CN101195838B

CN101195838B - 一种玉米芯的新用途

Info

Publication number: CN101195838B
Application number: CN200810019413A
Authority: CN
Inventors: 李荣杰; 薛培俭; 郑辉; 黄之文; 宋家林; 邓远德; 尚海涛; 穆晓玲
Original assignee: Anhui BBCA Fermentation Technology Engineering Research Co Ltd
Current assignee: Anhui BBCA Fermentation Technology Engineering Research Co Ltd
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-01-04
Also published as: CN101195838A

Abstract

一种玉米芯的新用途，就是玉米芯在发酵法制备柠檬酸中的应用。其制备方法包括酸解、酶解、发酵、分离和后处理。酸解就是玉米芯在0.5～1.2％的稀硫酸溶液中于90～140℃条件下水解1.0～3.5小时，分离、洗涤得到酸解渣，酶解就是用纤维素酶和纤维素二糖酶等对酸解渣进行酶水解，使纤维素转化为葡萄糖，分离、洗涤，然后对含葡萄糖的酶解液用公知黑曲霉菌进行发酵，使葡萄糖转化为柠檬酸，最后经后处理得到纯度≥99.8％的一水柠檬酸晶体。每生产1吨柠檬酸约消耗5～7吨玉米芯，使柠檬酸的原料成本大幅度降低。

Description

一种玉米芯的新用途

一、技术领域

本发明涉及一种农业废弃物的综合利用，确切地说是一种玉米芯发酵制备柠檬酸的新用途。

二、背景技术

柠檬酸又名枸橼酸，英文名citric acid，化学名称为3-羟基-3-羧基戊二酸。外观无色半透明晶体，或白色颗粒，或白色结晶性粉末。柠檬酸结晶形态因结晶条件不同而不同，有无水柠檬酸C₆H₈O₇，也有含结晶水的柠檬酸2C₆H₈O₇·H₂O、C₆H₈O₇·H₂O或C₆H₈O₇·2H₂O。商品柠檬酸主要是无水柠檬酸和一水柠檬酸。

我国传统生产柠檬酸的生产方法是用含淀粉质的农产品为原料。申请人曾首创玉米粉直接发酵法制备柠檬酸的方法(ZL95111000)。目前该方法是国内生产柠檬酸的最具代表性的方法。从广义上来说，任何含淀粉的农产品和含葡萄糖的农产品的副产品，都能作为柠檬酸的发酵原料，如玉米、薯类、制糖工业副产品等。基本路线是：原料粉碎、液化、发酵生产柠檬酸，这些原料的共同特点就是利用粮食的淀粉质，柠檬酸的生产需要消耗大量的粮食，形成与人争粮的局面，对人类的生存构成威胁。

我国玉米年产量达1.23亿吨，按谷芯比1∶0.25计算，玉米芯每年也约产0.3亿吨，是具有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材料受到广泛的重视，但目前除一小部分用作生产糠醛的原料外，大部分未被利用。

玉米芯主要成分是半纤维素、纤维素、木质素及灰份和水等，其中两种主要糖源是半纤维素和纤维素。半纤维素占玉米芯总重量的25％～35％，而纤维素占玉米芯总重量的34％～40％。纤维素结构单元是由β-D-葡萄糖基β-1，4-糖苷键联结而成的线性葡萄糖高分子聚合物，每个纤维分子由800-1200个葡萄糖分子组成，由于其结晶结构，很难被降解。半纤维素主要是木糖，以及少量***糖、半乳糖、甘露糖等组成的复杂分子聚合物，半纤维素较易酸水解为单糖。而木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物，是一种酚类聚合物，起胶质的作用，将纤维素和半纤维素连接在一起。因此，如果要获得足以工业化发酵获取柠檬酸的葡萄糖，首先要对原料进行净化预处理和稀酸处理，并破坏半纤维素和纤维素的缠绕结构，有利于纤维素的酶解，获得发酵生产柠檬酸的葡萄糖源；同时获得发酵生产木糖醇的木糖源。

有关玉米芯原料的酸解提取木糖发酵生产木糖醇，申请人已另外申请了发明专利(申请号200710063303.8)。

三、发明内容

本发明旨在综合利用玉米芯，所要解决的技术问题是由玉米芯酸解渣酶解成葡萄糖再发酵法生产柠檬酸。

本发明所称的玉米芯的新用途就是玉米芯在发酵法制备柠檬酸中的应用。

玉米芯发酵法制备柠檬酸的方法包括酸解、酶解、发酵、分离和后续的产品分离提纯，所述的酸解就是玉米芯在0.5～1.2％(重量百分比，下同)的稀硫酸溶液中于90～140℃条件下水解1.0～3.5小时，然后过滤分离，洗涤，酸解液用于发酵生产木糖醇，酸解渣用于生产柠檬酸.

