CN102268490A - 农林废弃物为原料联产木糖、木糖醇和***糖清洁工艺 - Google Patents

Abstract

农林废弃物为原料联产木糖、木糖醇和***糖清洁工艺属于农林废弃物利用领域。本发明步骤：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-***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-***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-***糖产品，二者母液回复利用。

Description

农林废弃物为原料联产木糖、木糖醇和***糖清洁工艺

技术领域

本发明涉及一种利用农林废弃物联合生产木糖、木糖醇和L-***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-***糖晶体的方法。

背景技术

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-***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。本发明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-***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***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-***糖和木糖一样，也是一种无热量糖，L-***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-***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-***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-***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28％(以棉籽壳的质量计)，其中葡萄糖占14％，木糖占66％，L-***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-***糖占19-24％，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-***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。

发明内容

本发明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-***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-***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。本发明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-***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-***糖的损失，同时葡萄糖的去除也有利于木糖醇和L-***糖的分离结晶。本发明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-***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-***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***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Candidaguilliermondii，斯潘多维假丝酵母Candida spandovensis，***滑假丝酵母Candida parapsilokis，白假丝酵母Candida albicans和伪热带假丝酵母Candida pse udotropicalis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-***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***分离，得到木糖醇相和L-***糖相；

(11)将步骤(10)所得木糖醇相和L-***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-***糖晶体，得到的木糖醇母液和L-***糖母液分别返回到移动床色谱分离后的木糖醇相和L-***糖相中重复步骤(11)的浓缩结晶过程。

其中所述的农林废弃物可以是玉米芯，棉籽壳，玉米秸秆，高粱秸秆，柳稷、小麦秸秆，稻杆，甘蔗渣，桦木等，其中优选为玉米芯。

其中所述的前处理工艺包括对玉米芯或棉籽壳等农林废弃物原料进行粉碎、除尘、水洗的三道工序。

将玉米芯或棉籽壳等农林废弃物进行前处理之后，进行高温蒸煮水解制备木糖液处理之前，采取浸泡预处理的方式对原料进行处理。原料颗粒中的纤维素和半纤维素物质在浸泡预处理过程中得到了充分的溶胀，尤其是半纤维素部分获得了初步的破坏，显著提高了半纤维素高温蒸煮过程中的水解效果，同时浸泡预处理过程能进一步清除中所含的部分胶质、色素等不可发酵物质。

所述的经前处理后的玉米芯等农林废弃物原料采取的预处理工艺优选操作容易、工艺简单的浸泡法来处理，其中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、其中优选稀草酸浸泡液，原因是原料中剩余的草酸可以在后期的发酵过程中以碳源的方式被微生物所利用，采用稀草酸对原料浸泡进行预处理的方式不仅得到了良好的预处理结果、提高了高温蒸煮的木糖得率，还降低了后期对木糖代谢的消耗和碳源加入的成本，以及后期脱盐处理的难度。所用的稀草酸浸泡液中，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。浸泡结束后，经过板框过滤的方式，对浸泡体系进行固液分离得到预处理后的原料与浸泡液，浸泡液回复利用，分离出的预处理后的原料通过水洗的方式调节原料自身pH值至接近中性。

原料经过前处理和预处理后的玉米芯或棉籽壳等农林废弃物采取高温蒸煮的方法获得木糖。其中所述的高温蒸煮处理方式为，蒸煮温度：150-200℃，优选：160-170℃，加热时间：0.5-4h，优选：1-2h，固液比：1∶5-20，优选：1∶10-12。搅拌转速为80-150rpm；优选：100rpm；高温蒸煮过程的工作压力为0.8-1.2MPa。根据本发明的方法得到的高温蒸煮液中，总糖的得率为0.25-0.31g/g，木糖的产率为0.20-0.22g/g，葡萄糖产率为0.021g/g和L-***糖产率为0.016g/g(以玉米芯干重计)。

高温蒸煮水解过程完毕后，将反应釜电源断开，趁热将反应釜的排气装置缓慢打开使高温蒸汽从管路中排放并通过热交换器为储罐中的下一批原料体系提供热能。此步既节约了热能，也对蒸煮液进行了一定的浓缩，同时蒸煮液中的一部分易挥发性的杂质如糠醛、苯酚、乙酸等随蒸汽一同挥发，还起到了除杂的效果。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高温蒸煮液。

