农林废弃物为原料联产木糖、木糖醇和阿拉伯糖清洁工艺属于农林废弃物利用领域。本发明专利技术步骤：对原料进行前处理和预处理，采取高温蒸煮方式水解制备半纤维素水解液；离心去除固渣后的水解液进行TiO2负载活性炭光催化或离子交换树脂的脱色脱毒处理；再经MVR机械再压缩浓缩处理和梯度降温结晶方式获得木糖产品和木糖母液；利用以木糖母液为底物，对L-阿拉伯糖不转化的木糖醇发酵高产菌株，发酵木糖母液生产木糖醇；离心去除菌体并进行膜法或树脂吸附的脱色脱盐处理；经过模拟移动床或者色谱分离技术分离获得木糖醇相和L-阿拉伯糖相；两相经MVR或真空浓缩处理，通过梯度程序降温方式结晶，分别获得木糖醇和L-阿拉伯糖产品，二者母液回复利用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用农林废弃物联合生产木糖、木糖醇和L-阿拉伯糖的清洁工艺，尤其利用对环境有好的高温蒸煮工艺制备玉米芯等农林废弃物获得半纤维素水解液， 经纯化结晶获得木糖晶体，木糖母液采取生物法生产木糖醇，经模拟移动床分离后结晶获得木糖醇和L-阿拉伯糖晶体的方法。
技术介绍
根据我国农业部提供的数据显示，我国农业废弃纤维素类资源量达6亿吨，目前不到一半用于薪柴，大部分均被焚烧丢弃；而林业部提供的数据显示，我国林业废弃物资源量达到8亿吨以上，除工业消耗外还有近一半函待开发利用。如果利用农林废弃物原料生产高附加值的产品，如木糖、木糖醇、L-阿拉伯糖等并实现工业化生产，则对我国农林废弃物的综合有效地利用起到至关重要的作用。随着环境污染的日益严重和不可再生资源价格的节节攀升，发展环境友好的生物基化学品的生物炼制技术已成为转变经济增长方式、保障生态链良性循环、实现经济社会可持续发展的战略需求。目前，世界各国均不同程度的制定出在今后数十年内用生物绿色制造过程取代化学过程的战略计划，生物炼制已经成为世界各国的战略研究方向。本专利技术所研究和开发出的利用农林废弃物原料联合生产高附加值木糖、木糖醇、L-阿拉伯糖产品， 采取的是清洁、高效、符合生物炼制的应用工艺，对于环境保护、提高农民收入和实现经济可持续性发展具有非凡的意义。木糖和阿拉伯糖，核糖等同属于五碳糖。在自然界，除了竹笋外，尚未发现其他游离的木糖，而以缩聚状态广泛存在于自然界植物的半纤维素中，即以大分子的木聚糖形式含在植物体内。用酸或酶使木聚糖降解，获得木糖。虽然木糖是单糖的一种，但和人们日常食用的六碳糖葡萄糖及果糖不同，木糖不能为人体提供热量，但有增加人体肠道双歧杆菌等的某些特殊功能。L-阿拉伯糖和木糖一样，也是一种无热量糖，L-阿拉伯糖对双糖水解酶具有抑制作用，因此可以减少小肠对于蔗糖的吸收，同时在小肠里没被分解的蔗糖在大肠里被微生物分解产生出大量的有机酸，这种有机酸对肝脏合成脂肪有抑制作用，从而减少体内新脂肪的产生。由此可见，“L-阿拉伯糖”在减肥、控制糖尿病、调节血脂等方面的应用前景极其广阔。木糖醇作为一种重要的工业用精细化学品、糖基化学品、食品及饲料添加剂，具备许多优异特性，广泛用于化工、医药、皮革、国防、涂料、食品及饲料等行业。木糖醇是所有食用糖醇中，生理活性最好的品种。作为一种高效的功能性营养添加剂。