專利名稱：一種清潔高效的制備木糖與l-阿拉伯糖的生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用農(nóng)林廢棄物等原料清潔生產(chǎn)木糖和L-阿拉伯糖的工藝，尤其是對原料經(jīng)過預(yù)處理后采取高溫蒸煮水解工藝處理棉籽殼等農(nóng)林廢棄物獲得木糖水解液經(jīng)微生物法除雜糖與純化處理后結(jié)晶獲得木糖晶體，木糖母液經(jīng)模擬移動床分離后結(jié)晶獲得木糖和L-阿拉伯糖晶體的方法。
背景技術(shù)：
地球上每年進行光合作用而獲得的產(chǎn)物高達近2000億噸，是地球上唯一可以超大規(guī)模再生的可利用性資源。占植物生物量中多數(shù)的木質(zhì)纖維素是世界上最為豐富，最廉價的可再生資源，其中被人們所利用的不足12%。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，可用于生產(chǎn)木糖的富含木質(zhì)纖維素的農(nóng)林廢棄物原料十分豐富?？上У氖沁@些原料多被丟棄或焚燒，不僅造成巨大的資源浪費，還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此開展木糖與L-阿拉伯糖等稀有糖醇的生產(chǎn)工藝的研究，對提高我國資源和能源利用率，幫助農(nóng)民致富創(chuàng)收具有重要和積極的意義，該研究發(fā)明不僅具有較高的直接經(jīng)濟效益，而且具有非?？捎^的社會效益。木糖作為一種功能性營養(yǎng)的基料，具有幾乎零能量值，活化人體腸道內(nèi)的雙岐桿菌并促其生長，提高機體的免疫能力，預(yù)防齲齒，降血脂，降低膽固醇及預(yù)防腸癌的作用。木糖與食物的配伍性很好，在輕工、化工方面也有一定用途。L-阿拉伯糖是一種高效的功能性營養(yǎng)添加劑，若在蔗糖中添加3. 5%的含量，即可抑制40%蔗糖的吸收，使血糖值少升高約50%。也可以抑制肥胖，預(yù)防便秘，促進雙歧桿菌生長，以及具有改變骨骼肌纖維成分的功效等。同時，L-阿拉伯糖是一種重要的醫(yī)藥中間體，主要用來合成抗癌、抗病毒和治療心腦血管疾病的藥物，還可以作為生化試劑，用于細(xì)菌培養(yǎng)基的制備，或進行香料的合成，廣泛應(yīng)用于食品、保健品和醫(yī)藥領(lǐng)域。半纖維素水解的過程中，預(yù)處理工藝是一個重要的環(huán)節(jié)，也是制約水解的效果和經(jīng)濟性的重要因素之一。為了提高半纖維素糖化效率，降低其成本，對農(nóng)林廢棄物原材料的預(yù)處理變得至關(guān)重要。在整個預(yù)處理工藝中，木質(zhì)素的剝離或降解是至關(guān)重要的。木質(zhì)素的殘余率對農(nóng)林廢棄物預(yù)處理成本影響很大，全部的除去木質(zhì)素與除去20-65%的木質(zhì)素其成本差別很大，許多研究表明，只要根據(jù)不同的原料特點，去除20-65%的木質(zhì)素就可以顯著地提高半纖維素水解效率和糖化產(chǎn)率。同時預(yù)處理技術(shù)必須滿足以下幾個條件。①提高半纖維素的水解產(chǎn)率和效率；②避免產(chǎn)生對環(huán)境或后續(xù)工藝具有抑制作用的副產(chǎn)物的生成；③避免碳水化合物的降解和損失；④經(jīng)濟可行性強，盡可能的使用低能耗的技術(shù)手段， 以降低工藝成本。目前，預(yù)處理技術(shù)主要包括物理法，化學(xué)法，生物法，以及物理-化學(xué)法等一些綜合處理方法。工業(yè)上傳統(tǒng)的半纖維素水解制備木糖的工藝采用的是硫酸液水解原料的方法，整個生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量的含鹽污水、并且中和過程中產(chǎn)生大量廢渣，每生產(chǎn)1噸木糖含鹽污水排放量高達300噸以上，且污染物難以生化處理，環(huán)境污染嚴(yán)重。本發(fā)明采用簡單實用的預(yù)處理工藝結(jié)合清潔高效的高溫蒸煮或者蒸煮結(jié)合酶解的方法，對農(nóng)林廢棄物原料中的半纖維素進行水解生產(chǎn)木糖水解液的工藝，替代傳統(tǒng)酸水解工藝。整個生產(chǎn)工藝無需中和且無廢渣產(chǎn)生，在水解過程中的污水的排放量得到了大幅度減少，每生產(chǎn)1噸木糖污水排放量小于50噸。與傳統(tǒng)的硫酸法制得的木糖水解液相比含鹽量降低了 80%。農(nóng)林廢棄物在水解的過程中，半纖維素水解液的主要成分為木糖，此外還存在葡萄糖、L-阿拉伯糖等其他雜糖，經(jīng)濃縮后不僅得到的糖液粘度很大，而且木糖的含量不高致使木糖結(jié)晶收率較低，純度受到影響。結(jié)晶后得到的木糖母液由于雜糖的含量在經(jīng)過結(jié)晶之后比例有所升高(尤其是葡萄糖)，木糖結(jié)晶母液無法繼續(xù)回復(fù)利用，L-阿拉伯糖無法得到有效的純化，使得原料中的有效成分浪費嚴(yán)重。因此如何提高木糖水解液結(jié)晶木糖的產(chǎn)率和晶體純度，同時充分利用木糖母液中的有效成分，降低生產(chǎn)成本，是一個亟待解決的問題。近年來有一些利用酵母發(fā)酵處理木糖母液中的葡萄糖，再利用模擬移動床將木糖與 L-阿拉伯糖分離得到高附加值單糖的報道，但是由于母液中雜糖濃度太高，滲透壓太大，對于菌體生長以及去除葡萄糖的影響較大，導(dǎo)致發(fā)酵過程中還需要將母液大量稀釋，加重了處理的負(fù)荷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上問題，選擇在木糖結(jié)晶過程之前，利用釀酒酵母處理木糖水解液中的葡萄糖等雜糖。由于此時水解液中的糖濃度較低，滲透壓合適，菌體能充分消耗其中的葡萄糖等雜糖進行生長，從而有效解決了雜糖對于木糖結(jié)晶的影響，大幅度提高了結(jié)晶的收率和純度。同時，結(jié)晶后得到的木糖母液中只含有木糖、L-阿拉伯糖和極少量的其他糖類，可以直接利用一些分離手段得到L-阿拉伯糖。該技術(shù)有效地提高了木糖產(chǎn)品的產(chǎn)率， 優(yōu)化了木糖母液的處理工藝，降低了生產(chǎn)成本，使原料得到了更充分合理的利用。目前糖醇工業(yè)生產(chǎn)中，已經(jīng)有關(guān)于木糖母液結(jié)晶生產(chǎn)L-阿拉伯糖的技術(shù)報道，但是大多存在產(chǎn)品結(jié)晶產(chǎn)率低，產(chǎn)品純度不高以及回收率低等問題，本發(fā)明采用模擬移動床分離色譜分離的技術(shù)，對木糖母液中的木糖與L-阿拉伯糖混合體系進行分離，分別得到木糖與L-阿拉伯糖單獨兩相液體，整個分離工藝自動化程度高，操作簡單，分離填料的利用率高，木糖與L-阿拉伯糖的分離度能夠達到95%以上，分離后的L-阿拉伯糖相再進行濃縮結(jié)晶，產(chǎn)品的收率和純度都有了大幅度的提升。一種清潔高效的制備木糖與L-阿拉伯糖的生產(chǎn)工藝，其特征在于，包括如下步驟 (見說明書附圖1)1. 一種清潔高效的制備木糖與L-阿拉伯糖的生產(chǎn)工藝，其特征在于，包括如下步驟(1)農(nóng)林廢棄物原料進行前處理和浸泡預(yù)處理；所述的農(nóng)林廢棄物原料包括玉米芯、玉米秸稈、稻草秸稈、高梁秸稈、棉籽殼或甘蔗渣；前處理工藝包括原材料的粉碎、除塵、水洗三道工序；所述的浸泡預(yù)處理原材料所使用的浸泡液為稀硫酸、稀鹽酸或者稀草酸，稀硫酸、 稀鹽酸或者稀草酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-0.5%，浸泡液與原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為4-8 1，浸泡的溫度為30-100°C，浸泡的時間為6-24h ；浸泡預(yù)處理結(jié)束后，固液分離得到預(yù)處理后的原料，分離出的預(yù)處理后的原料通過水洗的方式調(diào)節(jié)PH值至4. 5-6. 0，浸泡液回復(fù)利用；
