纯化，最后将柠檬酸钙酸解还原成柠檬酸，经浓缩、结晶和干燥后得到-水柠檬酸晶体。

本发明开创了以秸秆为原料替代淀粉生产柠檬酸的新途径。以玉米秸秆为例，约5吨玉米秸秆生产1吨柠檬酸，使柠檬酸的原料成本大幅度降低。所得到的-水柠檬酸晶体纯度≥99.9％，其他各项指标均达到BP2003版和USP28版的标准。

四、具体实施方式

现以玉米秸秆为例，非限定实施例叙述如下：

1、玉米秸秆的碱解

将玉米秸秆去杂、清洗、粉碎成3目大小，投入水解釜中，然后加入1.5％NaOH稀碱溶液，加入量为玉米秸秆重量的3～6倍，搅拌、升温，90℃水解3小时。水解结束后离心分离，水洗滤渣，滤液送处理工段，滤渣即碱解渣，用于以下加工生产柠檬酸。

2、碱解渣的酶解

将碱解渣和2～3倍量的自来水投入酶解釜中，搅拌下用无机酸调pH5，然后加入2％(以酸解渣计)的纤维素酶和纤维素二糖酶(以干基计)，两种酶比例任意，升温至50℃，酶解50小时。酶解结束后降温、离心过滤分离，并水洗。

酶解液中总糖浓度为6％，其中葡萄糖浓度3％。

酶解釜为上海申生科技有限公司生产的500L玻璃反应釜。

纤维素酶购自无锡杰能科生物工程有限公司。

纤维素二糖酶和木聚糖酶均购自杭州祥龙生物技术有限公司。

酶解液脱色、浓缩。按酶液体积加入0.1～0.5％的活性炭于75～80℃脱色0.5小时，过滤分离，然后浓缩至葡萄糖浓度15wt％。采用薄膜(RO膜)或/和蒸发器浓缩。

RO膜为凯能高科技工程(上海)有限公司生产的试验膜；蒸发器为上海申生科技有限公司生产的30L浓缩试验装置。

4、酶解液发酵

(1)种子液的制备

菌种：黑曲霉Co827。购自……

制曲：1000mL三角烧瓶，每只烧瓶装入经充分淘洗，水份65％的大片麦麸皮38-40g，121℃灭菌1小时，冷却后，接入一环黑曲霉菌种孢子，37℃培养6-8天。

种子罐培养基：酶解液8-10％、尿素0.1％、硫酸镁0.05％、玉米浆0.3％，余量为水。

种子罐培养条件：通风风量1∶0.5(0.5m³无菌空气/m³·min)；温度：36～37℃；pH自然，周期30小时。

(2)酶解液发酵

将葡萄糖浓度15％的酶解液投入发酵罐中，搅拌下加入尿素、硫酸镁和玉米浆，使其浓度依次为0.15％、0.06％和0.06％，用碱调pH至6，灭菌后接入种子液，接种量10％，于36～37℃下发酵65小时，发酵期间通无菌空气，0.3m³/min。

发酵液外观褐色，柠檬酸含量9～10％，葡萄糖转化率95％。

5、后处理

(1)发酵结束后过滤分离，水洗滤渣，使其内残留的柠檬酸尽可能洗净。

(2)第一次纯化：

电渗析法分离柠檬酸：将滤液投入电渗析分离器，进行柠檬酸和杂糖等不电离物质的分离。电渗析分离器规格400×600，共80对阴阳膜的实验装置。淡水室的物料、浓水室的自来水和极水在泵的作用下各自循环流动，柠檬酸酸根和氢离子以离子状态分别通过阴膜和阳膜进入浓水室中。淡水室的酸液的电导率由初始的6000us/cm，降至100us/cm以下。操作条件：常温、常压。电压：≤60v。电渗析分离收率98％。

(3)第二次纯化：

将电渗析得到的酸液投入中和釜中，搅拌下加CaCO₃或Ca(OH)₂中和，使柠檬酸生成钙盐沉淀析出，静置使沉淀完全，然后分离，得到柠檬酸钙。

酸化：用硫酸酸化柠檬酸钙，得到柠檬酸溶液和硫酸钙沉淀，分离得到柠檬酸溶液，柠檬酸浓度8～9％。中和酸解收率99％。

(4)将柠檬酸溶液投入真空旋转蒸发器中进行浓缩，直至柠檬酸浓度75％左右时将浓缩液投入结晶釜中，待结晶完全后分离，真空干燥至含水量＜9％，即得成品-水柠檬酸。

Claims (1)

1.一种玉米秸秆类农林废弃物的新用途，其特征在于：玉米秸秆类农林废弃物在发酵法制备柠檬酸中的应用。