一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法
一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法，该方法包括以下步骤：1)将茭白废弃物粉碎后，用浓度为70～90％乙醇在温度80～90℃条件下浸提1～2h，过滤；2)将得到的固形物用甲酸在温度60～75℃条件下浸提1～2h，过滤，固液分离，液体进行减压蒸馏，回收甲酸；3)将得到的固形物继续用甲酸在温度80～90℃条件下浸提4～6h；4)将得到的固形物采用分批补料法发酵制备乳酸。本发明使用茭白废弃物作为原料，不仅实现了茭白废弃物的可再生利用，发酵最终得到乳酸产量高于其他利用纤维素水解糖为原料发酵制备乳酸的技术水平，同时成本也远远低于其他工艺。
【专利说明】一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物【技术领域】，具体涉及一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法。
【背景技术】
[0002]随着石油危机的日益加重，世界化学工业的原料正逐步由石油资源向生物质资源转变。目前生物化工的原料大多以粮食制备的淀粉和糖为主，导致“与人(畜)争粮、与粮争地”的局面日益严重。生物质单糖作为生物化工的主要原料，已成为限制中国生物化工产业发展的瓶颈。
[0003]木质纤维素包括农业生产的废弃物和剩余物(如农作物秸杆、谷壳、麸皮、蔗渣等)、林木(软木和硬木)及林业加工废弃物、草类等,年产量高达1500亿吨以上。经过水解糖化，纤维素物质可转化为单糖类物质，以此为平台，经化学途径可转化成燃油、燃气及化学品；通过生物催化可转化成大宗发酵产品及液体生物燃料；利用结晶纯化技术得到的单糖晶体更是重要的工业原料。 [0004]木质纤维素中半纤维素、纤维素含量相对较高，能达到材料的50%以上，但由于木质素含量较多(10-20% )，其对纤维素等的包裹作用，使得木质纤维素在处理过程中，困难重重。其中木质素的存在成为木质纤维素资源充分利用的重大障碍，要达到有效利用木质纤维素资源的目的，降低处理的成本，必须首先解决木质素的降解问题。对木质纤维素处理的方法归类可分为物理法、化学法、物理-化学法及生物法等，主要有:机械粉碎(球磨、振动磨等)、高温液态法、高能辐射、微波处理、高温分解、蒸气爆破法、氨纤爆破法、CO2爆破、湿氧化法、酸水解法、碱处理法、过氧化物法及有机溶剂法等。在早期的研究中多用化学法处理，环境污染大，近期发展了相对清洁的生产方法，包括蒸爆法，有机溶剂提取法等，该类方法在制备过程中相对能耗较大，归根到底，还在于其木质纤维素坚韧的内部结构增加了分离的困难，同时，用以上方法得到的糖如木糖、葡萄糖在进行生物利用的过程中，还需要进行脱毒处理。如黄和等申请的发明专利“控制丝状真菌发酵过程中生长形态的方法”(授权号:CN102212484B)明确指出，木质纤维素水解得到的水解液含量复杂，成分较多，水解糖液要经过脱毒处理后才可用于菌体的培养以及富马酸的发酵。
[0005]目前针对茭白废弃物的资源利用还鲜有报道，本发明提出了专门针对茭白废弃物提取糖资源的工艺及利用茭白废弃物生产乳酸的方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种使用茭白废弃物为基本原料生产乳酸的方法。
[0007]本发明可解决木质纤维素资源中糖资源提取和发酵产乳酸的技术不足。
[0008]本发明的目的是通过以下方式实现的:
[0009]利用茭白废弃物生产乳酸的方法，该方法包括以下步骤:
[0010]I)将茭白废弃物粉碎后，用浓度为70~90%乙醇在温度80~90°C条件下浸提I~2h，过滤，得到固形物；[0011]2)将固形物用甲酸在温度60~75°C条件下浸提I~2h，过滤，固液分离，将得到的液体进行减压蒸馏，回收甲酸；得到固形物即为木糖。
[0012]3)将步骤“2) ”得到的固形物继续使用甲酸在温度80~90°C条件下浸提4~5h ;该步骤得到的固形物即为葡萄糖。
[0013]4)将步骤“3) ”得到的固形物采用分批补料法发酵制备乳酸，初始固形物浓度为20g/L~40g/L，分多次补料发酵，每次补料20~40g/L，使得固形物总浓度达到80~120g/L，接种量10%，摇瓶分装发酵液，150r/min培养40~50h。