(2)經(jīng)過(1)處理后的農(nóng)林廢棄物原料采取高溫蒸煮的方法水解半纖維素獲得高溫蒸煮木糖液或者高溫蒸煮低聚木糖液，具體如下；將預(yù)處理后的農(nóng)林廢棄物加入至反應(yīng)裝置中，添加5-20倍于固料干重的水；初始pH為5. 0-6. 0 ； 1450C _155°C的條件下蒸煮0. 5_2h ；攪拌轉(zhuǎn)速為80_150rpm ；工作壓力為 0. 5-1. OMPa，獲得低聚木糖蒸煮液；或者將預(yù)處理后的玉米芯或棉籽殼等農(nóng)林廢棄物原料加入至反應(yīng)裝置中，添加 5-20倍于固料干重的水；在初始pH為4. 5-6. O ； 160-180°C的條件下高溫蒸煮l_3h ；攪拌轉(zhuǎn)速為80-150rpm ；工作壓力為0. 6-1. 2MPa，獲得木糖蒸煮液；(3)利用石灰乳對上述高溫蒸煮低聚木糖液進行過中和處理至pH在8. 0-9. 0，之后再用磷酸或鹽酸回調(diào)PH至6. 0，板框過濾得上清液；采用黑曲霉所產(chǎn)的粗酶液對(3)處理后的低聚木糖蒸煮液進行酶解得到木糖酶解液，具體如下查氏培養(yǎng)基，115°C滅菌30min，接入黑曲霉，在28-30°C的條件下培養(yǎng)3_4天得到具有孢子狀形態(tài)的黑曲霉種子液；產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)蔗糖2. 4g，MgSO4 0. 12g，K2HPO4 0. 12g， KH2PO4 0. 24g, FeSO4 0. 0012g, NaNO3 0.012g，用IOOml水溶解，與玉米芯與麩皮的混合物混合均勻，玉米芯與麩皮的混合物共計100g，玉米芯與麩皮質(zhì)量比為3 7-7 3，在115°C的條件下滅菌30min得到發(fā)酵培養(yǎng)基；在無菌操作的條件下，在IOOg發(fā)酵培養(yǎng)基中加入具有孢子狀形態(tài)的黑曲霉種子液10-15ml，添加無菌水30-90ml，采取固態(tài)發(fā)酵的方式，在30°C的條件下培養(yǎng)3_4天；產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)結(jié)束后，在28-30°C的條件下，加入250ml水振蕩提取固體培養(yǎng)物l_2h，離心收集上清液即為粗酶液；將粗酶液加入到低聚木糖蒸煮液中，酶解條件為溫度40-50°C，pH = 5. 0-5. 5 ； IOOml蒸煮液中加酶量5-10ml，蒸煮液中的低聚木糖濃度為1. 5%，經(jīng)過酶解1_2天后得到木糖液；或者碳酸鈣對(2)得到的上述高溫蒸煮木糖液進行中和處理調(diào)pH至6. 0-7. 0，并板框過濾得上清液；(4)加入微生物除去木糖液中的包括葡萄糖和半乳糖的雜糖；所選微生物為大腸桿菌、釀酒酵母的至少一種；發(fā)酵所需氮源為酵母膏、酵母粉、 玉米漿、玉米漿干粉、大豆餅粉、硫酸銨、尿素中的至少一種；上述木糖液經(jīng)過濃縮至總糖濃度為100-200g/L后，加入上述氮源充分溶解，得到的氮源濃度為10_20g/L，配制成發(fā)酵培養(yǎng)基；在葡萄糖濃度為20-30/gL，酵母膏濃度為5_10g/L的活化培養(yǎng)基中加入大腸桿菌、釀酒酵母和安琪酵母的至少一種，使得大腸桿菌、釀酒酵母和安琪酵母的至少一種的初始濃度為l_2g/L，于30°C的搖床中，以200-300rpm的轉(zhuǎn)速活化2-4h，離心15min棄上清液， 下部細(xì)胞用蒸餾水洗滌后再次離心lOmin，收集細(xì)胞泥；在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加細(xì)胞泥10-20g/L，發(fā)酵溫度25-35°C，發(fā)酵轉(zhuǎn)速200rpm，通氣量為1-1. SvZmirr1，進行發(fā)酵，發(fā)酵時間為6_12h ；(5)發(fā)酵后離心，然后活性炭或者吸附樹脂，或者兩者結(jié)合對木糖液進行純化處理；
(6)木糖純化后進行濃縮處理；得到的木糖液中的木糖含量為700_800g/L ；(7)采取梯度程序降溫結(jié)晶的方式得到木糖產(chǎn)品和木糖結(jié)晶母液；(8)將得到的木糖結(jié)晶母液經(jīng)色譜系統(tǒng)分離，得到木糖相和L-阿拉伯糖相；(9)將步驟⑶得到的木糖相返回至步驟(6)與木糖純化液合并濃縮，采取梯度程序降溫的方式進行結(jié)晶，得到木糖晶體以及木糖母液，木糖母液與步驟(7)中的木糖母液合并，進入至色譜分離系統(tǒng)分離，重復(fù)步驟(8)；將(8)得到的L-阿拉伯糖相經(jīng)濃縮、結(jié)晶得L-阿拉伯糖產(chǎn)品以及L-阿拉伯糖母液，L-阿拉伯糖母液回復(fù)利用。其中所述的農(nóng)林廢棄物原料包括玉米芯、玉米秸稈、稻草秸稈、高梁秸稈、棉籽殼、甘蔗渣等，本發(fā)明優(yōu)選棉籽殼為原料。步驟(1)所述的棉籽殼等農(nóng)林廢棄物原料的前處理工藝包括原材料的粉碎、除
塵、水洗三道工序。所述的經(jīng)前處理后的棉籽殼等農(nóng)林廢棄物原料采取的預(yù)處理工藝優(yōu)選操作容易、工藝簡單的浸泡法來處理，其中所述的浸泡預(yù)處理原材料所使用的浸泡液為稀硫酸， 稀鹽酸或者稀草酸、其中優(yōu)選稀草酸浸泡液，原因是原料中剩余的草酸可以在后期的發(fā)酵過程中以碳源的方式被微生物所利用，采用稀草酸對原料浸泡進行預(yù)處理的方式不僅得到了良好的預(yù)處理結(jié)果、提高了高溫蒸煮的木糖得率，還降低了后期對木糖代謝的消耗和碳源加入的成本，以及后期脫鹽處理的難度。所用的稀草酸浸泡液中，草酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0. 1-0.5%，浸泡液與原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為4-8 1，浸泡的溫度為30-100°C，浸泡的時間為 6-24h。浸泡結(jié)束后，經(jīng)過板框過濾的方式，對浸泡體系進行固液分離得到預(yù)處理后的原料與浸泡液，浸泡液回復(fù)利用，分離出的預(yù)處理后的原料通過水洗的方式調(diào)節(jié)原料自身PH值至接近中性。步驟(2)利用高溫蒸煮工藝水解玉米芯、棉籽殼等農(nóng)林廢棄物原料生產(chǎn)低聚木糖蒸煮液的方法是將預(yù)處理后的玉米芯或棉籽殼等農(nóng)林廢棄物加入至反應(yīng)裝置中，添加 5-20倍于固料干重的水；初始pH為5. 0-6. 0 ； 145°C _155°C的條件下高溫蒸煮0. 5_2h ；攪拌轉(zhuǎn)速為80-150rpm ；工作壓力為0. 