其中离心方法如下：将高温蒸煮后的蒸煮混合物通过传送管道运送到分离离心机中，离心机转鼓中安装有滤袋，离心机的最高转速为2500rpm，并且变频可调，转速直径为600mm，最大装液量为50kg。在离心机转速为500rpm时，开始缓慢加入中和后的蒸煮混合物，让糖液离心出，木糖渣以及中和后的絮凝物在转鼓中均匀分布，降低离心机的震动。当50kg的料全部加入后，盖上离心机盖，慢慢使离心机升至2500rpm，维持10min，直到没有液体排出为止，然后在洗液口加入50℃水3L，对固体进行洗涤，重复洗涤2次，直到排液中无水排出为止，停机，清理余渣。

板框过滤的方法如下：将高温蒸煮后的蒸煮混合物通过传送管道运送到板框压滤机中，板框压滤机由交替排列的滤板和滤框构成一组滤室。滤板的表面有沟槽，其凸出部位用以支撑滤布。滤框和滤板的边角上有通孔，组装后构成完整的通道，能通入蒸煮混合物、洗涤水和引出滤液。适合的蒸煮混合物的固体颗粒浓度为10％，操作压力为0.5～1.5MPa，板框为正方形，滤框的内边长为100m，框厚为5cm，过滤面积为600m²。板与框用电动螺旋方式压紧。板和框用不锈钢材料制造。最大过滤量为100kg。由供料泵将蒸煮混合物压入滤室，在滤布上形成滤渣，直至充满滤室。滤液穿过滤布并沿滤板沟槽流至板框边角通道，集中排出，直到没有液体排出为止，然后加入50℃水5L，对固体进行洗涤，重复洗涤2次，停机，随后打开压滤机卸除滤渣，清洗滤布，重新压紧板、框，开始下一工作循环。

高温蒸煮液的pH为4.0-5.0，偏酸性，因此需要对其进行中和处理。高温蒸煮液的中和处理选用浓度为1M的石灰乳、碳酸钙、氨水或氢氧化钠溶液其中的一种或者几种。中和处理时需均匀且较快速的搅拌处理体系，始终保持其pH不大于8.0，以避免体系中的局部pH过大而导致的体系中的糖损失率过大的现象发生。碳酸钙和氢氧化钙是中和处理时常用的物质。采用碳酸钙的优点是轻钙粉中的钙盐纯度较高(99％以上)，中和后带入糖液中的杂质离子少；缺点是价格较高，且在中和过程产生大量的泡沫。采用氢氧化钙的优点是灰钙粉的价格较低，且中和过程不产生泡沫；缺点是灰钙粉的钙盐纯度低(95％左右)，中和后带入糖液中的杂质离子较多。采用碳酸钙或氢氧化钙两种中和试剂处理的共同点是中和过程中能产生大量的硫酸钙絮凝物，部分去除蒸煮液中的单宁、重金属离子等杂质。但絮凝沉淀物中也会吸附蒸煮液和木糖等有效成分，致使原料的利用度和经济效益降低。而且后期需采取离心或者过滤的方式分离固液体系，大大加大了工艺复杂性和处理难度。因此本发明采取稀氨水或者稀氢氧化钠溶液作为中和剂对高温蒸煮液进行中和处理，其中所述的氨水或氢氧化钠溶液的摩尔分数为0.5-1.0M。使用氨水或者氢氧化钠溶液中和处理高温蒸煮液不仅不会产生沉淀避免了增加一步固液分离工艺，简化了工艺的同时也减少了蒸煮液中的木糖等有效成分的损失，提高了原料的利用度和经济效益。由于蒸煮液的pH为4.0-5.0，略偏酸性，加入的氨水或氢氧化钠溶液较少，中和之后生成的少量铵盐或钠盐为后期的微生物生长提供了必要的离子，有利于减少后期无机盐的添加使用，降低了发酵成本。

经过中和处理后的高温蒸煮液，本发明中采用TiO₂/活性炭光催化氧化脱色脱毒技术进行处理。TiO₂作为新兴的光催化剂，在常温下，不与其他化合物作用，不溶于水和稀酸，微溶于碱和热硝酸；不与空气中CO₂，SO₂，O₂等发生反应；在紫外光照射下接触还原剂时，不会因为脱氧还原而被腐蚀；TiO₂在生物学上属惰性物，不溶解，不水解，不参与新陈代谢，无急性或慢性毒害作用。TiO₂是一种宽禁带氧化物，在自然界中以三种晶型存在，其中以锐钛矿型的催化作用最强，用波长小于380nm的光照射时，能够产生空穴-电子对。水分子吸附到空穴表面被氧化为羟基自由基，同时吸附溶解在TiO₂表面的O₂可捕获电子，形成O^2-，·O，O^-，这些基团具有较高的反应活性。当污染物吸附到催化剂表面时，发生一系列的链式反应，最终被分解为CO₂和H₂O。