[0014]摇瓶分装发酵液为250ml摇瓶分装50ml发酵液。可分2_4次补料发酵，优选分2-3次补料发酵。最优选初始葡萄糖浓度为20g/L，每次补料20g/L，使得葡萄糖总浓度达到80g/L。
[0015]所述的茭白废弃物为茭白叶鞘、叶片和鞘叶。
[0016]该方法中所述的乙醇浸提过程中采用的固液比为1:5~20，优选1:10，采用的乙醇浓度为80~90%。
[0017]步骤“I) ”优选为在温度为90°C条件下浸提。
[0018]步骤“2) ”使用甲酸浸提采用的固液比为1:5~20，优选为1:10~20，最优选1:10。
[0019]步骤“2) ”中，优选将固形物用甲酸在温度70°C条件下浸提。
[0020]步骤“3)”中，用甲酸浸提采用的固液比为1:10~30，优选1:20，优选使用甲酸在温度为90°C条件下浸提。
[0021]该方法所述的茭白废弃物先粉碎至粒径为10~20mm的颗粒。
[0022]上述固液比均指质量体积比(g/ml)。
[0023]本发明所使用的甲酸的质量浓度优选为86.24%。
[0024]与现有技术比较本发明的有益效果:
[0025]1、本发明利用茭白废弃物进行乳酸发酵，发酵最终得到乳酸产量达到57.4g/L(80g/L初始葡萄糖浓度)，生产强度达到了 1.17g/L/h，糖酸转化率高达71.8%，高于其他利用纤维素水解糖为原料发酵制备乳酸的技术水平，同时成本也远远低于其他工艺。
[0026]2、使用茭白废弃物作为原料，不仅实现了茭白废弃物的可再生利用，同时不需添加额外的催化剂即可高效提取葡萄糖，葡萄糖的回收率达到了 90%以上，反应过程中也不产生额外的催化副产物，甲酸可经过蒸馏回收再利用，因此，整个过程中不产生任何污染和浪费，降低了生产成本，且得到的产品安全无毒。
[0027]3、乙醇对茭白中木质素脱除处理，能够实现木质素与半纤维素对纤维素包裹结构的破坏，使纤维素暴漏出来，在此基础上，利用甲酸在一定温度下再对剩余材料进行提取，增加纤维素的降解效率，显著提高葡萄糖的含量。
[0028]以下通过实验例对本发明进行进一步说明:
[0029]1、乙醇对茭白中木质素脱除的影响
[0030](I)乙醇浓度对木质素脱除的影响
[0031] 取烘干茭白废弃物(茭白鞘叶、叶片及叶鞘)5g，加入50ml乙醇溶液中，W:V =1:10 ;乙醇浓度分别为70，80，90，100%，反应温度在90°C;提取lh，减压蒸馏，烘干，测其干重，木质素去除率，其结果如表1所示。大量的文献报道了利用乙醇催化制备纤维的工艺，但是木质素是难以糖化的复杂的不定型高聚物，是植物体内最难分解的组分，并且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素糖化，同时木质素是一种聚集体，结构中存在许多极性基团，尤其是较多的羟基，造成了很强的分子内和分子间的氢键，因此，乙醇催化制备纤维的工艺都要在较为严格的条件下，如添加酸碱催化剂同时催化温度较高(>180°C为宜)，这些条件虽然能使木质素脱离，但是半纤维素以及纤维素也发生了降解。
[0032]但是针对茭白废弃物，发明人却可选择使用乙醇来提取木质素，并且可以在较低的温度下实现木质素的提取。从表中可以看出，当乙醇浓度为90%时，木质素去除效果最佳，达到了 76%，随着乙醇浓度的继续升高，反而不利于木质素的去除，90%的乙醇含量也便于后期乙醇的回收；同时从表中可以看出，废弃物的剩余含量均发生变化，其可能是废弃物中部分果胶、蛋白类物质也随着溶液提取出来，而糖类物质并无有多少损耗。
[0033]表1
[0034]
【权利要求】
1.一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 1)将茭白废弃物粉碎后，用浓度为70~90%乙醇在温度80~90°C条件下浸提I~2h，过滤，得到固形物； 2)将固形物用甲酸在温度60~75°C条件下浸提I~2h，过滤，固液分离，将得到的液体进行减压蒸馏，回收甲酸； 3)将步骤“2)”得到的固形物继续使用甲酸在温度80~90°C条件下浸提4~5h ; 4)将步骤“3)”得到的固形物采用分批补料法发酵制备乳酸，初始固形物浓度为20g/L~40g/L，分多次补料发酵，每次补料20~40g/L，使得固形物总浓度达到80~120g/L，接种量10%，摇瓶发酵，150r/min培养40~50h。