它味甜低热，口感清凉，甜度与蔗糖相当，具有特殊的生理活性，易为人体吸收。在防龋齿、不增加血糖值、均显示出比山梨醇、麦芽糖醇、甘露醇等更为明显的优越性，因而应用广泛，尤其适用于糖尿病和肝炎患者的临床营养剂和治疗剂。据估计中国至少有5000万以上的糖尿病患者，已成为世界上最多的糖尿病人的国家之一。另外还有6000万以上的人群属于糖尿病前期，因此木糖醇、木糖和L-阿拉伯糖对于普通百姓或者糖尿病患者来说都意义重大。但这些具有功能性的稀有糖醇价格却始终十分高，让许多人无法接受。由于分离、纯化技术有限，L-阿拉伯糖的价格居高不下，日本和欧美的市场销售价格为10-15万美元/吨。而木糖主要来自植物如白桦树、玉米芯、棉籽壳等的半纤维素的水解产物进行纯化和结晶获得，利用木糖的化学加氢还原的方法进行工业化的木糖醇生产，不仅导致产物分离和纯化很困难，并且木糖和木糖醇的产量和回收率都很低，同时木糖或者木糖醇的生产过程中的酸碱使用和高温高压反应，不仅能耗大，生产成本大，同时也带来了安全和环境污染等。木糖母液是指木糖水解液结晶提取木糖后剩余的母液。2010年我国生产的木糖母液约有4万吨，大多来自于木糖生产和加氢法生产木糖醇的工艺中。以本专利所使用的棉籽壳为原料为例，大多棉籽壳半纤维素水解液中糖类物质的质量浓度为(以棉籽壳的质量计)，其中葡萄糖占14%，木糖占66%，L-阿拉伯糖占12%，还有少量杂糖。木糖经过结晶获得晶体后，木糖母液中剩余的糖浓度为15% (以棉籽壳的质量计)，其中葡萄糖占 20-26 %，木糖占43-52 %，L-阿拉伯糖占19- %，以及5_10 %的杂糖。目前木糖母液浪费严重，没有得到合理的利用，大多作为低价的原料出售给焦糖色素厂，生产焦糖色素，大大减少了木糖、木糖醇和L-阿拉伯糖等稀有糖醇的生产效益和企业利润，同时造成了严重的资源的浪费和环境的污染。
技术实现思路
本专利技术采用预处理结合清洁高效的高温蒸煮工艺替代传统硫酸液水解农林废弃物生产木糖水解液的工艺，整个生产工艺无需中和且无废渣产生，水解过程中的污水的排放量得到了大幅度减少，每生产1吨木糖醇的污水排放量小于50吨。与传统的硫酸法相比含盐量降低了 80%以上，废渣的生产量减少了 95%以上。生产出的高温蒸煮液经过纯化和结晶生产出木糖产品，同时得到木糖母液。木糖结晶后剩余的木糖母液中仍含有含量较高的木糖、葡萄糖以及L-阿拉伯糖。 目前已经发现很多微生物能够利用木糖母液中的单糖发酵生产木糖醇，但是L-阿拉伯糖作为一种高附加值的单糖被消耗产木糖醇无疑是极大地浪费。本专利技术通过选择得到只消耗葡萄糖和木糖用于菌体生长和木糖醇生产，而L-阿拉伯糖几乎不被利用的菌株。这样不仅能够使木糖转化为更高价值的木糖醇，而且避免了 L-阿拉伯糖的损失，同时葡萄糖的去除也有利于木糖醇和L-阿拉伯糖的分离结晶。本专利技术利用一些农林废弃物作为原料，经过一整套工艺路线同时得到木糖、木糖醇、以及L-阿拉伯糖三种高附加值，广泛用于食品以及医药领域的产品，生产工艺可操作性强，技术新颖，节能减排，清洁环保，具有极其广泛的应用价值。