一種生物轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素生產(chǎn)葡萄糖酸的方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物基化學(xué)品的生物制造和生物煉制領(lǐng)域，具體地說，是玉米秸桿等木質(zhì)纖維素原料經(jīng)過糖化與發(fā)酵生產(chǎn)高濃度葡萄糖酸的方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]葡萄糖酸及其鹽類具有無毒、熱穩(wěn)定性好和不易潮解等特點(diǎn)，在化工、食品、醫(yī)藥、輕工等行業(yè)有廣泛的用途。特別是在水泥外加劑方面，葡萄糖酸鈉可以作為減水劑和緩凝劑而被廣泛使用，并取得了良好的效果；在食品工業(yè)可用作營養(yǎng)增補(bǔ)劑、固化劑、緩沖劑等，現(xiàn)在人們已經(jīng)以葡萄糖酸鈉為原料開發(fā)出高呈味的新型調(diào)味品。此外，由于葡萄糖酸具有優(yōu)良的螯合性能還被廣泛用于水質(zhì)處理、電鍍、金屬與非金屬的表面清洗及水泥生產(chǎn)等多種工業(yè)部門。目前，葡萄糖酸的年需求量已經(jīng)超過50萬噸。
[0003]生產(chǎn)葡萄糖酸的方法主要有生物發(fā)酵法、均相化學(xué)氧化法、電解氧化法以及多相催化氧化法四種方法。均相化學(xué)氧化法的中間步驟多，副產(chǎn)物多，產(chǎn)物難于分離，而且成品中含有氯化鈉，使其在水泥外加劑方面的應(yīng)用受到了限制；電解氧化法在生產(chǎn)中能耗大且不易控制；多相催化氧化法需要使用昂貴的催化劑，導(dǎo)致葡萄糖酸的生產(chǎn)成本居高不下。而微生物發(fā)酵法由于發(fā)酵速度快、發(fā)酵過程易于控制、產(chǎn)品易提取、生產(chǎn)穩(wěn)定溫和、容易工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而成為當(dāng)前葡萄糖酸最主要的生產(chǎn)方法。
[0004]發(fā)酵生產(chǎn)葡萄糖酸的原料主要是葡萄糖、糖蜜及淀粉類物質(zhì)。而當(dāng)前的葡萄糖酸產(chǎn)量并不能滿足日益增加的對葡萄糖酸的需求，淀粉深加工企業(yè)的一味大規(guī)模擴(kuò)建勢必會(huì)嚴(yán)重影響到國家的糧食安全。因此，尋求價(jià)格低廉且來源廣泛的葡萄糖酸生產(chǎn)原料是葡萄糖酸行業(yè)健康發(fā)展所面臨的首要問題。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)林業(yè)廢棄物等木質(zhì)纖維素原料的產(chǎn)量巨大，但大部分都被低效的焚燒浪費(fèi)掉，不僅造成了巨大的資源浪費(fèi)，而且導(dǎo)致了比較嚴(yán)重的環(huán)境和交通問題。而利用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)葡萄糖酸，則可以有效解決葡萄糖酸行業(yè)的原料來源問題，同時(shí)可以有效緩解當(dāng)前的三農(nóng)問題，為農(nóng)業(yè)廢棄物的深加工提供新的出路。
[0005]生物轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)化學(xué)品，一般包括原料預(yù)處理、酶水解、發(fā)酵和產(chǎn)品分離等工序。木質(zhì)纖維素原料經(jīng)過預(yù)處理破壞了其致密結(jié)構(gòu)，促進(jìn)纖維素酶對纖維素的降解。但是，預(yù)處理過程產(chǎn)生有機(jī)酸類、醛類和酚類等抑制物。為了提高纖維素基質(zhì)的可發(fā)酵性，發(fā)酵之前必須降低或完全脫除其中的抑制物。但是以木質(zhì)纖維素為基質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)葡萄糖酸存在許多技術(shù)難點(diǎn)，目前有關(guān)利用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)葡萄糖酸的報(bào)道中采用的方法多為多相催化氧化法。采用這些方法生產(chǎn)葡萄糖酸的過程中，需要用到大量的硫酸、氫氧化鈉等化學(xué)品，而催化劑多為Na2Cu(OH)4和金/磷鎢雜多酸銫鹽，這種方法雖然轉(zhuǎn)化率高，但是所用催化劑在循環(huán)次數(shù)有限，單位產(chǎn)品的催化劑消耗量高，變相增加了葡萄糖酸產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。
[0006]本發(fā)明提供了以完全真實(shí)的木質(zhì)纖維素物料為基質(zhì)，采用發(fā)明人提出的預(yù)處理、糖化與發(fā)酵工藝生產(chǎn)高濃度葡萄糖酸?！?br/>【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007]本發(fā)明目的在于拓展工業(yè)用葡萄糖酸發(fā)酵的發(fā)酵基質(zhì)，使用價(jià)格低廉、資源豐富的木質(zhì)纖維素，提供一種以木質(zhì)纖維素為原料，通過糖化與發(fā)酵生產(chǎn)高濃度葡萄糖酸的方法。
[0008]本發(fā)明的構(gòu)思:以木質(zhì)纖維素為原料低成本高效生產(chǎn)葡萄糖酸，具體地說是首先進(jìn)行木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理，得到的原料進(jìn)行脫毒或者不脫毒，然后經(jīng)過以下兩種途徑生產(chǎn)葡萄糖酸:一、用纖維素酶酶解處理后的原料得到糖化液，然后接入葡萄糖酸生產(chǎn)菌株進(jìn)行葡萄糖酸發(fā)酵；二、將處理后的原料、纖維素酶和葡萄糖酸生產(chǎn)菌株同時(shí)加入反應(yīng)器中，通過同步糖化與發(fā)酵的方式生產(chǎn)葡萄糖酸。
