一種實現(xiàn)玉米芯殘渣中糖類與木素組分清潔分離的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物質(zhì)資源與農(nóng)作物廢棄物利用的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種實現(xiàn)玉米芯殘渣中糖類與木素組分清潔分離的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤、石油、天然氣等礦物燃料是工業(yè)社會的核心能源，但不可再生且儲量有限。隨著人類社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源消耗速度加劇，同時，高強度地利用礦物燃料使多余的能量和碳素大量釋放，打破了自然界的能量和碳平衡，引發(fā)臭氧層破壞、全球氣候變暖、酸雨等災(zāi)難性后果，引起了全球的極大憂慮。
[0003]在此背景下，以生物質(zhì)能源為代表的綠色、清潔、可再生能源成為世界關(guān)注的焦點。生物質(zhì)能源是通過綠色植物的光合作用，將太陽能以化學(xué)能形式貯存在地球生物質(zhì)中的一種能量形式，是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，是地球上僅次于煤炭、石油和天然氣資源的第四大能源。
[0004]我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸桿剩余物的資源豐富，其中玉米的年產(chǎn)量達上億噸，居世界上第二，占世界總產(chǎn)量的五分之一，玉米芯、秸桿等農(nóng)作物剩余物資源豐富且廉價，但是，其有效利用率低。提高農(nóng)作物秸桿等剩余物資源的綜合利用范圍和利用率，不僅可以有效利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源，也能減輕對環(huán)境保護的壓力，是利國利民、符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和迫在眉睫的舉動。如果通過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理工藝將玉米芯殘渣中的糖類組分和木素分離，繼而進一步利用糖類組分發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、丙酮、糠醛、乳酸、谷氨酸等化工原料，同時將木素進一步純化用于后續(xù)木素基產(chǎn)品的開發(fā)，將有利于生物質(zhì)資源的高效和高值化利用，這對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展、清潔生產(chǎn)以及環(huán)境保護都具有重要意義。
[0005]目前，尚沒有一種能夠?qū)崿F(xiàn)玉米芯殘渣中糖類與木素組分清潔分離的方法。
[0006]通過檢索，尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明專利申請相關(guān)的專利公開文獻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種實現(xiàn)玉米芯殘渣中糖類與木素組分清潔分離的方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)玉米芯殘渣這種農(nóng)作物廢棄物的有效利用，為后續(xù)的加工利用或生產(chǎn)具有高附加值產(chǎn)品提供原料基礎(chǔ)。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0009]—種實現(xiàn)玉米芯殘渣中糖類與木素組分清潔分離的方法，步驟如下:
[0010]⑴首先，將選取的玉米芯殘渣分別進行化學(xué)法預(yù)處理或機械法預(yù)處理:
[0011]①化學(xué)法預(yù)處理:將玉米芯殘渣原料置于反應(yīng)器中，加入0.1%~5.0% (相對于原料絕干質(zhì)量)的NaOH，反應(yīng)容器在60-90°C的溫度下保溫10_60min，并在反應(yīng)過程中不斷攪拌，以使玉米芯殘渣原料與藥液充分反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，過濾以將預(yù)處理液與固體殘渣進行分離，將反應(yīng)后的玉米芯固體殘渣水洗至中性，并在風(fēng)干平衡水分后儲存以用于后續(xù)的生物酶處理；