一种利用农林废弃物为原料联合生产木糖、木糖醇和L-阿拉伯糖的清洁工艺的方法包括以下步骤(见说明书附图1)农林废弃物为原料联产木糖、木糖醇和阿拉伯糖清洁工艺，其特征在于，包括以下步骤(1)对农林废弃物原料进行前处理和浸泡预处理；所述的农林废弃物是玉米芯， 棉籽壳，玉米秸秆，高粱秸秆，柳稷、小麦秸秆，稻杆，甘蔗渣或桦木；前处理工艺包括原材料的粉碎、除尘、水洗三道工序；所述的浸泡预处理原材料所使用的浸泡液为稀硫酸、稀盐酸或者稀草酸，稀硫酸、 稀盐酸或者稀草酸的质量分数为0.1-1.0%，浸泡液与原料的质量分数比为4-8 1，浸泡的温度为20-80°C，浸泡的时间为12-3 ；浸泡预处理结束后，固液分离得到预处理后的原料，分离出的预处理后的原料通过水洗的方式调节PH值至中性，浸泡液回复利用；(2)将预处理后的原料进行蒸煮处理方式水解半纤维素，蒸煮后的体系经过固液分离工序获得富含木糖的蒸煮液；蒸煮温度150-200°C，加热时间0.5_4h，固液质量比1 5-20 ；搅拌转速为 80-150rpm ；工作压力为 0. 8-1. 2MPa ；当蒸煮体系冷却至40°C以下时，将蒸煮液连同水解渣一并从反应釜底部排出，之后通过离心或者板框过滤的方式进行固液分离得到富含木糖的蒸煮液；(3)利用氨水或者氢氧化钠溶液作为中和剂对蒸煮液进行中和处理；(4)经过(3)处理后的蒸煮液，采取TiO2/活性炭光复合材料催化氧化脱色脱毒技术进行处理；1-2L钛酸丁酯逐滴加入到30-40L无水乙醇与2_3L冰乙酸的混合液中，机械搅拌24-4 至溶液变至淡黄色后加入3-4kg活性炭颗粒，使得凝胶态TW2负载到活性炭上，机械搅拌Μ-4 !后过滤出活性炭本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．农林废弃物为原料联产木糖、木糖醇和阿拉伯糖清洁工艺，其特征在于，包括以下步骤：（１）对农林废弃物原料进行前处理和浸泡预处理；所述的农林废弃物是玉米芯，棉籽壳，玉米秸秆，高粱秸秆，柳稷、小麦秸秆，稻杆，甘蔗渣或桦木；前处理工艺包括：原材料的粉碎、除尘、水洗三道工序；所述的浸泡预处理原材料所使用的浸泡液为稀硫酸、稀盐酸或者稀草酸，稀硫酸、稀盐酸或者稀草酸的质量分数为０．１－１．０％，浸泡液与原料的质量分数比为４－８∶１，浸泡的温度为２０－８０℃，浸泡的时间为１２－３６ｈ；浸泡预处理结束后，固液分离得到预处理后的原料，分离出的预处理后的原料通过水洗的方式调节ｐＨ值至中性，浸泡液回复利用；（２）将预处理后的原料进行蒸煮处理方式水解半纤维素，蒸煮后的体系经过固液分离工序获得富含木糖的蒸煮液；蒸煮温度：１５０－２００℃，加热时间：０．５－４ｈ，固液质量比：１∶５－２０；搅拌转速为８０－１５０ｒｐｍ；工作压力为０．８－１．２ＭＰａ；当蒸煮体系冷却至４０℃以下时，将蒸煮液连同水解渣一并从反应釜底部排出，之后通过离心或者板框过滤的方式进行固液分离得到富含木糖的蒸煮液；（３）利用氨水或者氢氧化钠溶液作为中和剂对蒸煮液进行中和处理；（４）经过（３）处理后的蒸煮液，采取ＴｉＯ２／活性炭光复合材料催化氧化脱色脱毒技术进行处理；１－２Ｌ钛酸丁酯逐滴加入到３０－４０Ｌ无水乙醇与２－３Ｌ冰乙酸的混合液中，机械搅拌２４－４８ｈ至溶液变至淡黄色后加入３－４ｋｇ活性炭颗粒，使得凝胶态ＴｉＯ２负载到活性炭上，机械搅