专利名称：：一种利用玉米芯生产丁二酸的方法
技术领域：
：本发明涉及一种农林废弃物玉米芯的综合利用方法，具体地说，涉及一种利用玉米芯发酵法制备丁二酸的方法，属于食品化工领域。
背景技术：
：丁二酸又称为琥珀酸，是一种二元有机酸，它是一种重要的C4平台化合物，可作为合成复杂有机化合物的中间体，广泛应用于制药、食品加工、合成塑料、橡胶、防护涂料、染料和其它工业中。生产丁二酸的方法主要有两种化学合成法和微生物发酵法。传统的化学合成法因使用化石原料、环境污染等原因使丁二酸的生产规模和应用受到较大限制。微生物发酵法生产丁二酸由于效率高、污染小等众多优点，正在被广泛深入地研究。但由于目前微生物发酵法生产丁二酸均利用粮食作物中淀粉为原料，丁二酸的生产需要消耗大量的粮食，形成与人争粮的局面，对人类的生存构成一定威胁。我囯玉米年产量达1.23亿吨，按谷芯比1:0.25计算，玉米芯每年约产0.3亿吨，是巨大潜力的再生资源，尤其是作为再生能源和化工产品的原料受到广泛的重视，但目前除小部分用作生产糠酸、木糖、木糖醇的原料外，大部分未被利用。因此，需要寻找一种不使用石油化工产品、可大规模生产、不与人争粮、原材料来源广泛的丁二酸生产方法。
发明内容本发明的目的在于提供一种综合利用农林废弃物玉米芯，釆用发酵法生产丁二酸的方法。为了实现本发明目的，本发明的一种利用玉米芯生产丁二酸的方法，包括如下步骤1)玉米芯酸解将玉米芯在重量体积百分浓度(g/100ml)0.1~10%的硫酸溶液中进行水解得酸解液，水解温度为4025(TC，水解时间5600分钟；2)固液分离酸解液固液分离，获得富含木糖的第一糖液和玉米芯酸解渣；3)酸解渣酶解用纤维素酶、木聚糖酶或纤维二糖酶中的一种或多种，对玉米芯酸解渣进行酶水解，得酶解液；4)固液分离酶解液固液分离得到富含葡萄糖的第二糖液和富含木质素的酶解渣；5)丁二酸发酵对第一糖液、第二糖液或第一糖液的母液中的一种或多种，采用丁二酸生产菌株进行发酵，在pH5.07.0,温度30~40°C，发酵4080h，得到含丁二酸的发酵成熟醪液。其中，所述玉米芯在酸解之前，可以进行预处理，一般釆用30-150。C下水(可在加压下使水温度超过100。C)或含O.Ol~5%(重量百分比)的无机酸溶液浸泡、洗涤玉米芯5600分钟。步骤l)中所述玉米芯与酸解所用的稀硫酸溶液的重量比为l:2~20。步骤3)中所述酸解渣酶解过程中，酶用量为每克酸解渣2-100PFIU纤维素酶，150IU纤维二糖酶，10~500PFIU木聚糖酶;酶解过程中控制pH为2.07.0,温度为2080。C,酶解时间为10~240小时。所述酸解液和酶解液的固液分离均可釆用板框过滤、离心机分离或带式过滤机过滤等本领域常用的设备及工艺进行。所述第一糖液的母液是指提取含木糖的第一糖液中木糖后剩余的物料。本发明所采用的丁二酸生产菌株为丁二酸放线杆菌，比如琥珀酸放线杆菌。所述丁二酸发酵过程中，所采用的种子培养基重量百分比为玉米水解糖(以玉米为原料，经粉碎、液化、糖化后制得的糖液)1~3%，酵母膏0.2~0.6%,蛋白胨0.1~0.4%，玉米浆0.2-0.6%，Na2CO30.8~1.5%,NaH2PO40.5~1.2%,K2HPO41.0~2.0%，Na2HPO40.1~0.4%，NaClO.l~0.3%，自来水配制。种子培养条件35。C培养10~20小时，pH控制在6.5~7.2,搅拌转速175~300rpm，通风比1:(0.3~0.6)。发酵培养基重量百分比为总糖浓度8~12%,酵母膏0.8~1.6%，蛋白胨0.2~0.6%，玉米浆1.2~1.8%,NaAc0.05~0.2%，NaH2PO40.01~0.04%,K2HPO40.1~0.50/o,Na2HPO40.1~0.050/0,NaC10.02~0.04%,CaCl20.01~0.05%,MgCl20.01~0.05%，自来水配制。