一种利用甜高粱同步生产生物丁醇和纳米纤维素的方法
【技术领域】
[0001]本方法属于秸杆资源利用领域，特别涉及一种利用甜高粱同步生产生物丁醇和纳米纤维素的方法。
【背景技术】
[0002]传统丁醇发酵产业普遍存在以下问题:(I)丁醇产量、产率低。(2)溶剂终浓度低。这是丁醇高成本的关键所在。(3) 丁醇在总溶剂中的比例低，后期丁醇回收、分离的成本较高。(4)传统的丁醇发酵普遍采用玉米、糖蜜为粮食原料生产，随着世界粮食的匮乏和粮食价格的上涨，丁醇发酵的成本提高。早期的丁醇工业因其发酵成本高，不敌于石油化工产品而衰落，这也是当今限制其大规模发展的瓶颈所在。
[0003]纳米纤维素是一种新型的高分子功能材料，其直径介于Inm到100 nm之间，长度为100 nm-500nm。纳米纤维素具有独特的结构和优良的性能，在生物、医学、增强剂、造纸工业、净化、传导、与无机物复合、食品工业、磁性复合物等方面的有着广泛应用，誉为拯救世界的“神奇材料”。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种利用甜高粱同步生产生物丁醇和纳米纤维素的方法，降低了用甜高粱生产生物丁醇的成本，具有良好的社会效益和综合经济效益，具体技术方案如下:
a)采用榨汁机对甜高粱秸杆进行榨汁处理，得到甜高粱汁液和秸杆渣；
b)将步骤a)得到的秸杆渣，在1~5MPa压力条件下蒸汽闪爆处理2~25 min，控制闪爆过程时间小于0.1秒，得到汽爆秸杆和汽爆秸杆液；
c)将步骤b)得到的汽爆秸杆水洗，水洗量为汽爆秸杆重的1~2倍，水洗液经过20-40目板框过滤，收集水洗液，与步骤a)得到的甜高粱汁液，步骤b)得到的汽爆秸杆液合并，得到混合秸杆液；
d)向步骤c)得到的汽爆秸杆中加水，加水量为汽爆秸杆重量的1~2倍，再加入纤维素酶，漆酶和木聚糖酶的复合酶酶解，酶解物经过20~40目板框过滤，水洗(加水量为汽爆秸杆重的1~2倍)，再经过20~40目板框过滤后，得到的酶解秸杆纤维，并将水洗液与步骤c)的混合秸杆液合并，得丁醇发酵原糖液。
[0005]e)向将步骤d)得到的酶解秸杆纤维中加水(水的重量为秸杆纤维重量的2~4倍)，制成纳米纤维素悬浮液，经过高压均质，制成纳米纤维素；然后边搅拌，边向纳米纤维素水溶液中加入异丙醇、醋酸酐和硫酸混合液，三者重量分别为秸杆纤维重的3~5倍、4~6倍和
4-6%,反应温度30~60°C，时间1~3 h，离心、超声，调节pH值至中性，即得醋酸酯化改性纳米纤维素。
[0006]f)将步骤d)得到丁醇发酵原糖液用自来水调整糖分，使得糖的含量在4~8%，再添碳酸钙5~9 g/L，磷酸氢二钾1.0~1.5 g/L，磷酸二氢钾1.3~1.7 g/L，硫酸镁0.2~0.3 g/L,硫酸铁 0.008~0.012 g/L，氯霉素 0.1~0.12 g/L, N 源等，用 NaOH 调至 pH 6.5?7，在 121。。下灭菌20 min，制成丁醇发酵培养基，接种丁醇发酵种子液后进行丁醇发酵。
[0007]进一步的步骤a)所述的方法，其特征在于所述的榨汁设备为螺杆式榨汁机，处理能力2-3吨/h，功率10-15 kwo
[0008]步骤a)所述的方法，其特征在于所述的原料为甜高粱。
[0009]进一步的，步骤d)所述的复合酶制剂添加比例0.05-0.15% (以重量计)，复合酶配比(以重量计)纤维素酶:漆酶:木聚糖酶为(1.2~1.5):(1.1-1.2): (0.8~1.0)，纤维素酶酶活为20万u/g，漆酶酶活5万u/g，木聚糖酶5万u/g ;酶解反应温度40~75°C，反应时间
5-20 ho
[0010]进一步的，步骤e)所述的方法，其特征所述高压均质处理时的压力为50~150Mpa，循环4~8次。
[0011]进一步的，步骤(f)中的氮源为玉米浆、菜籽饼、麸皮、豆柏、谷朊粉、米糠、酵母粉、氯化铵磷酸氢二铵、硫酸铵中的任何一种或组合物。氮源的添加比例为:10:1~20:1 (糖含量与蛋白含量之比)。
[0012]更进一步的，步骤f)所述的方法，其特征在于所述的丁醇发酵所用的菌种为丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum) CICC 8012，糖丁酸梭菌(Clostridiumsaccharoacetobutylicum)的一种或混合。丁醇发酵种子液的配制方法:将丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum) CICC 8012 或糖丁酸梭菌(Clostridiumsaccharoacetobutylicum)接入7%的玉米培养基中，38°C厌氧发酵18 h获得种子液。