拌２４－４８ｈ后过滤出活性炭颗粒，将活性炭颗粒于１００℃烘干后在马弗炉中于４００－５００℃灼烧２－４ｈ，得ＴｉＯ２／活性炭复合材料；经过中和处理后的高温蒸煮液采用ＴｉＯ２／活性炭复合材料进行脱色脱毒处理，具体的工艺为：在蒸煮液中加入与蒸煮液中的木糖相比质量为１０－２０％ＴｉＯ２／活性炭；在室温的条件下，置于５００ｗ紫外灯下进行脱色脱毒，光照时间为１－２ｈ，脱色脱毒结束后通过板框过滤出催化剂，烘干后重复利用；（５）经过（４）处理之后的蒸煮液，采用串联的阴阳离子交换树脂进行脱色脱盐处理得到水解液；工作温度为室温，出料电导率＜５０μｓ／ｃｍ；（６）将（５）处理后的水解液浓缩至总糖固含量在７５０－８５０ｇ／Ｌ的木糖液，（７）经过（６）处理之后的木糖液，采用梯度降温结晶的方式生产木糖晶体并得到木糖母液；（８）选择热带假丝酵母Ｃａｎｄｉｄａ ｔｒｏｐｉｃａｌｉｓ，季也蒙假丝酵母Ｃａｎｄｉｄａ ｇｕｉｌｌｉｅｒｍｏｎｄｉｉ，斯潘多维假丝酵母Ｃａｎｄｉｄａ ｓｐａｎｄｏｖｅｎｓｉｓ，近平滑假丝酵母Ｃａｎｄｉｄａ ｐａｒａｐｓｉｌｏｋｉｓ，白假丝酵母Ｃａｎｄｉｄａ ａｌｂｉｃａｎｓ和伪热带假丝酵母Ｃａｎｄｉｄａ ｐｓｅｕｄｏｔｒｏｐｉｃａｌｉｓ中的一种，对步骤（７）所得的木糖母液进行生物转化，得到含有木糖醇和Ｌ－阿拉伯糖的发酵液；具体的工艺为：（８－１）液体种子培养基的制备与菌种的活化；每升种子培养基成分包括：木糖母液１００－２００ｍｌ，酵母粉或蛋白胨５－１０ｇ，磷酸二氢钾或磷酸二氢钠５－１０ｇ，无水硫酸镁０．５－５ｇ，ｐＨ自然；将固体斜面保存的菌种挑去一环放入灭菌后的种子培养基中进行摇瓶培养；摇瓶装液量在１００－４００ｍｌ／ｌ，摇床温度２５－３５℃，摇床转速１００－３００ｒｐｍ，培养时间１０－３０ｈ；（８－２）菌种的扩大培养；将摇瓶震荡培养好的种子按照５－２０％的接种量接种到５Ｌ灭菌后的种子罐中，培养基为液体种子培养基，通气量为１－３ｖｖ－１ｍ－１，搅拌转速为２００－５００ｒｐｍ，培养温度２５－３５℃，培养时间１０－３０ｈ；（８－３）发酵培养基的制备与发酵培养；每升发酵培养基成分包括：木糖母液４００－６００ｍｌ，酵母膏或玉米浆４－１０ｇ，磷酸二氢钾或磷酸二氢钠３－８ｇ，磷酸氢二铵或磷酸氢二钠２－６ｇ，无水硫酸镁０．４－４ｇ，ｐＨ自然；将种子罐中培养好的种子按照５－１０％的体积接种量接种到５０Ｌ灭菌后的发酵罐中，培养基为发酵培养基，发酵温度２５－３５℃，在发酵时间０－３０ｈ内调节通气量为２－４ｖｖ－１ｍ－１，搅拌转速为３００－５００ｒｐｍ，在发酵时间２０－６０ｈ内调节通气量为０－２ｖｖ－１ｍ－１，搅拌转速为１００－２５０ｒｐｍ；（９）固液分离（８）得到的发酵液，得到的固体部分为菌体，重复上述步骤（８）实现菌体的回复利用和木糖醇的多批式生物转化；得到的液体部分为发酵液，经过脱色和脱盐处理后得到发酵清液，保证出料料液的电导率＜５０μｓ／ｃｍ；（１０）将步骤（９）所得发酵清液经色谱系统分离，得到木糖醇相和Ｌ－阿拉伯糖相；（１１）将步骤（１０）所得木糖醇相和Ｌ－阿拉伯糖相分别经浓缩和梯度程序降温结晶的方式得到木糖醇晶体和Ｌ－阿拉伯糖晶体，得到的木糖醇母液和Ｌ－阿拉伯糖母液分别返...