5-1. OMPa0利用高溫蒸煮工藝水解農(nóng)林廢棄物原料生產(chǎn)木糖蒸煮液的方法是將預(yù)處理后的玉米芯或棉籽殼等農(nóng)林廢棄物原料加入至反應(yīng)裝置中，添加5-20倍于固料干重的水；在初始pH為4. 5-6. 0 ； 160-180°C的條件下高溫蒸煮l_3h ；攪拌轉(zhuǎn)速為80_150rpm ；工作壓力為 0. 6-1. 2MPa。此工序中，半纖維素是在微酸偏中性的環(huán)境下被高溫水解為木糖。本發(fā)明中，利用高溫蒸煮工藝水解棉籽殼等農(nóng)林廢棄物原料生產(chǎn)低聚木糖蒸煮液中低聚木糖得率為0. 15-0. 17g/g，生產(chǎn)木糖蒸煮液中木糖得率為0. 20-0. 22g/g。兩種高溫蒸煮水解過程完畢后，趁熱收集排出的蒸汽至蒸汽儲罐，可以為浸泡處理工藝或其他需熱工藝提供熱能。此工序同時能除去蒸煮液中一部分易揮發(fā)性的雜質(zhì)，如糠醛、苯酚、乙酸，也使蒸煮液進行了一定程度的濃縮。冷卻后收集出來的蒸煮液(含水解渣)進行下一步的中和處理。步驟(3)利用石灰乳對上述高溫蒸煮低聚木糖液進行過中和處理至pH在 8. 0-9.0，之后再用磷酸或鹽酸回調(diào)pH至6.0，板框過濾得上清液?；蛘咛妓徕}對(2)得到的上述高溫蒸煮木糖液進行中和處理調(diào)PH至6. 0-7. 0，并板框過濾得上清液；本發(fā)明利用石灰乳高溫蒸煮低聚木糖液進行過中和處理，調(diào)節(jié)蒸煮混合液至pH在8. 0-9. 0，之后再用磷酸或鹽酸回調(diào)pH至6. 0左右。采取過中和處理蒸煮混合物也可除去高溫蒸煮低聚木糖液中存在的部分影響酶液酶解效率的抑制物。由于低聚木糖蒸煮液中存在少量糠醛、苯酚、乙酸、色素等有機毒素和金屬離子，對下一步黑曲霉所產(chǎn)粗酶液進行酶解獲得木糖液會有較大的影響。因此本發(fā)明先采用石灰乳過中和低聚木糖高溫蒸煮液至pH在8. 0-9.0，此時不僅能完全中和蒸煮液中的酸，而且產(chǎn)生的硫酸鈣絮狀沉淀能有效脫除低聚木糖液中的雜質(zhì)，以實現(xiàn)酶解效率的提高。之后再用磷酸或鹽酸回調(diào)pH至6. 0左右，為黑曲霉所產(chǎn)酶液在酶解時提供適宜的PH環(huán)境。經(jīng)過此中和處理后低聚木糖蒸煮液在酶解過程中的木糖得率能夠提高至80%以上，達到生產(chǎn)木糖液的要求。本發(fā)明利用碳酸鈣對高溫蒸煮木糖液進行中和處理，調(diào)節(jié)蒸煮混合液至pH在 6. 0-7. 0。該方法不僅有利于后期純化濃縮處理適宜的pH環(huán)境，生成的硫酸鈣絮狀沉淀也可除去蒸煮液中存在的雜質(zhì)。采用板框過濾器將高溫蒸煮后的棉籽殼廢渣以及中和所產(chǎn)生的沉淀物一并濾去， 獲得上清液即為中和處理后的蒸煮液。具體方法為由供料泵將中和后的蒸煮混合物壓入濾室，過濾完成后集中排出，然后加入30-50°C水2L，對固體進行洗滌，重復(fù)洗滌2次。經(jīng)過中和處理后的低聚木糖蒸煮液，加入黑曲霉優(yōu)選黑曲霉2349所產(chǎn)生的粗酶液對蒸煮液中的低聚木糖進行酶解生產(chǎn)木糖，以得到木糖酶解液。此工藝耗能相對更少， 并使得高溫蒸煮液中未降解完全的低聚木糖進一步酶解得到木糖，提高了原料生產(chǎn)木糖得率。此過程所使用的粗酶液為自制，節(jié)約了經(jīng)濟成本和環(huán)境成本。采用高產(chǎn)木聚糖酶和木糖苷酶的黑曲霉2349所產(chǎn)的粗酶液對(3)處理后的低聚木糖蒸煮液進行酶解得到木糖酶解液。搖瓶種子培養(yǎng)基查氏培養(yǎng)基(硝酸鈉3g，磷酸氫二鉀lg，硫酸鎂0. 5g,氯化鉀0. 5g，硫酸亞鐵0. Olg，蔗糖30g蒸餾水1000ml)，115°C滅菌 30min,接入黑曲霉2349，在28_30°C的條件下培養(yǎng)3_4天至種子培養(yǎng)基中的黑曲霉長有孢子狀形態(tài)為宜。產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)基為蔗糖2. 4g，MgSO4 0. 12g，K2HPO4 0. 12g，KH2PO4 0. 24g， FeSO4O. 0012g, NaNO3 0. 012g，用100ml水溶解，與玉米芯與麩皮的混合物混合均勻，玉米芯與麩皮的混合物共計100g，玉米芯與麩皮質(zhì)量比為3 7-7 3，在115°C的條件下滅菌 30min。在無菌操作的條件下，在IOOg發(fā)酵培養(yǎng)基中加入具有孢子狀形態(tài)的黑曲霉種子液 10-15ml，添加無菌水30-90ml，采取固態(tài)發(fā)酵的方式，在30°C的條件下培養(yǎng)3-4天。產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)結(jié)束后，在28-30°C的條件下，加入250ml水振蕩提取固體培養(yǎng)物l_2h，離心收集上清液即為粗酶液。將粗酶液加入到低聚木糖蒸煮液中，酶解條件為溫度40-50°C，pH = 5.0-5.5。100ml蒸煮液中加酶量5-10ml，蒸煮液中的低聚木糖濃度為1.5%，經(jīng)過酶解1_2 天后得到木糖酶解液。步驟(4)加入微生物除去木糖液中的包括葡萄糖和半乳糖的雜糖，而不代謝木糖液中的木糖和L-阿拉伯糖有效成分，以脫除影響木糖和L-阿拉伯糖二者分離結(jié)晶的雜糖的干擾。本發(fā)明在利用微生物發(fā)酵法進行處理時所用的菌種為大腸桿菌、釀酒酵母的至少一種，優(yōu)選安琪酵母；發(fā)酵所需氮源為酵母膏、酵母粉、玉米漿、玉米漿干粉、大豆餅粉、硫酸銨、尿素中的至少一種，優(yōu)選酵母粉或玉米漿干粉。木糖液經(jīng)過MVR機械再壓縮高效蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮至總糖濃度為100-200g/L后，加入上述氮源充分溶解，得到的氮源濃度為10_20g/L，配制成發(fā)酵培養(yǎng)基。在葡萄糖濃度為 20-30g/L，酵母膏濃度為5-10g/L的活化培養(yǎng)基中加入安琪酵母菌株，使得其初始濃度為l-2g/L，于30°C的搖床中，以200-300rpm的轉(zhuǎn)速活化2-4h，離心15min棄上清液，下部細(xì)胞用蒸餾水洗滌后再次離心lOmin，收集細(xì)胞泥。在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加酵母泥10-20g/L于發(fā)酵罐中，發(fā)酵溫度25-35°C，發(fā)酵轉(zhuǎn)速200rpm，通氣量1-1. δνΡπΓ1，發(fā)酵體積16L，進行發(fā)酵， 發(fā)酵時間為6-12h。本發(fā)明中步驟(5)為經(jīng)過安琪酵母處理后的木糖液，采取離心的方式除去處理液 (4)中的菌體和不溶性物質(zhì)，得到木糖處理液。分離出的菌體細(xì)胞加入新鮮無菌的活化培養(yǎng)基后，經(jīng)過步驟中的活化培養(yǎng)過程，轉(zhuǎn)入下一批發(fā)酵培養(yǎng)基中重復(fù)利用，多批式循環(huán)往復(fù)，直至細(xì)胞衰亡。得到的木糖處理液采用活性炭或者大孔吸附樹脂或者兩者結(jié)合的方式對其進行純化處理。粉末活性炭擁有的巨大活性表面，吸附雜質(zhì)和色素，然后通過過濾將吸附的雜質(zhì)連同活性炭一并去除，達到糖液精制的目的?；钚蕴课诫s質(zhì)的過程屬物理吸附，活性炭吸附有機物的能力遠(yuǎn)大于吸附無機鹽類，吸附大分子有機色素的能力遠(yuǎn)大于吸附小分子有機色素的能力。