[0009]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0010]一種生物轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素生產(chǎn)葡萄糖酸的方法，其特征在于，其具體步驟為:
[0011](I)木質(zhì)纖維素預(yù)處理:
[0012]木質(zhì)纖維素預(yù)處理包括稀酸預(yù)處理，蒸汽爆破，氨纖維爆破、液氨膨爆、亞硫酸鹽預(yù)處理、堿法預(yù)處理、機(jī)械磨碎預(yù)處理、生物預(yù)處理；優(yōu)選稀酸預(yù)處理方法，稀酸預(yù)處理是指稀硫酸溶液浸潤物料，然后在180?20(TC下維持I?lOmin，破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，從而有利于后續(xù)酶解過程。
[0013]所述的木質(zhì)纖維素原料包括玉米秸桿、小麥桿、稻草、棉花桿、能源植物、木頭、木屑、廢紙、農(nóng)林業(yè)廢棄物等一種或幾種的混合。
[0014]所述的木質(zhì)纖維素原料經(jīng)過了預(yù)處理，使其致密結(jié)構(gòu)被破壞，從而提高其可酶解性。預(yù)處理方法包括但不限于稀酸預(yù)處理、蒸汽爆破、氨纖維爆破、液氨膨爆、亞硫酸鹽預(yù)處理、堿法預(yù)處理、機(jī)械磨碎預(yù)處理、生物預(yù)處理等，優(yōu)選稀酸預(yù)處理方法。
[0015](2)利用液體培養(yǎng)基培養(yǎng)黑曲霉:
[0016]40?80g/L葡萄糖,0?lg/L硫酸鎂,0?2g/L磷酸二氫鈉,0?2g/L的磷酸二氫鉀，O?2g/L的硫酸錳，液體培養(yǎng)黑曲霉25?40°C，50?500rpm，培養(yǎng)為12?48h，菌體濃度達(dá)到I?3g/L。培養(yǎng)的黑曲霉用于液體或固體發(fā)酵基質(zhì)的進(jìn)一步培養(yǎng)或發(fā)酵。
[0017](3)固態(tài)生物脫毒:
[0018]調(diào)節(jié)木質(zhì)纖維素物料pH和含水量后,接入脫毒霉菌Amorphotheca resinae ZNl,保藏編號(hào)CGMCC7452，固態(tài)培養(yǎng)特征在于培養(yǎng)溫度20?35°C，物料含水量為30?70%，物料pH4.5?6.5。脫毒所脫除的化合物包括甲酸、乙酸、糠醛、羥甲基糠醛等。
[0019]如果選用抑制物耐受性強(qiáng)的葡萄糖酸生產(chǎn)菌，則步驟(3)，即對木質(zhì)纖維素原料的脫毒處理可以省略。
[0020]如果選用抑制物耐受性較差的葡萄糖酸生產(chǎn)菌，則預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素原料需經(jīng)過脫毒處理，脫除預(yù)處理過程中產(chǎn)生的抑制物，包括有機(jī)酸類化合物，如甲酸、乙酸、乙酰丙酸等，呋喃類衍生物，如糠醛、羥甲基糠醛等，酚類化合物，如對羥基苯甲醛、香蘭素等。脫毒方法包括但不限于生物脫毒、水洗、過堿處理(Overliming)、活性炭吸附、離子吸附等，優(yōu)選生物脫毒。
[0021](4)葡萄糖酸的生產(chǎn):
[0022]向發(fā)酵罐中同時(shí)加入脫毒或者未脫毒的木質(zhì)纖維素原料和纖維素酶，用水調(diào)節(jié)固體含量，在50°C，pH4.8的條件下糖化48?96h，對糖化后的漿液進(jìn)行固液分離，獲得上清液，即木質(zhì)纖維素酶解液；把液體培養(yǎng)好的黑曲霉菌種，接種于水解液中發(fā)酵。
[0023]或者將液體培養(yǎng)獲得的黑曲霉菌種、木質(zhì)纖維素原料(脫毒或者未脫毒)和纖維素酶同時(shí)加入到反應(yīng)器中，在30?50°C，pH4?6的條件下同步糖化與發(fā)酵木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)葡萄糖酸，發(fā)酵時(shí)間為72?120h。
[0024]所述的木質(zhì)纖維素在發(fā)酵罐中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10?40%，纖維素酶為5?30FPU/g DM,發(fā)酵溫度30?50°C。所述的纖維質(zhì)原料選自固體秸桿原料或者固體秸桿處理物；其中:所述的纖維質(zhì)原料包括玉米秸桿、麥秸、稻草、木屑、能源植物或者林業(yè)廢棄物中。
[0025]生產(chǎn)葡萄酸的菌株主要有黑曲霉、青霉、葡萄糖氧化桿菌等，其中黑曲霉更適合于利用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)葡萄糖酸。
[0026]發(fā)酵生成的葡萄糖酸，包括游離態(tài)的葡萄糖酸，以及調(diào)節(jié)發(fā)酵pH所生成的葡萄糖酸鹽，如葡萄糖酸鈉，葡萄糖酸鈣，葡萄糖酸銨等。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是:
[0028](I)本發(fā)明以木質(zhì)纖維素為原料發(fā)酵葡萄糖酸，基質(zhì)成本低廉，來源廣泛，充分利用了可再生資源，不與人類爭糧，能夠滿足不斷擴(kuò)大的市場需求；
[0029](2)本發(fā)明使用獨(dú)特的發(fā)酵菌種和培養(yǎng)工藝，在發(fā)酵過程只需要添加少量無機(jī)鹽離子，成本低，葡萄