由于TiO₂光催化降解杂质后不容易从体系中分离出来，因此本发明采用将TiO₂同活性炭复合，实现催化剂的重复利用。活性炭选择制糖工艺常用的活性炭种类，粒度为粉末型。活性炭拥有的较大的活性表面，有较强吸附杂质(主要是有机杂质)和色素(即有机有色杂质)的能力，活性炭吸附杂质的过程属物理吸附，活性炭吸附有机物的能力远大于吸附无机盐类，吸附大分子有机色素的能力远大于吸附小分子有机色素的能力。当TiO₂负载到活性炭上时，结合活性炭特有的孔结构和表面化学结构，使得活性炭与TiO₂存在显著的协同作用。活性炭的存在使污染物得到了浓缩富集，增加了反应物的局部浓度，使TiO₂与污染物分子的接触几率大大提高，并能有效地抑制中间产物的挥发、提供高浓度的反应环境，从而加快了光催化降解速率。

本发明采用溶液-凝胶法制备TiO₂/活性炭催化剂，具体方法：1-2L钛酸丁酯缓慢逐滴加入到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，以吸附和降解高温蒸煮液中的色素、含氮物、有机物和胶体等，具体的工艺为：在蒸煮液中加入质量分数为10-20％的TiO₂/活性炭(与高温蒸煮液中的木糖相比)；搅拌转速在50-100rpm使得催化剂与蒸煮液界面接触良好，也保证体系与外界环境的空气流通良好；在室温的条件下，脱毒处理的过程是置于500w紫外灯下进行的，光照时间为1-2h，酚醛类杂质去除率85％以上。反应结束后通过板框过滤出催化剂，烘干后重复利用。

经过TiO₂/活性炭光催化处理之后的蒸煮液，采用串联的阴阳离子交换树脂进行脱色脱盐处理。本发明采用的阳离子交换树脂牌号是732，为强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，出厂为钠型，交换容量为4.5Mmol/g；阴离子交换树脂其型号为D201和D301分别为强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂和弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，交换容量分别为3.7和4.8Mmol/g。活化处理后的阴阳离子交换树脂，优选732强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂和D201强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂先后串联处理蒸煮液，树脂柱径高比为1∶3-4.5，树脂柱的材质为玻璃钢或碳钢塑料，进料量为每小时1-1.5个柱体积，工作温度为室温，出料电导率＜50μs/cm。

利用MVR机械再压缩浓缩的方式对脱毒脱盐处理后的水解液进行浓缩至合适结晶的浓度。采用MVR机械再压缩高效蒸发***浓缩工艺高温蒸煮液。整套设备节能效果出众，除开车启动外，整个蒸发过程中无需生蒸汽。首先低温位的蒸汽经压缩机压缩，温度、压力提高，热焓增加，然后进入换热器冷凝，以充分利用蒸汽的潜热。工艺首先将高温蒸煮液泵入至降膜蒸发器里，通过物料循环泵在加热管内循环。初始蒸汽用新鲜蒸汽在管外给热，将溶液加热沸腾产生二次汽，产生的二次汽由涡轮增压风机吸入，经增压后，二次汽温度提高，作为加热热源进入加热室循环蒸发。正常启动后，涡轮压缩机将二次蒸汽吸入，经增压后变为加热蒸汽，就这样源源不断进行循环蒸发。蒸发出的水分最终变成冷凝水排出。

浓缩后的高温蒸煮液，采用梯度降温结晶的方式生产木糖晶体并得到木糖母液。将浓缩至总糖固含量在750-850g/L的木糖液，采用梯度程序降温的方式进行木糖的结晶。梯度程序降温的方式采取初始温度为60-75℃，终止温度为25-35℃，降温采取每小时0.7-1.5℃的方式。在45-50℃时加入固含量质量分数为0.1％的商品木糖作为晶种，并在终止温度下养晶16-24h。木糖结晶收率在65％左右，晶体的纯度大于98.5％。结晶过程结束后经离心分离，获得木糖母液，晶体用纯水洗涤，干燥得到结晶木糖产品。

木糖结晶后剩余的木糖母液中含有含量较高的木糖、葡萄糖以及L-***糖。目前已经发现很多微生物能够利用木糖母液中的木糖发酵生产木糖醇，但同时母液中其他的糖尤其是作为一种高附加值的L-***糖也会作为菌体生长的碳源被菌体消耗，无疑是极大地浪费。本发明利用只消耗葡萄糖和木糖用于菌体生长和木糖醇生产，而L-***糖在整个过程中几乎不被消耗的微生物作为该发明的生产菌株。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-***糖的损失，同时葡萄糖的去除也有利于木糖醇和L-***糖后期的分离结晶，大大提高了原料的综合利用，实现了木糖醇和***糖的联合生产。