離子交換糖液通過陽離子交換和陰離子交換后，糖液中的雜質(zhì)陽離子和雜質(zhì)陰離子都被吸附到離子交換樹脂上被去除，這些雜質(zhì)離子為糖液中硫酸、有機酸和灰分等雜質(zhì)的組成部分。從樹脂上交換入糖液的氫離子和氫氧根離子則結(jié)合為水?；钚蕴刻幚淼钠渲幸环N方式是，向水解液中按照與木糖質(zhì)量比為10-30%的比例加入活性炭，在30-90°C 下緩慢攪拌，吸附蒸煮液體中的色素、含氮物、有機物和膠體，脫色20min到2h?；钚蕴刻幚砗蟮哪咎且航?jīng)過板框過濾的方式除去活性炭部分，得到無色澄清的木糖水解液即為活性炭處理后的木糖液?；钚蕴刻幚砗蟮哪咎且翰捎藐庩栯x子樹脂交換的處理方式除去木糖液中的離子，采用的陽離子交換樹脂牌號是732，為強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，交換容量為 4. 5Mmol/g ；采用的陰離子交換樹脂牌號是D201為強堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂，交換容量為3. 7Mmol/g。732強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂和D201強堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂先后串聯(lián)對水解液進行脫鹽處理。樹脂柱徑高比為1 4-5，樹脂柱的材質(zhì)為玻璃鋼或碳鋼塑料，進料量為每小時1. 2-1. 6個柱體積，工作溫度為室溫，在線監(jiān)測出料料液的電導(dǎo)值，保證出料料液的電導(dǎo)率< 50 μ s/cm。長期的使用使離子交換能力降低甚至失去，需根據(jù)情況對樹脂進行活化處理。活化方法可根據(jù)污染情況和條件而定，一般陽樹脂在軟化中易受狗3+污染，可用鹽酸浸泡后逐步稀釋。陰樹脂易受有機物污染，可用10^^(:1+2-5% NaOH混合溶液浸泡或淋洗。步驟(6)對( 得到的純化后的木糖液進行一定的濃縮處理得到的木糖液中的木糖含量為700-800g/L。木糖液的濃縮處理工藝分為膜濃縮和MVR機械再壓縮濃縮工藝中的其中一種或者兩兩結(jié)合使用。膜濃縮工序包括超濾、納濾、反滲透三道工序。超濾是通過中空纖維超濾裝置除去蒸煮液中大分子的雜質(zhì)如蛋白質(zhì)，色素等。納濾濃縮是利用合適的納濾膜對蒸煮液進行選擇性濃縮同時還兼具部分脫鹽的效果，以減輕后序離子交換的負(fù)擔(dān)。從能耗方面考慮，工藝上蒸發(fā)濃縮能耗很大，大量的能耗也帶來環(huán)境污染，納濾濃縮可以大大降低蒸發(fā)的能耗，縮短蒸發(fā)的時間，提高產(chǎn)品品質(zhì)。反滲透是對納濾透過液進行脫鹽回收，以得到純水回復(fù)利用，從而節(jié)省水資源。采用MVR機械再壓縮高效蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮工藝高溫蒸煮液。整套設(shè)備節(jié)能效果出眾，除開車啟動外，整個蒸發(fā)過程中無需生蒸汽。首先低溫位的蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮，溫度、壓力提高，熱焓增加，然后進入換熱器冷凝，以充分利用蒸汽的潛熱。工藝首先將高溫蒸煮液泵入至降膜蒸發(fā)器里，通過物料循環(huán)泵在加熱管內(nèi)循環(huán)。 初始蒸汽用新鮮蒸汽在管外給熱，將溶液加熱沸騰產(chǎn)生二次汽，產(chǎn)生的二次汽由渦輪增壓風(fēng)機吸入，經(jīng)增壓后，二次汽溫度提高，作為加熱熱源進入加熱室循環(huán)蒸發(fā)。正常啟動后，渦輪壓縮機將二次蒸汽吸入，經(jīng)增壓后變?yōu)榧訜嵴羝?，就這樣源源不斷進行循環(huán)蒸發(fā)。蒸發(fā)出的水分最終變成冷凝水排出。步驟(7)將(6)處理后的木糖濃縮液，采用梯度程序降溫結(jié)晶的方式得到木糖產(chǎn)品和木糖結(jié)晶母液；將濃縮至總糖濃度為700-800g/L的木糖液，采用梯度程序降溫的方式結(jié)晶出木糖晶體，同時得到木糖結(jié)晶母液。梯度程序降溫的方式采取初始溫度為60-80°C， 終止溫度為20-30°C，降溫采取每小時0. 5-2°C的方式，在45-55°C時加入固含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 的商品木糖作為晶種，并在終止溫度下養(yǎng)晶12-24h。由于木糖液之前經(jīng)過了微生物處理，去除了葡萄糖、半乳糖等雜糖對后期產(chǎn)品結(jié)晶的干擾，其結(jié)晶收率與傳統(tǒng)的含有葡萄糖、半乳糖等雜糖的產(chǎn)品結(jié)晶收率相比提高了近10%，達到了 70%左右，晶體的純度大于99%。結(jié)晶過程結(jié)束后經(jīng)離心分離，獲得木糖母液，晶體用乙醇洗滌后干燥得到結(jié)晶木糖產(chǎn)品。所述步驟⑶中利用的色譜系統(tǒng)分離木糖母液中木糖和L-阿拉伯糖，得到木糖相和L-阿拉伯糖相的方法選用自動化程度高的裝填有鈣型、鉛型或鈉型的陽離子交換樹脂的模擬移動床色譜來分離。由于模擬移動床色譜分離技術(shù)對木糖結(jié)晶母液進行木糖與L-阿拉伯糖的分離，整個工藝自動化程度高，操作簡單，大大節(jié)約了樹脂的用量，減少了污染。將步驟(7)得到的木糖結(jié)晶母液進入裝有20根2. 5*50cm的柱子，填充了鈣型陽離子樹脂為吸附劑的模擬移動床色譜系統(tǒng)，進行色譜分離。分離溫度60-85°C，木糖母液進料進料速率300-500mL/h，純水洗提速率l_2L/h。系統(tǒng)平衡后收集木糖和L-阿拉伯糖兩相液體，兩相的純度都在95%以上，回復(fù)收率為90%以上；經(jīng)模擬移動床色譜系統(tǒng)分離后，得到木糖相和L-阿拉伯糖相兩相液體。所述步驟(9)將⑶得到的木糖相返回至步驟(6)與木糖純化液合并濃縮，采取梯度程序降溫的方式進行結(jié)晶，得到木糖晶體以及木糖母液，木糖母液與步驟(7)中的木糖母液合并，進入至色譜分離系統(tǒng)分離，重復(fù)步驟(8)；將(8)得到的L-阿拉伯糖相經(jīng)濃縮、結(jié)晶得L-阿拉伯糖產(chǎn)品以及L-阿拉伯糖母液，L-阿拉伯糖母液回復(fù)利用。本發(fā)明的優(yōu)勢1、本發(fā)明方法以農(nóng)林廢棄物為原料，經(jīng)過簡單實用的預(yù)處理工藝結(jié)合先進清潔高效的高溫蒸煮或者蒸煮結(jié)合酶解的方法，對農(nóng)林廢棄物原料生產(chǎn)木糖水解液的工藝替代傳統(tǒng)酸水解工藝，整個生產(chǎn)工藝操作簡單安全，對設(shè)備的腐蝕性小，避免了傳統(tǒng)水解工藝中大量酸、堿的消耗，而且處理后得到的體系無需中和且無廢渣產(chǎn)生，在水解過程中的污水的排放量得到了大幅度減少，每生產(chǎn)1噸木糖污水排放量小于50噸。與傳統(tǒng)的硫酸法制得的木糖水解液相比含鹽量降低了 80%。本發(fā)明得到的兩種水解液經(jīng)微生物和純化處理后，木糖和L-阿拉伯糖產(chǎn)品的結(jié)晶收率和純度有了很大的提高，同時得到的木糖母液中也只含有木糖、L-阿拉伯糖和極少量的雜糖更利于后期的利用和分離，避免了原料的浪費，使原料得到了更充分和科學(xué)的利用。本發(fā)明生產(chǎn)所用原料來源廣泛，生產(chǎn)工藝緊湊易于操作，可以同時獲得的產(chǎn)品附加值高木糖和L-阿拉伯糖兩種產(chǎn)品，整個生產(chǎn)工藝既清潔高效，又具有可持續(xù)性，符合生物煉制的觀念。