发酵培养条件35~39°C,厌氧培养4872小时，pH值控制在6.5-7.1，二氧化碳气体以通风比为1:(0.2-0.5)的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为300rpm。本发明丁二酸的生产方法，其优点在于1.原材料来源广泛我国玉米芯资源丰富，产量达0.3亿吨/年。2.原材料利用率高丁二酸生产菌株大部分可同时利用戊糖和己糖，玉米芯原料中主要成分为戊糖和己糖。3.生产成本低玉米芯较淀粉质原料价格低廉，丁二酸生产成本低。4.产品方案可调节根据巿场情况富含木糖的第一糖液可生产木糖、木糖醇产品，第二糖液可与木糖母液、木糖醇母液混合发酵丁二酸，也可将第一糖液和第二糖液混合发酵生产丁二酸。具体实施例方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例l玉米芯的酸解、酶解方法，包括如下步骤1.先将折干重量为1000公斤，经5(TC水洗涤60分钟，除杂后的玉米芯放入到容积为5立方的酸解锅中，加水定容至4.5立方后将温度加热到110。C并加入40公斤浓硫酸(98%)，保温60分钟。2.将上述物料通过板框分离，并洗涤固相，得到第一糖液4.5立方和玉米芯酸解渣。3.将玉米芯酸解渣加入到容积为5立方的酶解罐中，用氢氧化钙中和至pH6.0并升温至5(TC,按每克酸解渣20PFIU纤维素酶，5IU纤维二糖酶，IOPFIU木聚糖酶，酶水解70小时；4.将上述物料通过板框分离，并洗涤固相，得到第二糖液3.2立方和玉米芯酶解渣。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>实施例2丁二酸的生产方法，包括如下步骤1.丁二酸发酵原料制备实施例l得到的第一糖液经脱色、脱灰、浓缩后得到总糖浓度为12%的糖液。2.丁二酸发酵釆用平板培养的丁二酸放线杆菌菌种(购自南京工业大学，保存编号为CGMCCNo.1716的琥珀酸放线杆菌)接种到玉米水解糖1%，酵母膏0.6%，蛋白胨0.3%，玉米浆0.2%，Na2C030.8%,NaH2P040.8%,K2HPO41.0%，Na2HPO40.4%,NaCl0.3%,自来水配制的摇瓶种子培养基中培养，35。C培养20小时，pH控制在6.5，摇床转速180rpm。再将培养好的摇瓶种子接入与摇瓶种子培养基相同的种子罐中通入二氧化碳培养，35'C培养18小时，pH控制在6.5，搅拌转速175rpm，通风比l:0.4。再将培养好的摇瓶种子接入发酵摇瓶，种子罐培养好的种子接入发酵罐培养。发酵培养基重量百分比为第一糖液总糖浓度12%,酵母膏0.8%，蛋白胨0.4%,玉米浆1.2%,NaAc0.05%，NaH2P040.04%，K2HP040.40/0,Na2HPO40.1%,NaCl0.02o/o，CaCl20.05o/o，MgCl20.01%，自来水配制。选用5L全自动发酵罐，121。C灭菌15分钟，冷却至37。C，将培养好的琥珀酸放线杆菌液体种子接入。发酵过程中流加无菌中和剂(一般釆用碳酸镁或氢氧化镁或氢氧化钠)将pH值控制在6.5，二氧化碳气体以通风比为1:0.2的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为300rpm，温度控制在35'C，厌氧培养62小时，丁二酸产率达到5.89%。实施例3丁二酸的生产方法，包括如下步骤1.丁二酸发酵原料制备实施例l得到的第二糖液经脱色、脱灰、浓缩后得到总糖浓度为12%的糖液。2.丁二酸发酵采用平板培养的丁二酸放线杆菌菌种(购自南京工业大学，保存编号为CGMCCNo.1716的琥珀酸放线杆菌)接种到玉米水解糖3%，酵母膏0.2%,蛋白胨0.4%,玉米浆0.6%，Na2CO30.8%,NaH2PO40.5%,K2HPO41.0%,Na2HPO40.1%,NaC10.3%，自来水配制的摇瓶种子培养基中培养，35'C培养10小时，pH控制在7.2,摇床转速180rpm。