本发明所用的菌种主要来自热带假丝酵母Candida tropicalis，季也蒙假丝酵母Candida guilliermondii，斯潘多维假丝酵母Candida spandovensis，***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，优选热带假丝酵母Candida tropicalisAs2.1776，(原始菌株购买自中科院微生物所)。对原始菌株Candida tropicalisAs2.1776木糖醇生产效率和产率高，且几乎不利用L-***糖。提高进行适应木糖母液发酵环境的周期培养，并逐步提高木糖母液的糖浓度，使菌株能够有效利用木糖母液中高浓度的葡萄糖、木糖，并将木糖转化为木糖醇，而L-***糖几乎不被利用。甘油管或沙土管保藏优势菌株，经验证该菌株传代20次以上仍能保持稳定的活性和性状，镜检观察该菌株为卵圆形或长椭圆形，出芽生殖，菌落圆形，有光泽，表面和边缘有肉眼可见的丝状突起。

将(8)得到的菌株对步骤(7)所得的木糖母液进行生物转化，得到含有木糖醇和L-***糖的发酵液。

本发明所述步骤包括以下内容：

(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。

(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。

(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。

固液分离(8)得到的发酵液的方法为沉降法或者过滤的方法。沉降法可以采用静置或离心沉降的方式，过滤可以采用板框过滤、或滤布抽滤的方式。固液分离的得到的固体部分为菌体，重复上述步骤(8)发酵木糖母液，实现菌体的回复利用和木糖醇的多批式生物转化；固液分离的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。

采用膜技术对发酵液进行预处理，能够更有效地除去培养基中的大分子蛋白等有机物，还可以有效分离发酵液中的菌体等物质，分离过程中产品的损失率极低，而且分离过程清洁无污染，分离条件温和，能很好的保护产品的性质。不同的膜有不同的截留分子量以及膜性质，对产品选择性好，分离能耗低。

发酵结束后对发酵液进行脱除色素和无机盐的预处理方式，预处理方法为发酵液在1.5bar的操作压力下，通过截留分子量在30KD陶瓷膜错流过滤除菌装置，去除菌体及大分子物质，再在4bar的操作压力下通过截留分子量在3KD的超滤膜错流过滤除菌装置，去除小分子蛋白和部分色素。膜透过液再用阴阳离子交换树脂结合大孔吸附树脂脱色和脱盐，树脂选择强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂732，大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂D072、D061、D001-CC，强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂201，大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂D296、D201、D280，大孔弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂D301R、D392等。优选阴离子树脂D296、阳离子树脂D072和阴离子树脂D301的3柱串联离子交换树脂对水解液进行脱盐脱色处理。树脂柱径高比为1∶4，树脂柱的材质为玻璃钢或碳钢塑料，进料量为每小时1.0-1.5个柱体积，工作温度为室温，在线监测出料料液的电导值，保证出料料液的电导率＜50μs/cm。

将步骤(9)所得发酵清液经色谱***分离，得到木糖醇相和L-***糖相。本发明所述的色谱***为装填有对糖和糖醇有分离作用的树脂或分子筛的色谱***。糖和糖醇都能与金属离子形成络合物，但它们的络合物稳定程度不同，这种差异为分离糖和糖醇提供了可能。因此也可以选择不同阳离子交换树脂，如铵离子型、钠离子型、钙离子型、铅离子型或铁离子型树脂作为吸附剂，采用填充了阳离子树脂的固定色谱柱或者工业化的模拟移动床色谱装置分离糖和糖醇，可更方便的获得高纯度的产品，同时大幅降低成本。