[0012]②機械法預(yù)處理:將玉米芯殘渣放入研磨機中并加入水進行研磨，保證研磨濃度維持在1% -30%的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速為300-2000rpm，研磨時間為10_60min，研磨后的玉米芯固體殘渣經(jīng)收集、平衡水分后用于后續(xù)的生物酶處理；
[0013]⑵生物酶處理:對預(yù)處理后的玉米芯固體殘渣進行生物酶處理，在進行處理之前，對所用容器進行高溫滅菌處理；
[0014]⑶在無菌條件下，向預(yù)處理后的玉米芯固體殘渣中加入乙酸一乙酸鈉緩沖溶液，玉米芯固體殘渣的絕干質(zhì)量與乙酸一乙酸鈉緩沖溶液體積比例為1:5kg:L，充分?jǐn)嚢韬蠹尤肷锩富旌弦?，然后加入蒸餾水使玉米芯殘渣的質(zhì)量濃度為1% -10%，無菌條件下進行生物酶恒溫培養(yǎng)酶解處理，隨后即得酶水解后的殘渣以及生物酶水解液；
[0015]其中，所述生物酶恒溫培養(yǎng)酶解處理的條件為:反應(yīng)溫度40 - 55°C，反應(yīng)時間
10- 80h，轉(zhuǎn)速100 - 180rpm，所用生物酶用量為10 - 70FPU/g底物；
[0016]⑷生物酶處理之后，分離生物酶水解液與殘渣，收集生物酶水解液，即得包含糖類的糖化液，儲存?zhèn)溆茫?br>[0017]殘渣為酶解粗木素，將酶水解粗木素洗至pH值呈6 - 7后，風(fēng)干、儲存、平衡水分后備用;
[0018](5)取酶解粗木素，使其溶解在包含濃度為0.01mol/L HCl的弱酸性的二氧六環(huán)一水混合液中，其中二氧六環(huán)與水的體積比為85:15，酶解粗木素的質(zhì)量濃度為5%，在90-100°C溫度下對酶解粗木素進行抽提處理，抽提處理時要保證在氮氣的保護下進行回流，從第一次回流時開始計時，抽提2-4h，得混合物；
[0019](6)抽提處理結(jié)束后，將混合物進行過濾，殘渣用新鮮的二氧六環(huán)與水組成的混合液進行洗滌，洗滌數(shù)次直至濾液澄清，收集濾液用于后續(xù)處理；
[0020](7)將碳酸氫鈉顆粒加入所收集的濾液進行中和直至濾液呈中性，然后利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)設(shè)備進行蒸發(fā)濃縮處理，溫度在30 - 35°C，濃縮比為1:15-40，將所得的濃縮液逐滴加至大量的酸性去離子水中，在逐滴加入的過程中保持均勻攪拌以促進木素的溶出、沉淀；
[0021]⑶將溶出、沉淀出來的木素進行過濾處理以分離木素，過濾所得的固體經(jīng)酸性去離子水充分洗滌，洗滌結(jié)束后將木素轉(zhuǎn)移至容器中收集、冷凍干燥20_28h，干燥后的木素用正己烷洗滌以除去其它雜質(zhì)成分，然后經(jīng)過在30°C條件下持續(xù)進行真空干燥6-10h，最終獲得純化后的木素。
[0022]而且，所述步驟⑴中玉米芯殘渣為玉米芯原料經(jīng)酸法處理提取玉米芯中的木糖之后的剩余物。
[0023]而且，所述玉米芯殘渣的主要組分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如下:葡聚糖63.68%，木聚糖4.17%, Klason 木素 17.03%，乙醇抽出物 10.64%，灰分 2.93%。
[0024]而且，所述步驟⑵中高溫滅菌處理的條件為121°C滅菌60min。
[0025]而且，所述步驟⑶中乙酸一乙酸鈉緩沖溶液的pH為4.5 - 5.0，其配制方法為:稱取乙酸鈉，加蒸餾水溶解，再加入冰乙酸，加蒸餾水稀釋至乙酸鈉濃度為0.5mol/L，冰乙酸的體積濃度為2.5%，并調(diào)節(jié)pH值至4.5 - 5.0。
[0026]而且，所述步驟⑶中生物酶為復(fù)合纖維素酶。
[0027]而且，所述步驟⑷中利用過濾器實現(xiàn)生物酶水解液與殘渣的分離。
[0028]而且，所述步驟(6)中二氧六環(huán)與水的體積比為85:15。
[0029]而且，所述步驟(7)中攪拌速度為50-200rpm ;或者，所述步驟(7)中蒸發(fā)濃縮處理的濃縮比為1:20。
[0030]而且，所述步驟⑶中酸性去離子水的pH = 2.0。
[0031]本發(fā)明取得的優(yōu)點和有益效果是:
[0032]1、本發(fā)明方法充分實現(xiàn)了玉米芯殘渣這種農(nóng)作物廢棄物的有效利用，不僅可以有效利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源，也減輕了對環(huán)境保護的壓力，是利國利民、符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和迫在眉睫的方法，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展、清潔生產(chǎn)以及環(huán)境保護都具有重要意義。