为方便以后的脱色处理，在酸解之前可对玉米芯进行预处理，所述的预处理就是用0.05～0.15％的稀硫酸溶液于75～105℃下搅拌0.5～3.0小时，然后分离。

所述的酶解就是用纤维素酶和纤维素二糖酶或者纤维素酶和木聚糖酶或者纤维素酶和纤维素二糖酶和木聚糖酶，对酸解渣进行酶水解。纤维素酶用量为酸解渣中按纤维素总量计算，每克纤维素用纤维素酶量为15-40PFIU，每克纤维素用纤维二糖酶量为10-30IU或每克纤维素用木聚糖酶量为100-300PFIU。酶解pH4.0～6.0，温度30～70℃，时间40～60小时，优选酶解pH4.5～5.5，温度40～60℃。酶解结束后过滤分离，洗涤。酶解渣主要含木质素，另进行深加工，酶解液经脱色浓缩后用于发酵制备柠檬酸。酶解液中主要含葡萄糖，此外还含少量木糖、***糖等，总糖浓度约5-10％左右，葡萄糖浓度3.75％-7.5％左右。

所述的发酵就是用黑曲霉菌对酶解液进行有氧发酵。黑曲霉菌使葡萄糖转化为柠檬酸，而对木糖、***糖等无作用。

葡萄糖为黑曲霉菌提供碳源，此外还需要提供氮源等其他营养元素，也就是黑曲霉菌在以下酶解液中进行发酵：葡萄糖10～15％、尿素0.1～0.2％、硫酸镁0.05～0.08％、玉米浆0.05-0.1％、pH5.5～6.5，将上述酶解液灭菌后接入黑曲霉菌种子液，于33～38℃下发酵60～70小时，发酵期间通无菌空气，通风量0.2～0.5m³/min。

发酵结束后过滤分离，洗涤滤渣，使其内残留的柠檬酸尽可能洗净，滤渣主要含菌丝体，可加工饲料，滤液进行后处理，以制备一水柠檬酸晶体。

滤液中除含柠檬酸外，还含有木糖、***糖、甘露糖等杂糖、色素以及少量葡萄糖，鉴于糖类属非电解质，因此可以膜(电驱动膜)分离法(亦称电渗析法)使柠檬酸与糖类分离，实现第一步纯化，然后中和使柠檬酸生成柠檬酸钙沉淀分离，实现第二步纯化，最后将柠檬酸钙酸解还原成柠檬酸，经浓缩、结晶和干燥后得到一水柠檬酸晶体。

本发明开创了以玉米芯为原料替代淀粉质生产柠檬酸的新途径。每生产1吨柠檬酸约消耗5～7吨玉米芯，使柠檬酸的原料成本大幅度降低。所得到的一水柠檬酸晶体纯度≥99.8％，其他各项指标均达到BP2003版和USP28版的标准。

四、具体实施方式

以下结合实施例，对本发明作进一步描述：

1、玉米芯预处理

取100Kg玉米芯，清理后，加入自来水，清洗玉米芯表面的泥土及灰尘。然后沥去污水，投入1000L反应釜中，再加入0.1％的H₂SO₄溶液600Kg，在搅拌的情况下加热至80℃，停留1小时，放出稀酸水。或将以上两工艺顺序颠倒操作。

搪瓷釜(淄博工业搪瓷厂生产)锚式搅拌，转速60rpm，夹套加热、冷却。

2、玉米芯的酸解

向上述釜中加入0.8％的H₂SO₄溶液400～600kg，在搅拌的情况下加热至120℃，保持2小时，酸解结束，离心过滤、洗涤，滤液为木糖液，去发酵生产木糖醇或其他产品.滤渣即为酸解渣162Kg，水份70％，用于生产柠檬酸.

离心机为辽宁辽阳友信制药机械科技有限公司生产的SS450。

3、酸解渣酶解

将酸解渣和2.0-4.0倍量的自来水投入酶解釜中，搅拌下用NaOH或Na₂CO₃调pH5，然后按每克纤维素用纤维素酶量为15-40PFIU，每克纤维素用纤维二糖酶量为10-30IU或每克纤维素用木聚糖酶量为100-300PFIU，加入纤维素酶和纤维素二糖酶和木聚糖酶，升温至50℃，酶解时间60小时。酶解结束后，离心过滤分离，并水洗。

