一種利用甜高粱同步生產(chǎn)生物丁醇和納米纖維素的方法
【技術領域】
[0001]本方法屬于秸桿資源利用領域，特別涉及一種利用甜高粱同步生產(chǎn)生物丁醇和納米纖維素的方法。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)丁醇發(fā)酵產(chǎn)業(yè)普遍存在以下問題:(I)丁醇產(chǎn)量、產(chǎn)率低。(2)溶劑終濃度低。這是丁醇高成本的關鍵所在。(3) 丁醇在總溶劑中的比例低，后期丁醇回收、分離的成本較高。(4)傳統(tǒng)的丁醇發(fā)酵普遍采用玉米、糖蜜為糧食原料生產(chǎn)，隨著世界糧食的匱乏和糧食價格的上漲，丁醇發(fā)酵的成本提高。早期的丁醇工業(yè)因其發(fā)酵成本高，不敵于石油化工產(chǎn)品而衰落，這也是當今限制其大規(guī)模發(fā)展的瓶頸所在。
[0003]納米纖維素是一種新型的高分子功能材料，其直徑介于Inm到100 nm之間，長度為100 nm-500nm。納米纖維素具有獨特的結構和優(yōu)良的性能，在生物、醫(yī)學、增強劑、造紙工業(yè)、凈化、傳導、與無機物復合、食品工業(yè)、磁性復合物等方面的有著廣泛應用，譽為拯救世界的“神奇材料”。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種利用甜高粱同步生產(chǎn)生物丁醇和納米纖維素的方法，降低了用甜高粱生產(chǎn)生物丁醇的成本，具有良好的社會效益和綜合經(jīng)濟效益，具體技術方案如下:
a)采用榨汁機對甜高粱秸桿進行榨汁處理，得到甜高粱汁液和秸桿渣；
b)將步驟a)得到的秸桿渣，在1~5MPa壓力條件下蒸汽閃爆處理2~25 min，控制閃爆過程時間小于0.1秒，得到汽爆秸桿和汽爆秸桿液；
c)將步驟b)得到的汽爆秸桿水洗，水洗量為汽爆秸桿重的1~2倍，水洗液經(jīng)過20-40目板框過濾，收集水洗液，與步驟a)得到的甜高粱汁液，步驟b)得到的汽爆秸桿液合并，得到混合秸桿液；
d)向步驟c)得到的汽爆秸桿中加水，加水量為汽爆秸桿重量的1~2倍，再加入纖維素酶，漆酶和木聚糖酶的復合酶酶解，酶解物經(jīng)過20~40目板框過濾，水洗(加水量為汽爆秸桿重的1~2倍)，再經(jīng)過20~40目板框過濾后，得到的酶解秸桿纖維，并將水洗液與步驟c)的混合秸桿液合并，得丁醇發(fā)酵原糖液。
[0005]e)向將步驟d)得到的酶解秸桿纖維中加水(水的重量為秸桿纖維重量的2~4倍)，制成納米纖維素懸浮液，經(jīng)過高壓均質，制成納米纖維素；然后邊攪拌，邊向納米纖維素水溶液中加入異丙醇、醋酸酐和硫酸混合液，三者重量分別為秸桿纖維重的3~5倍、4~6倍和
4-6%,反應溫度30~60°C，時間1~3 h，離心、超聲，調節(jié)pH值至中性，即得醋酸酯化改性納米纖維素。
[0006]f)將步驟d)得到丁醇發(fā)酵原糖液用自來水調整糖分，使得糖的含量在4~8%，再添碳酸鈣5~9 g/L，磷酸氫二鉀1.0~1.5 g/L，磷酸二氫鉀1.3~1.7 g/L，硫酸鎂0.2~0.3 g/L,硫酸鐵 0.008~0.012 g/L，氯霉素 0.1~0.12 g/L, N 源等，用 NaOH 調至 pH 6.5?7，在 121。。下滅菌20 min，制成丁醇發(fā)酵培養(yǎng)基，接種丁醇發(fā)酵種子液后進行丁醇發(fā)酵。
[0007]進一步的步驟a)所述的方法，其特征在于所述的榨汁設備為螺桿式榨汁機，處理能力2-3噸/h，功率10-15 kwo
[0008]步驟a)所述的方法，其特征在于所述的原料為甜高粱。
[0009]進一步的，步驟d)所述的復合酶制劑添加比例0.05-0.15% (以重量計)，復合酶配比(以重量計)纖維素酶:漆酶:木聚糖酶為(1.2~1.5):(1.1-1.2): (0.8~1.0)，纖維素酶酶活為20萬u/g，漆酶酶活5萬u/g，木聚糖酶5萬u/g ;酶解反應溫度40~75°C，反應時間
5-20 ho
[0010]進一步的，步驟e)所述的方法，其特征所述高壓均質處理時的壓力為50~150Mpa，循環(huán)4~8次。
[0011]進一步的，步驟(f)中的氮源為玉米漿、菜籽餅、麩皮、豆柏、谷朊粉、米糠、酵母粉、氯化銨磷酸氫二銨、硫酸銨中的任何一種或組合物。氮源的添加比例為:10:1~20:1 (糖含量與蛋白含量之比)。
[0012]更進一步的，步驟f)所述的方法，其特征在于所述的丁醇發(fā)酵所用的菌種為丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum) CICC 8012，糖丁酸梭菌(Clostridiumsaccharoacetobutylicum)的一種或混合。丁醇發(fā)酵種子液的配制方法:將丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum) CICC 8012 或糖丁酸梭菌(Clostridiumsaccharoacetobutylicum)接入7%的玉米培養(yǎng)基中，38°C厭氧發(fā)酵18 h獲得種子液。