2.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于所述的茭白废弃物为茭白叶鞘、叶片和鞘叶。
3.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于乙醇浸提过程中采用的固液比为1:5~20，优选1:10。
4.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于采用的乙醇浓度为80~90%。
5.根据权利要 求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“I)”为在温度为90°C条件下浸提。
6.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“2)”使用甲酸浸提采用的固液比为1:5~20，优选为1:10~20，最优选1:10。
7.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“2)”中，将固形物用甲酸在温度70°C条件下浸提。
8.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“3)”中，用甲酸浸提采用的固液比为1: 10~30，优选1:20。
9.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“3)”中，使用甲酸在温度为90°C条件下浸提。
10.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于该方法所述的英白废弃物先粉碎至粒径为10~20mm的颗粒。
【文档编号】C12R1/845GK103993044SQ201410249746
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】付永前, 朱华跃, 尹龙飞, 蒋茹, 李鑫 申请人:台州学院
【专利摘要】本发明公开了一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法，该方法包括以下步骤：1)将茭白废弃物粉碎后，用浓度为70～90％乙醇在温度80～90℃条件下浸提1～2h，过滤；2)将得到的固形物用甲酸在温度60～75℃条件下浸提1～2h，过滤，固液分离，液体进行减压蒸馏，回收甲酸；3)将得到的固形物继续用甲酸在温度80～90℃条件下浸提4～6h；4)将得到的固形物采用分批补料法发酵制备乳酸。本发明使用茭白废弃物作为原料，不仅实现了茭白废弃物的可再生利用，发酵最终得到乳酸产量高于其他利用纤维素水解糖为原料发酵制备乳酸的技术水平，同时成本也远远低于其他工艺。
【专利说明】一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物【技术领域】，具体涉及一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法。
【背景技术】
[0002]随着石油危机的日益加重，世界化学工业的原料正逐步由石油资源向生物质资源转变。目前生物化工的原料大多以粮食制备的淀粉和糖为主，导致“与人(畜)争粮、与粮争地”的局面日益严重。生物质单糖作为生物化工的主要原料，已成为限制中国生物化工产业发展的瓶颈。
[0003]木质纤维素包括农业生产的废弃物和剩余物(如农作物秸杆、谷壳、麸皮、蔗渣等)、林木(软木和硬木)及林业加工废弃物、草类等,年产量高达1500亿吨以上。经过水解糖化，纤维素物质可转化为单糖类物质，以此为平台，经化学途径可转化成燃油、燃气及化学品；通过生物催化可转化成大宗发酵产品及液体生物燃料；利用结晶纯化技术得到的单糖晶体更是重要的工业原料。 [0004]木质纤维素中半纤维素、纤维素含量相对较高，能达到材料的50%以上，但由于木质素含量较多(10-20% )，其对纤维素等的包裹作用，使得木质纤维素在处理过程中，困难重重。其中木质素的存在成为木质纤维素资源充分利用的重大障碍，要达到有效利用木质纤维素资源的目的，降低处理的成本，必须首先解决木质素的降解问题。