再将培养好的摇瓶种子接入与摇瓶种子培养基相同的种子罐中通入二氧化碳培养，35。C培养10小时，pH控制在7.2,搅拌转速300rpm，通风比1:0.6。再将培养好的摇瓶种子接入发酵摇瓶，种子罐培养好的种子接入发酵罐培养。发酵培养基重量百分比为第二糖液总糖浓度8%,酵母膏0.8%，蛋白胨0.2%,玉米浆1.8%，NaAc0.2%，NaH2PO40.01%,K2HPO40.5%，Na2HPO40.1%,NaC10.04%，CaCl20.01%，MgCl20.05%，自来水配制。选用5L全自动发酵罐，12rC灭菌15分钟，冷却至37。C时将培养好的丁二酸放线杆菌液体种子接入。发酵过程中流加无菌中和剂将pH值控制在7.1,二氧化碳气体以通风比为1:0.5的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为300rpm，温度控制在37'C，厌氧培养55小时，丁二酸产率达到5.58%。实施例4丁二酸的生产方法，包括如下步骤1.丁二酸发酵原料制备实施例2的12%的糖液、实施例3的12%的糖液混合后得到总糖浓度为12%的混合糖液。2.丁二酸发酵采用平板培养的丁二酸放线杆菌菌种接种到玉米水解糖2%，酵母膏0.5%,蛋白胨0.1%，玉米浆0.2%，Na2C031.5%,NaH2P041.2%，K2HPO42.0%,Na2HPO40.1%,NaC10.3%,pH自然，自来水配制的摇瓶种子培养基中培养，35'C培养14小时，pH控制在6.8，摇床转速180rpm。再将培养好的摇瓶种子接入与摇瓶种子培养基相同的种子罐中通入二氧化碳培养，35'C培养10小时，pH控制在7.0,搅拌转速200rpm，通风比1:0.3。再将培养好的摇瓶种子接入发酵摇瓶，种子罐培养好的种子接入发酵罐培养。9发酵培养基重量百分比为混合糖液总糖浓度10%,酵母膏1.2%，蛋白胨0.3%，玉米浆1.6%,NaAc0.1%,NaH2PO40.04%，K2HPO40.3%，Na2HPO40.06%，NaC10.03%，CaCl20.01%,MgCl20.04%,自来水配制。选用5L全自动发酵罐，12rC灭菌15分钟，冷却至37。C时将培养好的丁二酸放线杆菌液体种子接入。发酵过程中流加无菌中和剂将pH值控制在6.5，二氧化碳气体以通风比为1:0.3的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为300rpm,温度控制在36。C，厌氧培养56小时，丁二酸产率达到5.83%。实施例5丁二酸的生产方法，包括如下步骤1.丁二酸发酵原料制备实施例2得到的总糖浓度为12%第一糖液经浓缩、结晶后得到结晶木糖和总糖浓度为65%的木糖母液。将总糖浓度为65%的木糖母液加水配制成总糖浓度为12%糖液。2.丁二酸发酵釆用平板培养的丁二酸放线杆菌菌种接种到玉米水解糖1%，酵母膏0.2%,蛋白胨0.4%，玉米浆0.5%,Na2C031.5%，NaH2PO40.6%，K2HP041.4%，Na2HPO40.2%，NaC10.3%,自来水配制的摇瓶种子培养基中培养，35。C培养20小时，pH控制在7.0，摇床转速180rpm。再将培养好的摇瓶种子接入与摇瓶种子培养基相同的种子罐中通入二氧化碳培养，35"C培养20小时，pH控制在7.0,搅拌转速200rpm,通风比1:0.5。再将培养好的摇瓶种子接入发酵摇瓶，种子罐培养好的种子接入发酵罐培养。发酵培养基重量百分比为木糖母液总糖浓度12%,酵母膏1.0%，蛋白胨0.2%,玉米浆1.6%，NaAcO.12%，NaH2PO40.02%,K2HPO40.4%,Na2HPO40.08%，NaClO.03%,CaCl20.02%,MgCl20.03%,pH自然，自来水配制。