2、本發(fā)明通過選取特定的微生物菌種，特異性的消耗經(jīng)純化處理后的木糖液，去除其影響后期木糖和L-阿拉伯糖純化結(jié)晶過程的雜糖如葡萄糖、半乳糖等，同時不損失木糖和L-阿拉伯糖，便于后期的分離制取。有效的改進和避免了舊工藝中由于木糖母液內(nèi)的雜糖濃度過高，滲透壓過大，對于菌體生長以及去除葡萄糖等雜糖的影響較大，發(fā)酵過程中還需要將母液大量稀釋，加重了處理負(fù)荷的弊端。因此本發(fā)明采取在木糖結(jié)晶之前利用酵母處理木糖水解液中的葡萄糖等雜糖。由于木糖水解液中糖濃度較低，滲透壓合適，酵母能充分消耗其中的葡萄糖等雜糖進行生長，因此葡萄糖和半乳糖等雜糖的去除率高。木糖液經(jīng)過了微生物處理，得到的木糖液中也只含有木糖、L-阿拉伯糖和極少量的雜糖，避免了葡萄糖、半乳糖等雜糖對后期木糖和L-阿拉伯糖產(chǎn)品結(jié)晶的干擾，使后期木糖和L-阿拉伯糖的結(jié)晶收率和純度有了很大的提高。與傳統(tǒng)的不去除葡萄糖、半乳糖等雜糖的水解液結(jié)晶木糖的收率相比提高了近10個百分點，達到了 70%左右，木糖晶體的純度大于99%。3、由于前期水解液中的雜糖得到了有效的去除，木糖結(jié)晶母液中只含有木糖、 L-阿拉伯糖和極少量的其他糖，木糖、L-阿拉伯糖有效成分的純度與不采取微生物法處理相比得到了明顯的上升，木糖母液可以更加有效的用于后期的回復(fù)利用，使原料得到了更充分和科學(xué)的利用，大幅提高了木糖母液的利用價值。結(jié)合模擬移動床色譜分離技術(shù)對木糖結(jié)晶母液進行木糖與L-阿拉伯糖的分離，整個工藝自動化程度高，操作簡單，大大節(jié)約了樹脂的用量，減少了污染。由于混合液中兩種產(chǎn)品的純度高，大幅提高了產(chǎn)品的分離效果和收率。從木糖母液中提取出的具有高附加值的L-阿拉伯糖產(chǎn)品，有效降低了 L-阿拉伯糖原料的生產(chǎn)成本，大幅縮減了整個工藝的成本，避免了原料的浪費，大幅提高了經(jīng)濟價值。4、濃縮過程能耗高、污水排放量大等問題，本發(fā)明開發(fā)出了一套新型的濃縮精餾工藝-MVR機械再壓縮蒸發(fā)工藝，實現(xiàn)廢水的零排放和高收率。MVR是重新利用它自身產(chǎn)生的二次蒸汽的能量，從而減少對外界能源的需求的一項技術(shù)。其工作過程是低溫位的蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮，溫度、壓力提高，熱焓增加，然后進入換熱器冷凝，以充分利用蒸汽的潛熱。 除開啟起動外，整個蒸發(fā)過程中無需生蒸汽，節(jié)能環(huán)保。本發(fā)明采用的MVR機械再壓縮蒸發(fā)工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多效蒸發(fā)濃縮處理工藝，可實現(xiàn)水的重復(fù)利用和能耗的大幅降低，蒸發(fā)每噸水僅需耗電20度，能耗降低了 80%以上。同時該技術(shù)的應(yīng)用具有低運行費用、運行平穩(wěn)和自動化程度高的特點。5、本發(fā)明生產(chǎn)所用原料來源廣泛，生產(chǎn)工藝緊湊、易于操作，可以同時獲得木糖和 L-阿拉伯糖兩種高附加值產(chǎn)品，極大的提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值。有效解決現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)木糖過程中存在的高污染，高能耗，回收率不高和生產(chǎn)成本較大的問題。整個生產(chǎn)工藝既清潔高效，又具有可持續(xù)性，符合生物煉制的觀念，同時生產(chǎn)成本控制在生產(chǎn)價值的60-70%以內(nèi)， 具有較大的應(yīng)用價值。


本發(fā)明流程圖。
具體實施例方式實施例1(1)預(yù)處理結(jié)合高溫蒸煮或者蒸煮結(jié)合酶解制備木糖液的方法
選擇農(nóng)林廢棄物棉籽殼為原料。棉籽殼前處理包括原料的粉碎、除塵、水洗的三道工序。首先將收購得到的棉籽殼在粉碎機內(nèi)進行粉碎并篩至目數(shù)為10目的固體顆粒。然后將棉籽殼顆粒中的雜質(zhì)及表面層泥沙塵土等進行除塵處理，以減輕后工序負(fù)擔(dān)。最后將除塵處理后的棉籽殼等農(nóng)林廢棄物顆粒進行水洗除去其纖維中部分的蛋白質(zhì)、色素、果膠質(zhì)、 灰份，單寧茶類等雜質(zhì)。前處理的三步工序是提高后期產(chǎn)品的質(zhì)量，降低成本的重要措施。經(jīng)過前處理后的棉籽殼進行預(yù)處理。預(yù)處理工藝選擇操作容易、工藝簡單的浸泡法來處理，預(yù)處理棉籽殼所使用的浸泡液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 稀硫酸，所用浸液與原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為5 1，浸泡溫度為60°C，浸泡時間為6h。浸泡結(jié)束后，經(jīng)過板框過濾的方式，對浸泡體系進行固液分離得到預(yù)處理后的原料與浸泡液，浸泡液回復(fù)利用，分離出的預(yù)處理后的原料通過水洗的方式調(diào)節(jié)原料自身PH值至接近中性。(2)高溫蒸煮法生產(chǎn)以木糖為主的高溫蒸煮木糖液經(jīng)過前處理和預(yù)處理后的顆粒棉籽殼3Kg (干重)加入高溫反應(yīng)釜內(nèi)，其中高溫不銹鋼反應(yīng)釜，容量50L，添加10倍于固料干重的水。錨式可調(diào)轉(zhuǎn)速攪拌，電加熱，冷卻。密閉高壓加熱，溫度設(shè)定為165°C，70rpm攪拌，工作壓力為1. OMPa左右，并維持在165°C下濁， 控制升溫和降溫的時間在0.證之內(nèi)。蒸煮水解完畢后，高溫蒸汽從高溫管路中排出至儲罐；蒸煮液中木糖的產(chǎn)率為0. 20-0. 22g/g，低聚木糖產(chǎn)率為0. 03-0. 04g/g，葡萄糖產(chǎn)率為 0. 02-0. 3g/g和L-阿拉伯糖產(chǎn)率為0. 01-0. 02g/g(以棉籽殼干重計)。利用碳酸鈣對高溫蒸煮木糖液進行中和處理，調(diào)節(jié)蒸煮混合液至pH在6. 0，該方法不僅有利于后期純化濃縮處理適宜的PH環(huán)境，生成的硫酸鈣絮狀沉淀也可除去蒸煮液中存在的雜質(zhì)。采用板框過濾器將高溫蒸煮后的棉籽殼廢渣以及中和所產(chǎn)生的沉淀物一并濾去，獲得上清液即為中和處理后的木糖液。具體方法為由供料泵將中和后的蒸煮混合物壓入濾室，過濾完成后集中排出，然后加入50°C水5L，對固體進行洗滌，重復(fù)洗滌2次，收集濾液得到木糖液。(3)木糖液的純化與濃縮處理木糖液經(jīng)過MVR機械再壓縮高效蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮至總糖濃度為120g/l。此時加入 12g/l玉米漿干粉配置成發(fā)酵培養(yǎng)基，打入到20L發(fā)酵罐中待用。