对木质纤维素处理的方法归类可分为物理法、化学法、物理-化学法及生物法等，主要有:机械粉碎(球磨、振动磨等)、高温液态法、高能辐射、微波处理、高温分解、蒸气爆破法、氨纤爆破法、CO2爆破、湿氧化法、酸水解法、碱处理法、过氧化物法及有机溶剂法等。在早期的研究中多用化学法处理，环境污染大，近期发展了相对清洁的生产方法，包括蒸爆法，有机溶剂提取法等，该类方法在制备过程中相对能耗较大，归根到底，还在于其木质纤维素坚韧的内部结构增加了分离的困难，同时，用以上方法得到的糖如木糖、葡萄糖在进行生物利用的过程中，还需要进行脱毒处理。如黄和等申请的发明专利“控制丝状真菌发酵过程中生长形态的方法”(授权号:CN102212484B)明确指出，木质纤维素水解得到的水解液含量复杂，成分较多，水解糖液要经过脱毒处理后才可用于菌体的培养以及富马酸的发酵。
[0005]目前针对茭白废弃物的资源利用还鲜有报道，本发明提出了专门针对茭白废弃物提取糖资源的工艺及利用茭白废弃物生产乳酸的方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种使用茭白废弃物为基本原料生产乳酸的方法。
[0007]本发明可解决木质纤维素资源中糖资源提取和发酵产乳酸的技术不足。
[0008]本发明的目的是通过以下方式实现的:
[0009]利用茭白废弃物生产乳酸的方法，该方法包括以下步骤:
[0010]I)将茭白废弃物粉碎后，用浓度为70~90%乙醇在温度80~90°C条件下浸提I~2h，过滤，得到固形物；[0011]2)将固形物用甲酸在温度60~75°C条件下浸提I~2h，过滤，固液分离，将得到的液体进行减压蒸馏，回收甲酸；得到固形物即为木糖。
[0012]3)将步骤“2) ”得到的固形物继续使用甲酸在温度80~90°C条件下浸提4~5h ;该步骤得到的固形物即为葡萄糖。
[0013]4)将步骤“3) ”得到的固形物采用分批补料法发酵制备乳酸，初始固形物浓度为20g/L~40g/L，分多次补料发酵，每次补料20~40g/L，使得固形物总浓度达到80~120g/L，接种量10%，摇瓶分装发酵液，150r/min培养40~50h。
[0014]摇瓶分装发酵液为250ml摇瓶分装50ml发酵液。可分2_4次补料发酵，优选分2-3次补料发酵。最优选初始葡萄糖浓度为20g/L，每次补料20g/L，使得葡萄糖总浓度达到80g/L。
[0015]所述的茭白废弃物为茭白叶鞘、叶片和鞘叶。
[0016]该方法中所述的乙醇浸提过程中采用的固液比为1:5~20，优选1:10，采用的乙醇浓度为80~90%。
[0017]步骤“I) ”优选为在温度为90°C条件下浸提。
[0018]步骤“2) ”使用甲酸浸提采用的固液比为1:5~20，优选为1:10~20，最优选1:10。
[0019]步骤“2) ”中，优选将固形物用甲酸在温度70°C条件下浸提。
[0020]步骤“3)”中，用甲酸浸提采用的固液比为1:10~30，优选1:20，优选使用甲酸在温度为90°C条件下浸提。
[0021]该方法所述的茭白废弃物先粉碎至粒径为10~20mm的颗粒。
[0022]上述固液比均指质量体积比(g/ml)。
[0023]本发明所使用的甲酸的质量浓度优选为86.24%。
[0024]与现有技术比较本发明的有益效果:
[0025]1、本发明利用茭白废弃物进行乳酸发酵，发酵最终得到乳酸产量达到57.4g/L(80g/L初始葡萄糖浓度)，生产强度达到了 1.17g/L/h，糖酸转化率高达71.8%，高于其他利用纤维素水解糖为原料发酵制备乳酸的技术水平，同时成本也远远低于其他工艺。
[0026]2、使用茭白废弃物作为原料，不仅实现了茭白废弃物的可再生利用，同时不需添加额外的催化剂即可高效提取葡萄糖，葡萄糖的回收率达到了 90%以上，反应过程中也不产生额外的催化副产物，甲酸可经过蒸馏回收再利用，因此，整个过程中不产生任何污染和浪费，降低了生产成本，且得到的产品安全无毒。
[0027]3、乙醇对茭白中木质素脱除处理，能够实现木质素与半纤维素对纤维素包裹结构的破坏，使纤维素暴漏出来，在此基础上，利用甲酸在一定温度下再对剩余材料进行提取，增加纤维素的降解效率，显著提高葡萄糖的含量。
[0028]以下通过实验例对本发明进行进一步说明:
[0029]1、乙醇对茭白中木质素脱除的影响
[0030](I)乙醇浓度对木质素脱除的影响