选用5L全自动发酵罐，121。C灭菌15分钟，冷却至37。C,将培养好的丁二酸放线杆菌液体种子接入。发酵过程中流加无菌中和剂将pH值控制在6.6，二氧化碳气体以通风比为1:0.5的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为300rpm，温度控制在36t:,厌氧培养48小时，丁二酸产率达到5.46%。实施例6丁二酸的生产方法，包括如下步骤1.丁二酸发酵原料制备实施例5得到的总糖浓度为65%的木糖母液加水配制成总糖浓度为12%糖液。将实施例3处理后总糖浓度为12%的第二糖液与上述糖液液按2:1混合后得到浓度为12%的混合糖液。2.丁二酸发酵釆用平板培养的丁二酸放线杆菌菌种接种到玉米水解糖2%,酵母膏0.3%，蛋白胨0.2%,玉米浆0.5%,Na2C031.2%，NaH2PO40.8%，K2HP041.5%，Na2HPO40.2%,NaC10.3%,自来水配制的摇瓶种子培养基中培养，35。C培养12小时，pH控制在6.8,摇床转速180rpm。再将培养好的摇瓶种子接入与摇瓶种子培养基相同的种子罐中通入二氧化碳培养，35。C培养12小时，pH控制在6.8，搅拌转速225rpm，通风比1:0.4。再将培养好的摇瓶种子接入发酵摇瓶，种子罐培养好的种子接入发酵罐培养。发酵培养基重量百分比为混合糖液总糖浓度10%,酵母膏1.0%,蛋白胨0.2%,玉米浆1.5%,NaAc0.08%，NaH2PO40.012%,K2HPO40.3%,Na2HPO40.06%,NaClO.03%,CaCl20.04%，MgCl20.02%，自来水配制。选用5L全自动发酵罐，121。C灭菌15分钟，冷却至37。C,将培养好的丁二酸放线杆菌液体种子接入。发酵过程中流加无菌中和剂将pH值控制在6.6,二氧化碳气体以通风比为1:0.3的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为300rpm,温度控制在35"C,厌氧培养52小时，丁二酸产率达到5.69%。实施例7玉米芯的酸解、酶解方法，包括如下步骤1.先将折干重量为600公斤，经30。C重量百分数0.1。/。的盐酸溶液洗涤600分钟，除杂后的玉米芯放入到容积为5立方的酸解锅中，加水定容至4.5立方后将温度加热到150。C并加入100公斤浓硫酸，保温30分钟。2.将上述物料通过离心机分离，并洗涤固相，得到第一糖液4.4立方和玉米芯酸解渣。3.将玉米芯酸解渣加入到容积为5立方的酶解罐中，用氢氧化钩中和至pH7.0并升温至80。C，按每克酸解渣2PFIU纤维素酶，500PFIU木聚糖酶，酶水解240小时；4.将上述物料通过板框分离，并洗涤固相，得到第二糖液3.0立方和玉米芯酶解渣。实施例8玉米芯的酸解、酶解方法，包括如下步骤1.先将折干重量为500公斤，经90。C水洗涤5分钟，除杂后的玉米芯放入到容积为5立方的酸解锅中，加水定容至4.0立方后将温度加热到40。C并加入350公斤浓硫酸，保温600分钟。2.将上述物料通过带式过滤机过滤，并洗涤固相，得到第一糖液4.0立方和玉米芯酸解渣。3.将玉米芯酸解渣加入到容积为5立方的酶解罐中，用碳酸钩中和至pH2.0并控温至20。C,按每克酸解渣100PFIU纤维素酶，IIU纤维二糖酶，50PFIU木聚糖酶，酶水解10小时；4.将上述物料通过板框分离，并洗涤固相，得到第二糖液3.0立方和玉米芯酶解渣。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。权利要求1.