将步骤(10)所得木糖醇相和L-***糖相分别进行浓缩，采用的浓缩方式为MVR机械再压缩和纳滤浓缩工艺两种中的其中一种。纳滤浓缩是利用合适的纳滤膜对蒸煮液进行选择性浓缩同时还兼具部分脱盐的效果，以减轻后序离子交换的负担。从能耗方面考虑，工艺上蒸发浓缩能耗很大，大量的能耗也带来环境污染，纳滤浓缩可以大大降低蒸发的能耗，缩短蒸发的时间，提高产品品质。针对本工艺的研究内容为富含木糖的高温蒸煮液的浓缩处理，通过考察纳滤膜自身性质，包括膜的选择性、膜的通量及截留率、膜的稳定性，针对蒸煮液中主要物质木糖的分子量为150左右、离子的浓度＜50μs/cm、中性电价、溶液pH值在6.0-8.0等因素，选用了的纳滤膜的截留分子量为200-300Da的三种水相纳滤膜，分别为NF-200、NF-270和SPESI，并筛选出纳滤膜NF-270为该工艺最佳的纳滤膜。通过考察纳滤浓缩的具体操作条件，包括操作压力、操作温度、操作时间、料液流速与料液回收率等最终得出纳滤膜NF-270具有相对较大的通量为50.1-52.3Lm^-2h^-1，截留率达到97.0-97.3％，回收率为96.7-97.0％。应用NF-270进行纳滤浓缩，通过响应面实验，确定纳滤浓缩时的温度范围是30～50℃，操作压强为3～5Mpa。MVR机械再压缩高效蒸发***浓缩工艺的整套设备节能效果出众，除开车启动外，整个蒸发过程中无需生蒸汽。首先低温位的蒸汽经压缩机压缩，温度、压力提高，热焓增加，然后进入换热器冷凝，以充分利用蒸汽的潜热。工艺首先将高温蒸煮液泵入至降膜蒸发器里，通过物料循环泵在加热管内循环。初始蒸汽用新鲜蒸汽在管外给热，将溶液加热沸腾产生二次汽，产生的二次汽由涡轮增压风机吸入，经增压后，二次汽温度提高，作为加热热源进入加热室循环蒸发。正常启动后，涡轮压缩机将二次蒸汽吸入，经增压后变为加热蒸汽，就这样源源不断进行循环蒸发。蒸发出的水分最终变成冷凝水排出。经真空旋转蒸发浓缩和MVR机械再压缩浓缩工艺中一种或者两两结合使用后的木糖醇相和L-***糖相的浓度均在70-80％。

浓缩后的木糖醇相和L-***糖相采取梯度程序降温结晶的方式得到木糖醇晶体和L-***糖晶体，同时得到的两者结晶母液分别返回到两相中再次浓缩结晶。梯度程序降温的方式采取初始温度为60-75℃，终止温度为25-35℃，降温采取每小时1.0-2.0℃的方式，在40-50℃时加入固含量质量分数为0.1-0.2％的商品木糖醇或商品L-***糖作为晶种，晶种育晶1-2h，并在终止温度下养晶12-24h。由于发酵液经过了脱色脱盐的纯化处理以及模拟移动床的色谱***的分离过程，木糖醇和L-***糖的结晶前溶液的纯度以及达到了95％以上，两种产品结晶收率和纯度都得到了大幅的提高，结晶收率达到了90％左右，晶体的纯度大于99％。结晶过程分别结束后，得到的木糖醇和L-***糖晶体经离心分离，分别获得木糖醇母液和L-***糖母液，晶体用分别用乙醇洗涤后，干燥得到结晶木糖醇和L-***糖产品。得到的木糖醇母液和L-***糖母液分别返回到模拟移动床色谱分离后的浓缩结晶前的木糖醇相和L-***糖相中重复步骤(11)的浓缩结晶过程。

本发明的优势

本发明方法以农林废弃物为原料，经过预处理和清洁先进的高温蒸煮工艺获得了半纤维素水解液，经过纯化和浓缩处理得到了木糖的同时，木糖母液经发酵生产出了木糖醇，同时分离制取了L-***糖产品。整个工艺紧凑易于操作，原材料来源广泛且生产成本低廉，联合生产出三种稀有糖醇产品，经济价值高，同时也降低了农工业废弃物对环境造成的污染，生产具有可持续性。

针对目前农林废弃物的糖化工艺中产生的芳香类化合物、大分子有机物、悬浮物、色素等对生物具有高毒性的物质存在的问题，本发明开发出了一种利用活性炭负载TiO2的光催化新型脱色脱毒处理技术。以TiO₂为光催化剂，在光照的条件下，可使水解中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化-还原反应，并逐步降解，最终完全氧化为环境友好的CO₂和H₂O等无害物质。利用活性炭负载TiO₂光催化的方法可直接利用太阳光、紫外光、彻底分解有机或无机的有毒污染物，通过纳米TiO₂的光催化作用，可以完全矿化、氧化成无害的CO₂，H₂O无二次污染，对我们的水解液的脱毒降解处理结果显示，30分钟内水解液中的苯酚，色素的脱除率达到90％以上，COD的降解率达80％以上。实现了高效，清洁的水解液脱毒处理工艺的要求。

本发明选用的木糖醇生产菌种可以有目标性和高效的将木糖转化为木糖醇，同时利用了葡萄糖、半乳糖等杂糖，几乎不代谢L-***糖，生物转化生产木糖醇的同时利用色谱***分离得到了L-***糖，实现了木糖醇联产L-***糖的工艺要求。