[0013]进一步的，步骤f)所述的方法，所述丁醇发酵温度为35~39°C，菌株的接种量为5~8%，发酵时间48~80 ho
[0014]甜高粱，又称“二代甘蔗”，含有丰富的糖分汁液，亩产甘蔗2万公斤，由于其产量大，价格廉价是发展生物能源的最佳原料。在《可再生能源发展“十一五”规划》中，甜高粱被列为生物液体燃料的第一个来源。通过对发酵后废弃的杆渣等进行综合利用，提高了甜高粱的综合价值，相应的也降低了丁醇生产的成本，从而实现能源多元化发展，满足国内外市场对生物燃料的需求。
[0015]本发明是一种利用甜高粱同步生产生物丁醇和纳米纤维素的方法，(I)首先通过压榨实现秸杆液和秸杆渣的初步分离，通过汽爆处理秸杆渣，目的是通过高压分子进入秸杆纤维内部，以炸散的形式将物料爆破，实现了秸杆液和秸杆纤维的进一步分离同时，也破坏解离秸杆纤维的紧密结构的同时，增大了秸杆纤维的接触面积，有利于后续的酶解，酶解的主要目的是去除秸杆纤维中的木质素，木聚糖和不定型纤维素，纯化了结晶纤维素，通过高压均质，使得纤维素结构达到纳米纤维素的要求，再通过醋酸酯化，得到具有良好分散性和光泽度的改性纳米纤维素。(2)将水洗液，酶解液和秸杆糖液混合，控制糖的含量在4%-8%，节约了用水，提高了对秸杆中糖分的利用，进而提高了秸杆的综合利用价值，具有良好的经济效益和社会效益。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0017]本发明中所用的丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)CICC 8012和糖丁酸梭菌(Clostridium saccharoacetobutylicum)均购自中国普通微生物菌种保藏管理中心。
[0018]实施例1
取1000 kg甜高粱秸杆榨汁，得到甜高粱汁液和秸杆渣，将秸杆渣在压力为2.0 MPa条件下处理8 min,得到汽爆稻杆液和汽爆稻杆；汽爆稻杆用2000kg的水洗，水温60 V，水洗时间2 ho汽爆秸杆液经过20目板框过滤，滤液与甜高粱汁液、洗出液合并，得到混合秸杆液，滤渣并入汽爆秸杆。向汽爆秸杆中加水，加水量为汽爆秸杆重量的1.5倍，再加入复合酶制剂酶解，复合酶制剂添加比例0.08% (以重量计)，复合酶配比(以重量计)纤维素酶:漆酶:木聚糖酶为1.2:1.1: 0.8，反应温度45 °C，反应时间10 h。酶解物经过40目板框过滤，水洗(加水量为汽爆秸杆重的I倍，水温60°C)，再经过40目板框过滤后，得到酶解纤维素，并将水洗液与上步得到的混合秸杆液合并，得到丁醇发酵原糖液。向酶解纤维素中添加2倍重量的水，制成纤维素悬浮液，在100 MPa压力条件下，循环6次，即得到纳米纤维素悬浮液。然后边搅拌，边向纳米纤维素水溶液中加入异丙醇、醋酸酐和硫酸混合液，三者重量分别为秸杆纤维重的3倍、4倍和4%，反应温度45°C，时间3 h，离心、超声，调节pH值至中性，即得醋酸酯化改性纳米纤维素。所得纳米纤维素纤维酯化取代度为0.03，其直径介于35-40 nm之间，长度为140 -165 nm，具有良好的分散性和光泽度。
[0019]将上步得到的丁醇发酵原糖液，用自来水调整糖含量为6%，再添加碳酸钙6 g/L,磷酸氢二钾1.3 8/1，磷酸二氢钾1.5 g/L，硫酸镁0.25 g/L，硫酸铁0.01 g/L，氯霉素0.12g/L，玉米浆等，使糖含量与蛋白含量之比为18:1，再用NaOH调pH值至6.5，在121°C下灭菌20 min，制得发酵培养基。将糖丁酸梭菌(Clostridium saccharoacetobutylicum)接入 7%的玉米培养基中，厌氧发酵14 h获得种子液，按照7.5%的接种量将种子液接入发酵培养基中，39°C下厌氧发酵80 h，停止发酵，用气相色谱检测发酵液中的溶剂含量，总溶剂达到218/1，其中丁醇含量13.38/1，丙酮5.83 8/1，乙醇1.87 g/L。。
[0020]所述的榨汁设备为螺杆式榨汁机，处理能力2-3吨/h，功率10-15 kw。
[0021]所述的7%玉米培养基的制备方法:量取1000 mL水，加热至70°C，加入70 g玉米粉，保持温度在60°C左右I小时，用纱布过滤后，加入适量的水补足1000 mL，121°C灭菌20min,即制得玉米培养基。
[0022]实施例2:
取1000 kg甜高粱秸杆榨汁，得到甜高粱汁液和秸杆渣，将秸杆渣在压力为4.0 MPa条件下处理6 min，得到汽爆秸杆液和汽爆秸杆；汽爆秸杆用1600 kg的水洗，水温58 °C，水洗时间2 ho汽爆秸杆液经过30目板框过滤，滤液与甜高粱汁液、洗出液合并，得到混合秸杆液，滤渣并入汽爆秸杆。向汽爆秸杆中加