【技术特征摘要】
1.农林废弃物为原料联产木糖、木糖醇和阿拉伯糖清洁工艺，其特征在于，包括以下步骤(1)对农林废弃物原料进行前处理和浸泡预处理；所述的农林废弃物是玉米芯，棉籽壳，玉米秸秆，高粱秸秆，柳稷、小麦秸秆，稻杆，甘蔗渣或桦木；前处理工艺包括原材料的粉碎、除尘、水洗三道工序；所述的浸泡预处理原材料所使用的浸泡液为稀硫酸、稀盐酸或者稀草酸，稀硫酸、稀盐酸或者稀草酸的质量分数为0.1-1.0%，浸泡液与原料的质量分数比为4-8 1，浸泡的温度为20-80°C，浸泡的时间为12-3 ；浸泡预处理结束后，固液分离得到预处理后的原料，分离出的预处理后的原料通过水洗的方式调节PH值至中性，浸泡液回复利用；(2)将预处理后的原料进行蒸煮处理方式水解半纤维素，蒸煮后的体系经过固液分离工序获得富含木糖的蒸煮液；蒸煮温度150-200°C，加热时间0.5-4h，固液质量比1 5_20 ；搅拌转速为 80-150rpm ；工作压力为 0. 8-1. 2MPa ；当蒸煮体系冷却至40°C以下时，将蒸煮液连同水解渣一并从反应釜底部排出，之后通过离心或者板框过滤的方式进行固液分离得到富含木糖的蒸煮液；(3)利用氨水或者氢氧化钠溶液作为中和剂对蒸煮液进行中和处理；(4)经过C3)处理后的蒸煮液，采取TiO2/活性炭光复合材料催化氧化脱色脱毒技术进行处理；1-2L钛酸丁酯逐滴加入到30-40L无水乙醇与2-3L冰乙酸的混合液中，机械搅拌Μ-4 !至溶液变至淡黄色后加入3-4kg活性炭颗粒，使得凝胶态TW2负载到活性炭上，机械搅拌Μ-4 !后过滤出活性炭颗粒，将活性炭颗粒于100°C烘干后在马弗炉中于 400-500°C灼烧2-4h，得Ti02/活性炭复合材料；经过中和处理后的高温蒸煮液采用TiO2/活性炭复合材料进行脱色脱毒处理，具体的工艺为在蒸煮液中加入与蒸煮液中的木糖相比质量为10-20% TiO2/活性炭；在室温的条件下，置于500w紫外灯下进行脱色脱毒，光照时间为l_2h，脱色脱毒结束后通过板框过滤出催化剂，烘干后重复利用；(5)经过(4)处理之后的蒸煮液，采用串联的阴阳离子交换树脂进行脱色脱盐处理得到水解液；工作温度为室温，出料电导率< 50 μ s/cm ；(6)将( 处理后的水解液浓缩至总糖固含量在750-850g/L的木糖液，(7)经过(6)处理之后的木糖液，采用梯度降温结晶的方式生产木糖晶体并得到木糖母液；(8)选择热带假丝酵母Candidatropicalis,季也蒙假丝酵母Candida guilliermondii,斯潘多维假丝酵母Candida spandovensis,近平滑假丝...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁其朋，王乐，范晓光，高雪美，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11
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