针对目前糖醇工业中存在的产品结晶产率低，产品纯度不高以及回收率低等问题，本工艺不但可以利用树脂进行糖醇的分离，还使用了较为先进的模拟移动床色谱分离的技术，其自动化程度高，不但节约了树脂的用量，还减少了污染，提高了产品的得率及糖醇分离的效果，得到的木糖醇和L-***糖产品的纯度和回收率大幅提高。

本发明是经过一条生产线能联合生产出木糖、木糖醇和L-***糖三种产品的新型的生产工艺，把农林资源优势充分转化为商品经济优势。本发明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-***糖产品，采取的是清洁、高效、符合生物炼制的应用工艺，所用原料来源广泛，生产工艺紧凑易于操作，获得的产品附加值高，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，同时整个生产成本控制在生产价值的60-70％以内，具有较大的应用价值。

附图说明

本发明流程图。

具体实施方式

实例1

(1)高温蒸煮液制备工艺：

选择农林废弃物玉米芯为原料。对玉米芯进行粉碎至10目、除尘处理、水洗的三道前处理工序。经过前处理后的玉米芯再进行预处理操作。预处理工艺选择操作容易、工艺简单的稀草酸浸泡法来处理，预处理所使用的浸泡液为质量分数为0.2％稀草酸，所用浸液与原料的质量分数比为4∶1，浸泡温度为30℃，浸泡时间为24h。浸泡结束后，经过板框过滤的方式，对浸泡体系进行固液分离得到预处理后的原料与浸泡液，浸泡液回复利用，分离出的预处理后的原料通过水洗的方式调节原料自身pH值至接近中性。

经过前处理和预处理后的颗粒玉米芯5Kg(干重)加入高温反应釜内，其中高温不锈钢反应釜，容量100L，工作体积为60L。锚式可调转速搅拌，电加热，冷却。密闭高压加热，温度设定为165℃，70rpm搅拌，并维持在165℃下2h，控制升温和降温的时间在0.5h之内。蒸煮水解完毕后，高温蒸汽从高温管路中排出至储罐；蒸煮液中总糖的得率为0.25-0.31g/g，木糖的产率为0.20-0.22g/g，葡萄糖产率为0.021g/g和L-***糖产率为0.016g/g(以玉米芯干重计)。

高温蒸煮水解过程完毕后，将反应釜电源断开，趁热将反应釜的排气装置缓慢打开使高温蒸汽从管路中排放并通过热交换器为储罐中的下一批原料体系提供热能。当蒸煮混合物冷却至40℃以下时，将蒸煮液连同水解渣一并从反应釜底部排出，之后通过离心的方式进行固液分离得到高温蒸煮液。离心法固液分离高温蒸煮液的方法为：50kg的高温蒸煮体系全部加入到离心机后，盖上离心机盖，慢慢使离心机升至2500rpm，维持10min，直到没有液体排出为止，然后在洗液口加入50℃水3L，对固体进行洗涤，重复洗涤2次，直到排液中无水排出为止，停机，清理余渣。

高温蒸煮液的pH为4.0-5.0，偏酸性，对其进行中和处理时选用浓度为1M的氨水。中和处理时需均匀且较快速的搅拌处理体系，始终保持其pH不大于8.0，以避免体系中的局部pH过大而导致的体系中的糖损失率过大的现象发生。使用氨水中和处理高温蒸煮液不仅不会产生沉淀避免了增加一步固液分离工艺，简化了工艺的同时也减少了蒸煮液中的木糖等有效成分的损失，提高了致使原料的利用度和经济效益。中和后生成的少量铵盐为后期的微生物生长提供了必要的离子，有利于减少后期无机盐的添加使用，降低了发酵成本。

(2)高温蒸煮液的脱色脱毒脱盐纯化、浓缩和结晶木糖工艺：

1L钛酸丁酯缓慢逐滴加入到30L无水乙醇与2L冰乙酸的混合液中，机械搅拌24h至溶液变至淡黄色后加入4kg活性炭颗粒，使得凝胶态TiO₂负载到活性炭上，再次机械搅拌24h后过滤出活性炭颗粒，将活性炭颗粒于100℃烘干，在马弗炉中于400℃灼烧2h，得TiO₂/活性炭复合催化剂材料。

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：在蒸煮液中加入质量分数为10％TiO₂/活性炭(与高温蒸煮液中的木糖相比)；搅拌转速在50rpm左右使得催化剂与蒸煮液界面接触良好，也保证体系与外界环境的空气流通良好；在室温的条件下，脱毒处理的过程是置于500w紫外灯下进行的，光照时间为1h，酚醛类杂质去除率85％以上。反应结束后通过板框过滤出催化剂，烘干后重复利用。