[0033]2、本發(fā)明方法借助化學(xué)法處理、機械法處理和生物酶處理實現(xiàn)其主要化學(xué)組分(糖類組分和木素)的清潔分離，玉米芯殘渣經(jīng)生物酶處理后，底物的葡萄糖轉(zhuǎn)化率可達到97%，該方法最終分離純化后的木素得率可高達27%，為后續(xù)的加工利用或生產(chǎn)具有高附加值產(chǎn)品提供原料基礎(chǔ)，該方法清潔，操作簡單、方便，成本合理。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明實現(xiàn)玉米芯殘渣中碳水化合物與木素清潔有效分離的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明進一步說明；下述實施例是說明性的，不是限定性的，不能以下述實施例來限定本發(fā)明的保護范圍。
[0036]本發(fā)明中所使用的原料，如無特殊說明，均為常規(guī)的市售產(chǎn)品；本發(fā)明中所使用的方法，如無特殊說明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法。
[0037]本發(fā)明中所使用的乙酸一乙酸鈉緩沖溶液的pH為4.5 - 5.0，其配制方法為:稱取乙酸鈉(CH3COONa.3H20)，加蒸餾水溶解，再加入冰乙酸，加蒸餾水稀釋至乙酸鈉濃度為0.5mol/L，冰乙酸的體積濃度為2.5%，并調(diào)節(jié)pH值至4.5 - 5.0。
[0038]實施例1
[0039]—種實現(xiàn)玉米芯殘渣中糖類與木素組分清潔分離的方法，步驟如下:
[0040](I)首先，將篩選后的玉米芯殘渣加入0.5%堿濃(相對于絕干玉米芯殘渣質(zhì)量)的溶液(NaOH溶液)中，并在80°C下，反應(yīng)30min，并在反應(yīng)過程中不斷攪拌，以使玉米芯殘渣原料與藥液充分反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，將固液進行抽濾分離，收集黑液，收集完黑液之后繼續(xù)將殘渣洗至中性，然后放入室內(nèi)風(fēng)干并平衡水分，收集并用于后續(xù)的生物酶水解；
[0041 ] (2)對經(jīng)堿處理后的玉米芯固體殘渣進行酶水解。在進行酶水解之前，所用儀器均經(jīng)過高溫滅菌處理(121°C，60min)；
[0042](3)在酶水解反應(yīng)器中加入預(yù)處理后的玉米芯固體殘渣，加入乙酸一乙酸鈉(pH ^ 4.8)緩沖液，玉米芯殘渣的絕干質(zhì)量(kg)與乙酸一乙酸鈉緩沖液體積(L)的比例為1: 5，并不斷攪拌使玉米芯殘渣充分地分散，再加入44FPU/g底物的纖維素酶，然后加入蒸餾水使玉米芯殘渣的最終濃度為10%，密封后置于50°C恒溫培養(yǎng)振蕩器中反應(yīng)76h，轉(zhuǎn)速為 180rpm ；
[0043](4)酶水解之后對水解殘渣與水解液進行過濾分離，收集酶水解液，水解液即為糖化液，含有葡萄糖、木糖以及阿拉伯糖等糖類，儲存?zhèn)溆茫?br>[0044]水解殘渣就是酶水解粗木素，將酶水解粗木素洗至中性，風(fēng)干備用；
[0045](5)取適量酶解粗木素，使其溶解到包含濃度為0.01mol/L HCl的弱酸性的二氧六環(huán)一水混合液中，二氧六環(huán)與水的比例為85:15，酶解粗木素的質(zhì)量濃度為5%，在95°C下進行抽提，由于二氧六環(huán)沸點為86°C，因此，此反應(yīng)要在氮氣的保護下進行回流，從第一次回流時開始計時，抽提2h，得混合物；
[0046](6)反應(yīng)結(jié)束后，將混合液進行過濾，固體用新鮮的二氧六環(huán)一水混合液(二氧六環(huán):水的體積比為85:15)進行洗滌，洗至濾液澄清即可。濾液用碳酸氫鈉中和至中性，在30°C的溫度下用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器進行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，濃縮比為1:20 ;
[0047](7)濃縮結(jié)束后，將濃縮液加至大量的酸性去離子水中(pH = 2.0)，并不斷攪拌，使木素溶出，將溶出、沉淀出來的木素進行過濾處理以分離木素，過濾所得的固體經(jīng)酸性去離子水充分洗滌，洗滌結(jié)束后將木素轉(zhuǎn)移至容器中收集、冷凍干燥28h，干燥后的酶解木素用正己烷洗滌以除去其它雜質(zhì)成分，然后在30°C條件下持續(xù)進行真空干燥6h，最終獲得純化后的木素。
[0048]檢測結(jié)果:
[0049]在上述工藝條件下:水解1h后，酶水解液中葡萄糖的濃度為25500mg/L，底物的葡萄糖轉(zhuǎn)化率為37% ;水解76h后，水解液中葡萄糖的濃度為45100mg/L，底物的葡萄糖轉(zhuǎn)化率為66