在葡萄糖濃度為20g/L， 酵母膏濃度為5g/L的培養(yǎng)基中加入安琪酵母，使得其初始濃度為lg/L，于30°C的搖床中， 以200rpm的轉(zhuǎn)速活化2h，離心15min棄上清液，下部酵母用蒸餾水洗滌后再次離心lOmin， 收集酵母泥。在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加酵母泥20g/L于發(fā)酵罐中，發(fā)酵溫度30°C，發(fā)酵轉(zhuǎn)速200rpm， 通氣量ΙνΡπΓ1，發(fā)酵體積16L，進行發(fā)酵。發(fā)酵期間定時取樣HPLC分析其中各個糖組分的含量，當(dāng)發(fā)酵他以后，發(fā)酵液中只含有木糖、L-阿拉伯糖和葡萄糖代謝生產(chǎn)的乙醇，葡萄糖等雜糖的去除率在98%以上，此時停止發(fā)酵。經(jīng)過釀酒酵母ATCC9080處理后的木糖液，采取離心的方式除去處理液中的菌體和不溶性物質(zhì)，得到木糖處理液，分離出的菌體細(xì)胞加入新鮮無菌的活化培養(yǎng)基后，經(jīng)過上述的活化培養(yǎng)過程，轉(zhuǎn)入下一批發(fā)酵培養(yǎng)基中重復(fù)利用，多批式循環(huán)往復(fù)，直至細(xì)胞衰亡。將65L木糖處理液(木糖20_22g/l，L-阿拉伯糖2_3g/l)打入到IOOL的脫色罐中，向水解液中按照與木糖質(zhì)量比為15%的比例加入活性炭，在60°C下緩慢攪拌脫色lh， 吸附蒸煮液體中的色素、含氮物、有機物和膠體?；钚蕴刻幚砗蟮哪咎且航?jīng)過板框過濾的方式除去活性炭部分，得到無色澄清的木糖水解液即為活性炭處理后的木糖液。活性炭處理后的木糖液采用陰陽離子樹脂交換的處理方式除去木糖液中的離子。 將木糖液通過001*7型陽離子交換樹脂串聯(lián)201*7型陰離子交換樹脂，在流速lL/h，室溫的條件下，在線監(jiān)測出料料液的電導(dǎo)值，保證出料料液的電導(dǎo)率< 50 μ s/cm。經(jīng)過活性炭和離子交換樹脂純化后的木糖液，采取MVR機械再壓縮高效蒸發(fā)的方式進行濃縮處理，至木糖液中的總糖濃度為800g/L。(4)木糖與L-阿拉伯糖的分離與結(jié)晶工藝木糖液經(jīng)純化與濃縮后，其初始總糖質(zhì)量濃度為800g/L，此時水解液中含有木糖的質(zhì)量濃度為720g/L，含有L-阿拉伯糖的質(zhì)量濃度為80g/L。進行木糖的結(jié)晶方式采取的是梯度程序降溫的方法，初始溫度為70°C，按照2V / h的降溫速率冷卻結(jié)晶，待溫度降至50°C時，加入0. 25%的晶種，晶種育晶Ih后，接著按著 1. 5°C /h的降溫速率繼續(xù)冷卻結(jié)晶，降溫至20°C左右，養(yǎng)晶6h，將析出的木糖晶體取出后離心將上清液與木糖液濃縮前部分合并，重復(fù)上述濃縮結(jié)晶過程，離心得到的固體相用無水乙醇沖洗2次，然后再45°C烘箱內(nèi)烘干得到木糖結(jié)晶產(chǎn)品。結(jié)晶結(jié)束后獲得木糖晶體和木糖結(jié)晶母液，其中木糖產(chǎn)品的純度為99%以上，結(jié)晶產(chǎn)率為67%。木糖結(jié)晶母液中含有 210g/L的木糖和73g/L的L-阿拉伯糖。將上述獲得的木糖結(jié)晶母液進入裝有20根2. 5*50cm的柱子，填充了鈣型陽離子樹脂為吸附劑的模擬移動床色譜系統(tǒng)，進行色譜分離。分離溫度65°C，進料速率200mL/h， 純水洗提速率1. 2L/h。系統(tǒng)平衡后收集木糖和L-阿拉伯糖兩相液體，兩相的純度都在95% 以上，回復(fù)收率為98%以上。將模擬移動床分離得到的L-阿拉伯糖相在80°C下采用MVR機械再壓縮高效蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮至L-阿拉伯糖濃度為800g/L，然后按照2. 5°C /h的降溫速率冷卻結(jié)晶，待溫度降至50°C時，加入0. 25%的晶種，晶種育晶Ih后，接著按著1. 5°C /h的降溫速率繼續(xù)冷卻結(jié)晶，降溫至20°C左右，養(yǎng)晶他，將析出的L-阿拉伯糖晶體取出后離心將上清液與色譜系統(tǒng)分離出的L-阿拉伯糖相合并，重復(fù)上述濃縮結(jié)晶過程，離心得到的固體相用無水乙醇沖洗 2次，然后再45°C烘箱內(nèi)烘干，L-阿拉伯糖結(jié)晶產(chǎn)率為68%，純度為99%以上。將木糖母液分離得到的木糖相返回合并于第四步初始的木糖液，采用MVR機械再壓縮高效蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮至木糖濃度為800g/L，重復(fù)木糖結(jié)晶步驟，獲得木糖晶體和木糖結(jié)晶母液，木糖結(jié)晶產(chǎn)率為60%，純度為99%以上，此步獲得的木糖母液與第四步初始的木糖結(jié)晶獲得的木糖母液混合后進入模擬移動床分離體系得到木糖相和L-阿拉伯糖相，以此反復(fù)。實施例2(1)預(yù)處理結(jié)合高溫蒸煮或者蒸煮結(jié)合酶解制備木糖液的方法選擇農(nóng)林廢棄物棉籽殼為原料。棉籽殼前處理包括原料的粉碎、除塵、水洗的三道工序。首先將收購得到的棉籽殼在粉碎機內(nèi)進行粉碎并篩至目數(shù)為20目的固體顆粒。然后將棉籽殼顆粒中的雜質(zhì)及表面層泥沙塵土等進行除塵處理，以減輕后工序負(fù)擔(dān)。最后將除塵處理后的棉籽殼等農(nóng)林廢棄物顆粒進行水洗除去其纖維中部分的蛋白質(zhì)、色素、果膠質(zhì)、 灰份，單寧茶類等雜質(zhì)。前處理的三步工序是提高后期產(chǎn)品的質(zhì)量，降低成本的重要措施。經(jīng)過前處理后的棉籽殼進行預(yù)處理。預(yù)處理工藝選擇操作容易、工藝簡單的浸泡法來處理，預(yù)處理棉籽殼所使用的浸泡液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 25%稀硫酸，所用浸液與原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為6 1，浸泡溫度為30°C，浸泡時間為Mh。浸泡結(jié)束后，經(jīng)過板框過濾的方式，對浸泡體系進行固液分離得到預(yù)處理后的原料與浸泡液，浸泡液回復(fù)利用，分離出的預(yù)處理后的原料通過水洗的方式調(diào)節(jié)原料自身PH值至接近中性。(2)高溫蒸煮法生產(chǎn)高溫蒸煮低聚木糖液結(jié)合酶解制備木糖液經(jīng)過前處理和預(yù)處理后的顆粒棉籽殼4. ^(g (干重)加入高溫反應(yīng)釜內(nèi)，其中高溫不銹鋼反應(yīng)釜，容量50L，添加8倍于固料干重的水。錨式可調(diào)轉(zhuǎn)速攪拌，電加熱，冷卻。 密閉高壓加熱，溫度設(shè)定為155°C，70rpm攪拌，工作壓力為0. 8MPa左右，并維持在155°C下 lh，控制升溫和降溫的時間在0. 之內(nèi)。蒸煮水解完畢后，高溫蒸汽從高溫管路中排出至儲罐；蒸煮液中低聚木糖的產(chǎn)率為0. 14g/g，木糖產(chǎn)率為0. 06g/gl，葡萄糖產(chǎn)率為0. 021g/g 和L-阿拉伯糖產(chǎn)率為0. 013g/g(以棉籽殼干重計)。本發(fā)明利用石灰乳高溫蒸煮低聚木糖液進行過中和處理，調(diào)節(jié)蒸煮混合液至pH 在8. 5，此時不僅能完全中和蒸煮液中的酸，而且產(chǎn)生的硫酸鈣絮狀沉淀能有效脫除低聚木糖液中的雜質(zhì)，以實現(xiàn)酶解效率的提高。