一种利用玉米芯生产丁二酸的方法，其特征在于，包括如下步骤1)玉米芯酸解将玉米芯在重量体积百分浓度0.1～10％的硫酸溶液中进行水解得酸解液，水解温度为40～250℃，水解时间5～600分钟；2)固液分离酸解液固液分离，获得富含木糖的第一糖液和玉米芯酸解渣；3)酸解渣酶解用纤维素酶、木聚糖酶或纤维二糖酶中的一种或多种，对玉米芯酸解渣进行酶水解，得酶解液；4)固液分离酶解液固液分离得到富含葡萄糖的第二糖液和富含木质素的酶解渣；5)丁二酸发酵对第一糖液、第二糖液或第一糖液的母液中的一种或多种，采用丁二酸生产菌株进行发酵，在pH5.0～7.0，温度30～40℃，发酵40～80h，得到含丁二酸的发酵成熟醪液。2.权利要求l所述的利用玉米芯生产丁二酸的方法，其特征在于，所述玉米芯在酸解之前先进行预处理，釆用30~15(TC下水或含重量百分比0.01~5%的无机酸浸泡、洗涤玉米芯5~600分钟。3.权利要求1或2所述的利用玉米芯生产丁二酸的方法，其特征在于，所述玉米芯与酸解所用的硫酸溶液的重量比为1:220。4.权利要求l-3任意一项所述的利用玉米芯生产丁二酸的方法，其特征在于，所述酸解渣酶解过程中，酶用量为每克酸解渣2IOOPFIU纤维素酶，150IU纤维二糖酶，10500PFIU木聚糖酶；酶解过程中控制pH为2.07.0，温度为2080。C,酶解时间为10240小时。5.权利要求l-4任意一项所述的利用玉米芯生产丁二酸的方法，其特征在于，所述酸解液的固液分离采用板框过滤、离心机分离或带式过滤机。6.权利要求1-5任意一项所述的利用玉米芯生产丁二酸的方法，其特征在于，所述丁二酸生产菌株为丁二酸放线杆菌。7.权利要求l-6任意一项所述的利用玉米芯生产丁二酸的方法，其特征在于，所述丁二酸发酵过程中，所釆用的种子培养基重量百分比为玉米水解糖1~3%，酵母膏0.2-0.6%,蛋白胨0.1~0.4%，玉米浆0.2~0.6%，Na2CO30.8~1.5%,NaH2PO40.5~1.2°/。，K2HP041.0—2.0%,Na2HPO40.1~0.4%，NaCl0.1-0.3%,pH自然；种子培养条件35。C培养10~20小时，pH控制在6.5~7.2,搅拌转速175~300rpm,通风比1:(0.3—0.6)。8.权利要求l-7任意一项所述的利用玉米芯生产丁二酸的方法，其特征在于，所述丁二酸发酵中发酵培养基重量百分比为总糖浓度8~12%，酵母膏0.8-1.6%,蛋白胨0.2~0.6%，玉米浆1.2~1.8%，NaAc0.05~0.20/o,NaH2P040.01~0.04%，K2HP040.1~0.50/0,Na2HP040.1—0.05%，NaCl0.02~0.040/o，CaCl20.01~0.050/o,MgCl20.01-0.05%,发酵培养条件35~39°C,厌氧培养4872小时，pH值控制在6.5-7.1,二氧化碳气体以通风比为1:(0.2-0.5)的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为300rpm。全文摘要本发明提供了一种利用玉米芯生产丁二酸的方法，其包括如下步骤先将玉米芯在体积百分浓度0.1～10％的硫酸溶液中进行水解得酸解液，水解温度为40～250℃，水解时间5～600分钟；然后酸解液固液分离，获得富含木糖的第一糖液和玉米芯酸解渣；再用纤维素酶、木聚糖酶或纤维二糖酶中的一种或多种，对玉米芯酸解渣进行酶水解，得酶解液；酶解液固液分离得到富含葡萄糖的第二糖液和富含木质素的酶解渣；最后对第一糖液、第二糖液或第一糖液的母液中的一种或多种，采用丁二酸生产菌株进行发酵，在pH5.0～7.0，温度30～40℃，发酵40～80h，得到含丁二酸的发酵成熟醪液。本发明的方法具有原料来源广泛、生产成本低的优点。文档编号C12R1/01GK101608192SQ20091008950公开日2009年12月23日申请日期2009年7月22日优先权日2009年7月22日发明者岷姜,尚海涛,李荣杰,欧阳平凯,薛培俭申请人:安徽丰原发酵技术工程研究有限公司