[0013]進一步的，步驟f)所述的方法，所述丁醇發(fā)酵溫度為35~39°C，菌株的接種量為5~8%，發(fā)酵時間48~80 ho
[0014]甜高粱，又稱“二代甘蔗”，含有豐富的糖分汁液，畝產(chǎn)甘蔗2萬公斤，由于其產(chǎn)量大，價格廉價是發(fā)展生物能源的最佳原料。在《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》中，甜高粱被列為生物液體燃料的第一個來源。通過對發(fā)酵后廢棄的桿渣等進行綜合利用，提高了甜高粱的綜合價值，相應的也降低了丁醇生產(chǎn)的成本，從而實現(xiàn)能源多元化發(fā)展，滿足國內外市場對生物燃料的需求。
[0015]本發(fā)明是一種利用甜高粱同步生產(chǎn)生物丁醇和納米纖維素的方法，(I)首先通過壓榨實現(xiàn)秸桿液和秸桿渣的初步分離，通過汽爆處理秸桿渣，目的是通過高壓分子進入秸桿纖維內部，以炸散的形式將物料爆破，實現(xiàn)了秸桿液和秸桿纖維的進一步分離同時，也破壞解離秸桿纖維的緊密結構的同時，增大了秸桿纖維的接觸面積，有利于后續(xù)的酶解，酶解的主要目的是去除秸桿纖維中的木質素，木聚糖和不定型纖維素，純化了結晶纖維素，通過高壓均質，使得纖維素結構達到納米纖維素的要求，再通過醋酸酯化，得到具有良好分散性和光澤度的改性納米纖維素。(2)將水洗液，酶解液和秸桿糖液混合，控制糖的含量在4%-8%，節(jié)約了用水，提高了對秸桿中糖分的利用，進而提高了秸桿的綜合利用價值，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明中所用的丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)CICC 8012和糖丁酸梭菌(Clostridium saccharoacetobutylicum)均購自中國普通微生物菌種保藏管理中心。
[0018]實施例1
取1000 kg甜高粱秸桿榨汁，得到甜高粱汁液和秸桿渣，將秸桿渣在壓力為2.0 MPa條件下處理8 min,得到汽爆稻桿液和汽爆稻桿；汽爆稻桿用2000kg的水洗，水溫60 V，水洗時間2 ho汽爆秸桿液經(jīng)過20目板框過濾，濾液與甜高粱汁液、洗出液合并，得到混合秸桿液，濾渣并入汽爆秸桿。向汽爆秸桿中加水，加水量為汽爆秸桿重量的1.5倍，再加入復合酶制劑酶解，復合酶制劑添加比例0.08% (以重量計)，復合酶配比(以重量計)纖維素酶:漆酶:木聚糖酶為1.2:1.1: 0.8，反應溫度45 °C，反應時間10 h。酶解物經(jīng)過40目板框過濾，水洗(加水量為汽爆秸桿重的I倍，水溫60°C)，再經(jīng)過40目板框過濾后，得到酶解纖維素，并將水洗液與上步得到的混合秸桿液合并，得到丁醇發(fā)酵原糖液。向酶解纖維素中添加2倍重量的水，制成纖維素懸浮液，在100 MPa壓力條件下，循環(huán)6次，即得到納米纖維素懸浮液。然后邊攪拌，邊向納米纖維素水溶液中加入異丙醇、醋酸酐和硫酸混合液，三者重量分別為秸桿纖維重的3倍、4倍和4%，反應溫度45°C，時間3 h，離心、超聲，調節(jié)pH值至中性，即得醋酸酯化改性納米纖維素。所得納米纖維素纖維酯化取代度為0.03，其直徑介于35-40 nm之間，長度為140 -165 nm，具有良好的分散性和光澤度。
[0019]將上步得到的丁醇發(fā)酵原糖液，用自來水調整糖含量為6%，再添加碳酸鈣6 g/L,磷酸氫二鉀1.3 8/1，磷酸二氫鉀1.5 g/L，硫酸鎂0.25 g/L，硫酸鐵0.01 g/L，氯霉素0.12g/L，玉米漿等，使糖含量與蛋白含量之比為18:1，再用NaOH調pH值至6.5，在121°C下滅菌20 min，制得發(fā)酵培養(yǎng)基。將糖丁酸梭菌(Clostridium saccharoacetobutylicum)接入 7%的玉米培養(yǎng)基中，厭氧發(fā)酵14 h獲得種子液，按照7.5%的接種量將種子液接入發(fā)酵培養(yǎng)基中，39°C下厭氧發(fā)酵80 h，停止發(fā)酵，用氣相色譜檢測發(fā)酵液中的溶劑含量，總溶劑達到218/1，其中丁醇含量13.38/1，丙酮5.83 8/1，乙醇1.87 g/L。。
[0020]所述的榨汁設備為螺桿式榨汁機，處理能力2-3噸/h，功率10-15 kw。
[0021]所述的7%玉米培養(yǎng)基的制備方法:量取1000 mL水，加熱至70°C，加入70 g玉米粉，保持溫度在60°C左右I小時，用紗布過濾后，加入適量的水補足1000 mL，121°C滅菌20min,即制得玉米培養(yǎng)基。
[0022]實施例2:
取1000 kg甜高粱秸桿榨汁，得到甜高粱汁液和秸桿渣，將秸桿渣在壓力為4.0 MPa條件下處理6 min，得到汽爆秸桿液和汽爆秸桿；汽爆秸桿用1600 kg的水洗，水溫58 °C，水洗時間2 ho汽爆秸桿液經(jīng)過30目板框過濾，濾液與甜高粱汁液、洗出液合并，得到混合秸桿液，濾渣并入汽爆秸桿。向汽爆秸桿中加