一種纖維素廢棄物生物制備乙醇并聯產殼聚糖的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬生物化工技術領域，具體涉及一種纖維素廢棄物生物制備乙醇并聯產殼聚糖的方法。
【背景技術】
[0002]植物纖維資源是地球上最豐富的可再生資源，隨著地球上化石資源的日趨枯竭，利用可再生的植物纖維資源替代化石原料生產能源、化學品和材料是人類社會可持續發展戰略的重要舉措之一。目前，植物纖維資源中的纖維素廢棄物由于具有資源量大、價格低廉、利用率低等特點而被公認為是生產替代能源、化學品和材料的潛在原料。纖維素廢棄物生物煉制能源、化學品和材料主要包括原料預處理、纖維素糖化和糖液發酵三個過程，其中原料預處理過程的目的是破壞纖維素廢棄物中纖維素、半纖維素和木質素之間的致密結構，實現纖維素、半纖維素和木質素的有效分離，從而提高纖維素對纖維素酶的可及度及纖維素糖化效率。稀酸蒸汽爆破是常用的纖維素廢棄物的預處理方法，纖維素廢棄物經稀酸蒸汽爆破預處理后，大多數半纖維素木聚糖在預處理過程中以單糖木糖的形式溶出，實現了纖維素、半纖維素和木質素的有效分離，同時，在蒸汽爆破過程中，部分碳水化合物(纖維素、半纖維素)和木質素在酸與熱的作用下發生降解和分解作用，形成一批對后續發酵有抑制作用的物質。
[0003]殼聚糖是自然界中存在的一種堿性同聚高分子多糖物質，在食品、藥品、污水處理、化妝品、農業等方面應用廣泛。此外，由于具有良好的生物相容性、生物可降解性和生物安全性，殼聚糖作為新型功能材料的原料，近年來在藥學和材料學領域的應用得到廣泛的研宄。目前，殼聚糖工業化生產的原料主要來源于蝦、蟹等水生動物的甲殼，隨著海洋環境和集約化養殖環境的污染，重金屬、抗生素等有害物質在蝦、蟹中的累積限制了殼聚糖的應用領域。部分微生物含有豐富的殼聚糖，與蝦、蟹來源的殼聚糖相比，微生物來源的殼聚糖具有更好的安全性和更廣泛的應用領域，且微生物來源的殼聚糖生產不受季節的限制。米根霉中含有豐富的殼聚糖，利用微生物培養的方法生產米根霉菌體并提取殼聚糖，不僅拓寬了殼聚糖生產的原料來源，而且可獲得高品質殼聚糖材料。
[0004]纖維素廢棄物經稀硫酸蒸汽爆破預處理、洗滌、過濾后，可獲得易于酶解、富含纖維素的固體渣和富含木糖的預水解液。固體渣可經纖維素酶糖化、酵母發酵制備乙醇。預水解液的利用目前研宄主要集中在用于發酵制備乙醇上，但含發酵抑制物質的預水解液的木糖乙醇發酵技術尚未完全成熟，有待于進一步研宄。米根霉屬于絲狀真菌，具有較好的抗抑制物能力，可利用纖維素廢棄物稀酸蒸汽爆破預水解液中的木糖和葡萄糖為碳源良好生長。因此，纖維素廢棄物稀酸蒸汽爆破預水解液可用于培養米根霉，繼而可從米根霉菌體中提取尚品質殼聚糖材料。
【發明內容】
[0005]發明目的:針對纖維素廢棄物稀硫酸蒸汽爆破預水解液難以利用的問題，本發明的目的是提供一種纖維素廢棄物制備乙醇并聯產殼聚糖的方法，有效綜合利用生物質原料。
[0006]技術方案:為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為:
一種纖維素廢棄物制備乙醇聯產殼聚糖的方法，包括以下步驟:
1)纖維素廢棄物于質量濃度0.5-1.0%的硫酸溶液中浸泡2-4 h，轉入蒸汽爆破器中于1.5-2.2 MPa下處理1_15 min，用固液比為1:10_1:20的水洗滌預處理物料，過濾得到預水解液和固體渣；