之后再用磷酸或鹽酸回調(diào)pH至6. 0左右，為黑曲霉所產(chǎn)酶液在酶解時提供適宜的PH環(huán)境。經(jīng)過此中和處理后低聚木糖蒸煮液在酶解過程中的木糖得率能夠提高至80%以上，達到生產(chǎn)木糖液的要求。采用板框過濾器將高溫蒸煮后的棉籽殼廢渣以及中和所產(chǎn)生的沉淀物一并濾去，獲得上清液即為中和處理后的低聚木糖蒸煮液。具體方法為由供料泵將中和后的蒸煮混合物壓入濾室，過濾完成后集中排出， 然后加入50°C水5L，對固體進行洗滌，重復(fù)洗滌2次，收集濾液得到低聚木糖蒸煮液。采用高產(chǎn)木聚糖酶和木糖苷酶的黑曲霉2349(購于中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心)所產(chǎn)的粗酶液對( 處理后的低聚木糖蒸煮液進行酶解得到木糖酶解液。搖瓶種子培養(yǎng)基查氏培養(yǎng)基，115°C滅菌30min，接入黑曲霉2349，在的條件下培養(yǎng)4天至種子培養(yǎng)基中的黑曲霉長有孢子狀形態(tài)為宜。產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)基為蔗糖2. 4g，MgSO4 0. 12g, K2HPO4 0. 12g, KH2PO4O. 24g, FeSO4 0. 0012g, NaNO3 0. 012g，用 100ml 水溶解后與玉米芯與麩皮的混合物混合均勻，玉米芯與麩皮的混合物共計100g，玉米芯與麩皮質(zhì)量比為6 4， 在115°C的條件下滅菌30min。在無菌操作的條件下，在IOOg發(fā)酵培養(yǎng)基中加入具有孢子狀形態(tài)的黑曲霉種子液15ml，添加無菌水60ml，采取固態(tài)發(fā)酵的方式，在30°C的條件下培養(yǎng)4天。產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)結(jié)束后，在的條件下，加入250ml水振蕩提取固體培養(yǎng)物2h，離心收集上清液即為粗酶液。將粗酶液加入到低聚木糖蒸煮液中，酶解條件為溫度50°C，pH =5.5。IOOml蒸煮液中加酶量10ml，蒸煮液中的低聚木糖濃度為1. 5%，經(jīng)過酶解2天后， 80%以上的低聚木糖轉(zhuǎn)化為木糖，得到木糖液。(3)木糖液的純化與濃縮處理木糖液經(jīng)過MVR機械再壓縮高效蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮至總糖濃度為150g/l。此時加入 20g/l玉米漿干粉配置成發(fā)酵培養(yǎng)基，打入到20L發(fā)酵罐中待用。在葡萄糖濃度為30g/L， 酵母膏濃度為10g/L的培養(yǎng)基中加入安琪高活性干酵母，購于超市，安琪公司生產(chǎn)，使得其初始濃度為2g/L，于30°C的搖床中，以300rpm的轉(zhuǎn)速活化4h，離心15min棄上清液，下部酵母用蒸餾水洗滌后再次離心lOmin，收集酵母泥。 在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加酵母泥10g/L于發(fā)酵罐中，發(fā)酵溫度32°C，發(fā)酵轉(zhuǎn)速200rpm， 通氣量Ι.^ΡπΓ1，發(fā)酵體積16L，進行發(fā)酵。發(fā)酵期間定時取樣HPLC分析其中各個糖組分的含量，當(dāng)發(fā)酵12h以后，發(fā)酵液中只含有木糖、L-阿拉伯糖和葡萄糖代謝生產(chǎn)的乙醇，葡萄糖等雜糖的去除率在98%以上，此時停止發(fā)酵。經(jīng)過安琪高活性干酵母處理后的木糖液， 采取離心的方式除去處理液中的菌體和不溶性物質(zhì)，得到木糖處理液，分離出的菌體細(xì)胞加入新鮮無菌的活化培養(yǎng)基后，經(jīng)過上述的活化培養(yǎng)過程，轉(zhuǎn)入下一批發(fā)酵培養(yǎng)基中重復(fù)利用，多批式循環(huán)往復(fù)，直至細(xì)胞衰亡。將65L木糖處理液(木糖20_22g/l，L-阿拉伯糖2_3g/l)打入到100L的脫色罐中，向水解液中按照與木糖質(zhì)量比為25%的比例加入活性炭，在30°C下緩慢攪拌脫色 40min,吸附蒸煮液體中的色素、含氮物、有機物和膠體?；钚蕴刻幚砗蟮哪咎且航?jīng)過板框過濾的方式除去活性炭部分，得到無色澄清的木糖水解液即為活性炭處理后的木糖液?；钚蕴刻幚砗蟮哪咎且翰捎藐庩栯x子樹脂交換的處理方式除去木糖液中的離子。 將木糖液通過001*7型陽離子交換樹脂串聯(lián)201*7型陰離子交換樹脂，在流速lL/h，室溫的條件下，在線監(jiān)測出料料液的電導(dǎo)值，保證出料料液的電導(dǎo)率< 50 μ s/cm。經(jīng)過活性炭和離子交換樹脂純化后的木糖液，采取MVR機械再壓縮高效蒸發(fā)的方式進行濃縮處理，至木糖液中的總糖濃度為700g/L。(4)木糖與L-阿拉伯糖的分離與結(jié)晶工藝木糖液經(jīng)純化與濃縮后，其初始總糖質(zhì)量濃度為700g/L，此時水解液中含有木糖的質(zhì)量濃度為630g/L，含有L-阿拉伯糖的質(zhì)量濃度為70g/L。進行木糖的結(jié)晶方式采取的是梯度程序降溫的方法，初始溫度為80°C，按照3°C / h的降溫速率冷卻結(jié)晶，待溫度降至50°C時，加入0. 1 %的晶種，晶種育晶池后，接著按著 2°C /h的降溫速率繼續(xù)冷卻結(jié)晶，降溫至30°C左右，將析出的木糖晶體取出后離心將上清液與木糖液濃縮前部分合并，重復(fù)上述濃縮結(jié)晶過程，離心得到的固體相用無水乙醇沖洗2 次，然后再45°C烘箱內(nèi)烘干得到木糖結(jié)晶產(chǎn)品。結(jié)晶結(jié)束后獲得木糖晶體和木糖結(jié)晶母液， 其中木糖產(chǎn)品的純度為99%以上，結(jié)晶產(chǎn)率為65%。木糖結(jié)晶母液中含有200g/L的木糖和70g/L的L-阿拉伯糖。將上述獲得的木糖結(jié)晶母液進入裝有20根2. 5*50cm的柱子，填充了鉛型陽的離子樹脂為吸附劑的模擬移動床色譜系統(tǒng)，進行色譜分離。分離溫度65°C，進料速率150mL/ h，純水洗提速率1. OL/h。系統(tǒng)平衡后收集木糖和L-阿拉伯糖兩相液體，兩相的純度都在 95%以上，回復(fù)收率為98%以上。將所得的L-阿拉伯糖相在80°C下采用MVR機械再壓縮高效蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮至L-阿拉伯糖濃度為800g/L，然后按照3°C /h的降溫速率冷卻結(jié)晶，待溫度降至50°C時，加入 0. 的晶種，晶種育晶池后，接著按著2°c /h的降溫速率繼續(xù)冷卻結(jié)晶，降溫至30°C左右，將析出的L-阿拉伯糖晶體取出后離心將上清液與色譜系統(tǒng)分離出的L-阿拉伯糖相合并，重復(fù)上述濃縮結(jié)晶過程，離心得到的固體相用無水乙醇沖洗2次，然后再45°C烘箱內(nèi)烘干，L-阿拉伯糖結(jié)晶產(chǎn)率為65%，純度為99%以上。將木糖母液分離得到的木糖相返回合并于第四步初始的木糖液，采用MVR機械再壓縮高效蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮至木糖濃度為800g/L，重復(fù)木糖結(jié)晶步驟，獲得木糖晶體和木糖結(jié)晶母液，木糖結(jié)晶產(chǎn)率為60%，純度為99%以上，此步獲得的木糖母液與第四步初始的木糖結(jié)晶獲得的木糖母液混合后進入模擬移動床分離體系得到木糖相和L-阿拉伯糖相，以此反復(fù)。