经过Ti₂O/活性炭复合催化剂光催化处理后的蒸煮液，再通过阴阳离子交换树脂脱色脱盐处理。选择732型强酸性阳离子交换树脂与D201型阴离子交换树脂串联的脱盐处理工艺。阴阳离子交换柱的体积比为1∶1.5，树脂柱径高比为1∶5，进料量为每小时2个柱体积，常温过柱；控制流出液电导率在50μ/cm以下。

经过离子交换脱盐处理后的高温蒸煮液含有木糖，L-***糖，葡萄糖等成分经过MVR机械再压缩浓缩处理。进料初始浓度：纯化后的高温蒸煮液总糖浓度为25g/l；常压处理；进料温度：25℃；固体含量物出料浓度：总糖浓度为780g/l；固体含量物出料温度：80℃；蒸出水出料温度：25℃；最高温度：112℃；浓缩出料时木糖浓度：680g/l；L-***糖浓度：100g/l。

将上述纯化和浓缩的木糖液，在60℃温度下，以1℃/h的速率降温至45℃，以相对于溶液中木糖质量为0.1％的比例添加木糖晶种，然后以0.5℃/h的速度降温至35℃，再以1.0℃/h的降温方式至终止温度为20℃。整个结晶周期为50h，然后经离心分离，晶体洗涤，干燥得到结晶木糖。木糖结晶的回收率为66％，木糖晶体纯度为99％。

(3)木糖母液生物转化生产木糖醇联产***糖工艺

菌种采用购买于中科院微生物保藏中心的热带假丝酵母As2.1776。按照无菌操作的方法，将斜面培养的热带假丝酵母As2.1776接入到木糖母液种子培养基中，种子培养基中总糖浓度为100g/L，酵母粉20g/L，磷酸二氢钾10g/L，无水硫酸镁1g/L，摇瓶的装液量为70ml/250ml，在30℃，220rpm的摇床里培养22h后，将摇瓶培养好的种子液接入到5L灭菌后的种子罐液体种子培养基中，种子液的加入量为300ml，调节无菌空气通气量为2vv^-1m^-1，搅拌转速为500rpm，30℃培养24h。

发酵培养过程首先将种子罐培养好的种子液加入到发酵罐，采取的方式是通过蠕动泵将种子罐培养好的种子按7％的接种量(发酵培养基的体积比)接种于木糖母液发酵培养基中，其中木糖浓度为占150g/L，葡萄糖占50g/L，L-***糖占50g/L，其他杂糖占10g/L，酵母膏6g/L，磷酸二氢钾3g/L，磷酸氢二铵2g/L，无水硫酸镁0.5g/L。发酵罐装液量为40L/50L，发酵温度30℃。自接种后，每隔5h取一次样，镜检观察菌体细胞生长情况，有无染菌情况。发酵结束后，紫外分光光度计测定菌体浓度为25-30g/L，HPLC测定其中木糖醇、L-***糖以及木糖含量分别为110-115g/L，45-50g/L和5-10g/L。

发酵结束后对发酵液进行处理，发酵液在1.5bar的操作压力下，通过截留分子量在30KD陶瓷膜错流过滤除菌装置，去除菌体及大分子物质，再在4bar的操作压力下通过截留分子量在3KD的超滤膜错流过滤除菌装置，去除小分子蛋白和部分色素。将膜透过液通过装填有阴离子树脂D296、阳离子树脂D072、D301的3柱串联离子交换树脂，树脂柱径高比为1∶4，树脂上样流速为1.5L/h。定时收集树脂流出液，在线监测出料料液的电导值，保证出料料液的电导率＜50μs/cm，得到发酵清液。树脂用4％的盐酸和氢氧化钠溶液反冲再生。用HPLC测定发酵清液中木糖醇、L-***糖以及木糖含量分别为110-120g/L，40-50g/L和2-3g/L。

将经过处理后的木糖醇发酵液，其中含质量体积比为225g/L的木糖醇和90g/L的L-***糖。将发酵清液注入到八根装填有对糖醇有分离作用的填料为150um的钙型阳离子交换树脂的模拟移动床色谱分离***中。模拟移动床色谱分离实验操作条件如下：操作温度60℃，进出料阀门切换周期为15min，进料流速为2mL/min，循环洗脱液流速为14mL/min，L-***糖相流速为6mL/min，木糖醇相流速为10mL/min，此时所得木糖醇相与L-***糖相各自收率分别为99.5％和99.2％，纯度均为100％。将木糖醇相与L-***糖相在30℃，20bar的操作压力下，通过截留分子量在200-300D水相纳滤膜分别浓缩得到质量浓度为800g/L左右的木糖醇相和L-***糖相，其中所用的纳滤浓缩膜为亲水性并能高效截留木糖醇和L-***糖的水相膜NF270