2)將步驟I)產生的固體渣與纖維素酶混合，加入水，pH緩沖液或酸、堿，混合至底物濃度5-20%，控制pH值在4.6-5.0，反應體系中每克纖維素的纖維素酶用量為10-40 FPU、β-葡萄糖苷酶用量3-20 U，于45-55 °0條件下酶解反應36 h以上；
3)酶解結束后，在酶解體系中加入釀酒酵母，并于28-30°C下發酵12-24h制備乙醇；
4)將步驟I)產生的預水解液中和至pH值6.0-7.0后作為培養基于25-40°C培養米根霉24 h以上，獲得富含殼聚糖的米根霉菌體；
5)從步驟4)獲得的米根霉菌體中提取殼聚糖。
[0007]所述的纖維素酶是木霉、曲霉或其它細菌產生的能降解纖維素成葡萄糖的纖維素酶的一種或多種酶的復合物。
[0008]所述的纖維素廢棄物包括農作物秸桿、含纖維素的工業加工廢棄物和城市纖維垃圾。
[0009]步驟I)中，用蒸餾水數次洗滌、過濾預處理物料；合并洗滌液得到預水解液，并蒸發濃縮至含木糖20g/L以上。
[0010]步驟3)中，在所述酶解液中加入尿素、硫酸鎂、氯化鋅、氯化鈣和活性釀酒酵母干粉使酵母OD52tlnm值為15，在攪拌轉速80轉/分、30°C條件下發酵24h。
[0011]步驟4)中，將預水解液濃縮后加入碳酸鈣中和至pH 6.5，離心取上清，加入尿素、KH2PO4, MgSO4, ZnSO4, FeSO4,按10%的接種量接入米根霉種子，于35 °C,220轉/分的搖床中培養24h以上，獲得米根霉菌體。
[0012]步驟5)中，將含米根霉菌體的培養液抽濾，并用蒸餾水洗滌菌體，用IM NaOH于121°C條件下處理米根霉菌體15 min，水洗沉淀至中性，隨后使用2%的醋酸于95 °C條件下處理24 h，過濾，取上清液，用50% NaOH調節上清液pH至11，固液分離，水洗沉淀至中性，乙醇洗滌，冷凍干燥即得到殼聚糖。
[0013]上述方法中，所用的纖維素酶可以是木霉(Trichoderma)、曲霉(AspergiIlus)或其它細菌產生的能降解纖維素成葡萄糖的纖維素酶的一種或多種酶的復合物。
[0014]本發明提出的纖維素廢棄物經稀硫酸蒸汽爆破預處理、洗滌、過濾后，得到易于酶解、富含纖維素的固體渣和富含木糖的預水解液。固體渣可經纖維素酶糖化、酵母發酵制備乙醇；預水解液作為培養基用于培養米根霉，并從米根霉中提取殼聚糖。
[0015]有益效果:與現有技術相比，本發明提出的纖維素廢棄物制備乙醇聯產殼聚糖的技術方法，通過稀硫酸蒸汽爆破預處理分離纖維素和半纖維素，纖維素通過纖維素酶糖化、乙醇發酵步驟制備乙醇，富含木糖的預水解液作為培養基培養米根霉并從米根霉中提取殼聚糖。本技術方法可解決纖維素廢棄物稀硫酸蒸汽爆破預水解液難以利用的問題，實現纖維素廢棄物中纖維素和半纖維素的全值利用，有利于降低纖維素廢棄物生物煉制的成本。
【附圖說明】
[0016]圖1是玉米秸桿稀酸蒸汽爆破預處理物料纖維素酶水解歷程圖；
圖2是纖維素酶水解糖液乙醇發酵歷程圖；
圖3是預水解液米根霉培養歷程圖。
【具體實施方式】
[0017]根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的內容僅用于說明本發明，而不應當