權(quán)利要求
1. 一種清潔高效的制備木糖與L-阿拉伯糖的生產(chǎn)工藝，其特征在于，包括如下步驟(1)農(nóng)林廢棄物原料進行前處理和浸泡預(yù)處理；所述的農(nóng)林廢棄物原料包括玉米芯、 玉米秸稈、稻草秸稈、高梁秸稈、棉籽殼或甘蔗渣；前處理工藝包括原材料的粉碎、除塵、水洗三道工序；所述的浸泡預(yù)處理原材料所使用的浸泡液為稀硫酸、稀鹽酸或者稀草酸，稀硫酸、稀鹽酸或者稀草酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-0.5%，浸泡液與原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為4-8 1，浸泡的溫度為30-100°C，浸泡的時間為6-24h ；浸泡預(yù)處理結(jié)束后，固液分離得到預(yù)處理后的原料，分離出的預(yù)處理后的原料通過水洗的方式調(diào)節(jié)PH值至4. 5-6.0，浸泡液回復(fù)利用；(2)經(jīng)過(1)處理后的農(nóng)林廢棄物原料采取高溫蒸煮的方法水解半纖維素獲得高溫蒸煮木糖液或者高溫蒸煮低聚木糖液，具體如下；將預(yù)處理后的農(nóng)林廢棄物加入至反應(yīng)裝置中，添加5-20倍于固料干重的水；初始 pH為5. 0-6. 0 ； 1450C -155°C的條件下蒸煮0. 5_2h ；攪拌轉(zhuǎn)速為80_150rpm ；工作壓力為 0. 5-1. OMPa，獲得低聚木糖蒸煮液；或者將預(yù)處理后的玉米芯或棉籽殼等農(nóng)林廢棄物原料加入至反應(yīng)裝置中，添加5-20 倍于固料干重的水；在初始PH為4. 5-6. 0 ； 160-180°C的條件下高溫蒸煮l_3h ；攪拌轉(zhuǎn)速為 80-150rpm ；工作壓力為0. 6-1. 2MPa，獲得木糖蒸煮液；(3)利用石灰乳對上述高溫蒸煮低聚木糖液進行過中和處理至pH在8.0-9. 0，之后再用磷酸或鹽酸回調(diào)PH至6. 0，板框過濾得上清液；采用黑曲霉所產(chǎn)的粗酶液對(3)處理后的低聚木糖蒸煮液進行酶解得到木糖酶解液， 具體如下查氏培養(yǎng)基，115°C滅菌30min，接入黑曲霉，在28-30°C的條件下培養(yǎng)3_4天得到具有孢子狀形態(tài)的黑曲霉種子液；產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)蔗糖2. 4g，MgSO4 0. 12g，K2HPO4 0. 12g，KH2PO4 0. 24g，F(xiàn)eSO4 0. 0012g, NaNO3 0. 012g，用100ml水溶解，與玉米芯與麩皮的混合物混合均勻，玉米芯與麩皮的混合物共計100g，玉米芯與麩皮質(zhì)量比為3 7-7 3，在115°C的條件下滅菌30min得到發(fā)酵培養(yǎng)基；在無菌操作的條件下，在IOOg發(fā)酵培養(yǎng)基中加入具有孢子狀形態(tài)的黑曲霉種子液 10-15ml，添加無菌水30-90ml，采取固態(tài)發(fā)酵的方式，在30°C的條件下培養(yǎng)3_4天；產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)結(jié)束后，在28-30°C的條件下，加入250ml水振蕩提取固體培養(yǎng)物l_2h，離心收集上清液即為粗酶液；將粗酶液加入到低聚木糖蒸煮液中，酶解條件為溫度40-50°C，pH = 5. 0-5. 5 ；IOOml 蒸煮液中加酶量5-10ml，蒸煮液中的低聚木糖濃度為1.5%，經(jīng)過酶解1-2天后得到木糖液；或者利用碳酸鈣對(2)得到的上述高溫蒸煮木糖液進行中和處理調(diào)pH至6. 0-7.0，并板框過濾得上清液；(4)加入微生物除去木糖液中的包括葡萄糖和半乳糖的雜糖；所選微生物為大腸桿菌、釀酒酵母和安琪酵母的至少一種；發(fā)酵所需氮源為酵母膏、酵母粉、玉米漿、玉米漿干粉、大豆餅粉、硫酸銨、尿素中的至少一種；上述木糖液經(jīng)過濃縮至總糖濃度為100-200g/L后，加入上述氮源充分溶解，得到的氮源濃度為10_20g/L，配制成發(fā)酵培養(yǎng)基；在葡萄糖濃度為20-30g/L，酵母膏濃度為5-10g/L的活化培養(yǎng)基中加入大腸桿菌、釀酒酵母的至少一種，使得大腸桿菌、釀酒酵母和安琪酵母的至少一種的初始濃度為l_2g/L， 于30°C的搖床中，以200-300rpm的轉(zhuǎn)速活化2_4h，離心15min棄上清液，下部細(xì)胞用蒸餾水洗滌后再次離心lOmin，收集細(xì)胞泥；在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加細(xì)胞泥10_20g/L，發(fā)酵溫度25-35°C，發(fā)酵轉(zhuǎn)速200rpm，通氣量為 1-1. δνΡπ ιΓ1，進行發(fā)酵，發(fā)酵時間為6-12h ；(5)發(fā)酵后離心，然后活性炭或者吸附樹脂，或者兩者結(jié)合對木糖液進行純化處理；(6)木糖純化后進行濃縮處理；得到的木糖液中的木糖含量為700-800g/L；(7)采取梯度程序降溫結(jié)晶的方式得到木糖產(chǎn)品和木糖結(jié)晶母液；(8)將得到的木糖結(jié)晶母液經(jīng)色譜系統(tǒng)分離，得到木糖相和L-阿拉伯糖相；(9)將步驟(8)得到的木糖相返回至步驟(6)與木糖純化液合并濃縮，采取梯度程序降溫的方式進行結(jié)晶，得到木糖晶體以及木糖母液，木糖母液與步驟(7)中的木糖母液合并， 進入至色譜分離系統(tǒng)分離，重復(fù)步驟⑶；將⑶得到的L-阿拉伯糖相經(jīng)濃縮、結(jié)晶得L-阿拉伯糖產(chǎn)品以及L-阿拉伯糖母液，L-阿拉伯糖母液回復(fù)利用。
全文摘要
一種清潔高效的制備木糖與L-阿拉伯糖的生產(chǎn)工藝屬于農(nóng)林廢棄物應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明包括以下步驟對原料進行前處理和預(yù)處理，采取高溫蒸煮方式對原料進行水解，經(jīng)中和處理后離心分離固渣，得到木糖或低聚木糖水解液；低聚木糖液加入粗酶液水解得到木糖液；利用安琪酵母處理水解液，并采用活性炭和樹脂進行純化處理；純化后的水解液采用MVR機械再壓縮濃縮處理；濃縮液經(jīng)梯度程序降溫方式結(jié)晶獲得木糖產(chǎn)品和木糖母液；木糖母液經(jīng)過模擬移動床或者色譜分離技術(shù)進行分離，獲得木糖相和L-阿拉伯糖相；木糖相返回至木糖液一同濃縮結(jié)晶，木糖母液回復(fù)利用；L-阿拉伯糖相經(jīng)MVR濃縮處理后以梯度程序降溫方式結(jié)晶獲得L-阿拉伯糖產(chǎn)品，L-阿拉伯糖母液回復(fù)利用。
文檔編號C07H1/08GK102286571SQ20111016236
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者朱新濤, 王樂, 范曉光, 袁其朋 申請人:北京化工大學(xué)