酶解液中总糖浓度为6.7％，其中葡萄糖浓度5％，得到总葡萄糖为27.5克。

酶解釜为上海申生科技有限公司生产的500L玻璃反应釜。

纤维素酶购自无锡杰能科生物工程有限公司。

纤维素二糖酶和木聚糖酶均购自杭州祥龙生物技术有限公司。

酶解液脱色、浓缩。按酶解液重量加入0.1～0.5％的活性炭于75～80℃脱色0.5小时，过滤分离，然后浓缩至葡萄糖浓度15wt％。采用RO膜或/和热力蒸发器浓缩。

RO膜为凯能高科技工程(上海)有限公司生产的试验膜；蒸发器为上海申生科技有限公司生产的30L浓缩试验装置。

4、酶解液发酵

(1)种子液的制备

菌种：黑曲霉Co827。为本公司生产菌种。

制曲：1000mL三角烧瓶，每只烧瓶装入经充分淘洗，水份65％的大片麦麸皮38-40g，121℃灭菌1小时，冷却后，接入一环黑曲霉菌种孢子，37℃培养6-8天。

种子罐培养基：酶解液8-10％、尿素0.1％、硫酸镁0.05％、玉米浆0.3％，余量为水。

种子罐培养条件：通风风量1：0.5(0.5m³无菌空气/m³·min)；温度：36～37℃；pH自然，周期30小时。

(2)酶解液发酵

将葡萄糖浓度15％的酶解液投入发酵罐中，搅拌下加入尿素、硫酸镁和玉米浆，使其浓度依次为0.15％、0.06％和0.06％，用碱调pH至6，在90℃条件下，灭菌半小时，然后冷却到36～37℃，接入黑曲霉菌种子液，接种量为发酵液体积的10％，于36～37℃下发酵65小时，发酵期间通无菌空气，0.3m³/min.m³。

发酵液外观褐色，柠檬酸含量10～13％(W/V)，葡萄糖对柠檬酸的转化率95％。

5、后处理

(1)发酵结束后过滤分离，水洗滤渣，使其内残留的柠檬酸尽可能洗净。

(2)第一次纯化：

电渗析法分离柠檬酸：将滤液投入电渗析分离器，进行柠檬酸和杂糖等不电离物质的分离。电渗析分离器规格400×600，共80对阴阳膜的实验装置。淡水室的物料、浓水室的自来水和极水在泵的作用下各自循环流动，柠檬酸酸根和氢离子以离子状态分别通过阴膜和阳膜进入浓水室中。淡水室的酸液的电导率由初始的6000us/cm，降至100us/cm以下。操作条件：常温、常压。电压：≤60v。电渗析分离收率98％。

(3)第二次纯化：

将电渗析得到的酸液投入中和釜中，搅拌下加CaCO₃或Ca(OH)₂中和，使柠檬酸生成钙盐沉淀析出，静置使沉淀完全，然后分离，得到柠檬酸钙。

酸解：用硫酸酸解柠檬酸钙，得到柠檬酸溶液和硫酸钙沉淀，分离得到柠檬酸溶液，柠檬酸浓度30～45％(W/V)。中和、酸解收率为92％左右。

(4)将柠檬酸溶液投入真空旋转蒸发器中进行浓缩，直至柠檬酸浓度75％左右时将浓缩液投入结晶釜中，待结晶完全后分离，真空干燥至含水量＜0.2％，即得成品一水柠檬酸。

Claims

1.一种玉米芯的新用途，其特征在于：玉米芯经酸解、过滤分离、洗涤后的酸解渣在发酵法制备柠檬酸中的应用，所述的酸解是玉米芯经预处理后在0.5～1.2wt％稀硫酸溶液中于90～140℃条件下水解1.0～3.5小时，经过滤分离、洗涤后得到酸解渣，所述的预处理是玉米芯在0.05～0.15wt％稀硫酸溶液中于75～105℃下搅拌0.5～3.0小时；所述的发酵法制备柠檬酸就是酸解渣先酶解得到酶解液，然后对酶解液进行发酵，所述的酶解就是用纤维素酶和纤维素二糖酶、或者纤维素酶和木聚糖酶、或者纤维素酶和纤维素二糖酶和木聚糖酶对酸解渣进行酶水解，纤维素酶用量为酸解渣中按纤维素总量计算，每克纤维素用纤维素酶量为15-40PFIU，每克纤维素用纤维二糖酶量为10-30IU，或每克纤维素用木聚糖酶量为100-300PFIU，酶解pH4.5～5.5，温度40～60℃，时间40～60小时，酶解结束后过滤分离，洗涤得到酶解液；所述的发酵是酶解液经脱色、浓缩、配制、灭菌后接入黑曲霉菌种子液，于33～38℃下发酵60～70小时，发酵期间通无菌空气，通风量0.2～0.5m³/min。