[0031] 取烘干茭白废弃物(茭白鞘叶、叶片及叶鞘)5g，加入50ml乙醇溶液中，W:V =1:10 ;乙醇浓度分别为70，80，90，100%，反应温度在90°C;提取lh，减压蒸馏，烘干，测其干重，木质素去除率，其结果如表1所示。大量的文献报道了利用乙醇催化制备纤维的工艺，但是木质素是难以糖化的复杂的不定型高聚物，是植物体内最难分解的组分，并且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素糖化，同时木质素是一种聚集体，结构中存在许多极性基团，尤其是较多的羟基，造成了很强的分子内和分子间的氢键，因此，乙醇催化制备纤维的工艺都要在较为严格的条件下，如添加酸碱催化剂同时催化温度较高(>180°C为宜)，这些条件虽然能使木质素脱离，但是半纤维素以及纤维素也发生了降解。
[0032]但是针对茭白废弃物，发明人却可选择使用乙醇来提取木质素，并且可以在较低的温度下实现木质素的提取。从表中可以看出，当乙醇浓度为90%时，木质素去除效果最佳，达到了 76%，随着乙醇浓度的继续升高，反而不利于木质素的去除，90%的乙醇含量也便于后期乙醇的回收；同时从表中可以看出，废弃物的剩余含量均发生变化，其可能是废弃物中部分果胶、蛋白类物质也随着溶液提取出来，而糖类物质并无有多少损耗。
[0033]表1
[0034]
【权利要求】
1.一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 1)将茭白废弃物粉碎后，用浓度为70~90%乙醇在温度80~90°C条件下浸提I~2h，过滤，得到固形物； 2)将固形物用甲酸在温度60~75°C条件下浸提I~2h，过滤，固液分离，将得到的液体进行减压蒸馏，回收甲酸； 3)将步骤“2)”得到的固形物继续使用甲酸在温度80~90°C条件下浸提4~5h ; 4)将步骤“3)”得到的固形物采用分批补料法发酵制备乳酸，初始固形物浓度为20g/L~40g/L，分多次补料发酵，每次补料20~40g/L，使得固形物总浓度达到80~120g/L，接种量10%，摇瓶发酵，150r/min培养40~50h。
2.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于所述的茭白废弃物为茭白叶鞘、叶片和鞘叶。
3.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于乙醇浸提过程中采用的固液比为1:5~20，优选1:10。
4.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于采用的乙醇浓度为80~90%。
5.根据权利要 求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“I)”为在温度为90°C条件下浸提。
6.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“2)”使用甲酸浸提采用的固液比为1:5~20，优选为1:10~20，最优选1:10。
7.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“2)”中，将固形物用甲酸在温度70°C条件下浸提。
8.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“3)”中，用甲酸浸提采用的固液比为1: 10~30，优选1:20。
9.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“3)”中，使用甲酸在温度为90°C条件下浸提。
10.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于该方法所述的英白废弃物先粉碎至粒径为10~20mm的颗粒。
【文档编号】C12R1/845GK103993044SQ201410249746
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】付永前, 朱华跃, 尹龙飞, 蒋茹, 李鑫 申请人:台州学院
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