将经浓缩后的木糖醇相升温至60℃，使固形物充分溶解，再按照2℃/h的降温速率降温到40℃，加入相当于木糖醇质量0.2％的晶种育晶1h后，再以1.5℃/h的降温速度降到25℃，并在终止温度下养晶12h，结束结晶过程。离心将上清液与色谱***分离出的木糖醇流分合并，重复浓缩结晶过程，离心得到的固体相用无水乙醇冲洗2次，然后在60℃烘箱内烘干，HPLC检测产品木糖醇的纯度大于99％，结晶收率大于90％。

将经浓缩后的L-***糖相升温至60℃，使固形物充分溶解，再按照1.5℃/h的降温速率降温到45℃，加入相当于L-***糖质量0.2％的晶种育晶2h后，再以1.5℃/h的降温速度降到25℃，并在终止温度下养晶12h，结束结晶过程。离心将上清液与色谱***分离出的L-***糖流分合并，重复浓缩结晶过程，离心得到的固体相用无水乙醇冲洗2次，然后在60℃烘箱内烘干，HPLC检测产品L-***糖的纯度大于99％，结晶收率大于90％。

实例2

(1)高温蒸煮液制备工艺：

选择农林废弃物玉米芯为原料。对玉米芯进行粉碎至20目、除尘处理、水洗的三道前处理工序。经过前处理后的玉米芯再进行预处理操作。预处理工艺选择操作容易、工艺简单的稀草酸浸泡法来处理，预处理所使用的浸泡液为质量分数为0.5％稀草酸，所用浸液与原料的质量分数比为8∶1，浸泡温度为60℃，浸泡时间为12h。浸泡结束后，经过板框过滤的方式，对浸泡体系进行固液分离得到预处理后的原料与浸泡液，浸泡液回复利用，分离出的预处理后的原料通过水洗的方式调节原料自身pH值至接近中性。

经过前处理和预处理后的颗粒玉米芯8Kg(干重)加入高温反应釜内，其中高温不锈钢反应釜，容量100L，工作体积为80L。锚式可调转速搅拌，电加热，冷却。密闭高压加热，温度设定为170℃，50rpm搅拌，并维持在170℃下1.5h，控制升温和降温的时间在0.5h之内。蒸煮水解完毕后，高温蒸汽从高温管路中排出至储罐；蒸煮液中总糖的得率为0.25-0.31g/g，木糖的产率为0.20-0.22g/g，葡萄糖产率为0.021g/g和L-***糖产率为0.016g/g(以玉米芯干重计)。

高温蒸煮水解过程完毕后，将反应釜电源断开，趁热将反应釜的排气装置缓慢打开使高温蒸汽从管路中排放并通过热交换器为储罐中的下一批原料体系提供热能。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，之后通过板框过滤的方式进行固液分离得到高温蒸煮液。板框过滤法固液分离高温蒸煮液的方法为：将50kg高温蒸煮后的蒸煮混合物，通过传送管道运送到板框压滤机中，板框压滤机由交替排列的滤板和滤框构成一组滤室。滤板的表面有沟槽，其凸出部位用以支撑滤布。滤框和滤板的边角上有通孔，组装后构成完整的通道，能通入蒸煮混合物、洗涤水和引出滤液。适合的蒸煮混合物的固体颗粒浓度为10％，操作压力为1.0MPa，板框为正方形，滤框的内边长为100m，框厚为5cm，过滤面积为600m²。板与框用电动螺旋方式压紧。板和框用不锈钢材料制造。由供料泵将蒸煮混合物压入滤室，在滤布上形成滤渣，直至充满滤室。滤液穿过滤布并沿滤板沟槽流至板框边角通道，集中排出，直到没有液体排出为止，然后加入50℃水5L，对固体进行洗涤，重复洗涤2次，停机，随后打开压滤机卸除滤渣，清洗滤布，重新压紧板、框，开始下一工作循环。

高温蒸煮液的pH为4.0-5.0，偏酸性，对其进行中和处理时选用浓度为0.5M的氢氧化钠溶液。中和处理时需均匀且较快速的搅拌处理体系，始终保持其pH不大于8.0，以避免体系中的局部pH过大而导致的体系中的糖损失率过大的现象发生。使用氢氧化钠中和处理高温蒸煮液不仅不会产生沉淀避免了增加一步固液分离工艺，简化了工艺的同时也减少了蒸煮液中的木糖等有效成分的损失，提高了致使原料的利用度和经济效益。中和后生成的少量钠盐为后期的微生物生长提供了必要的离子，有利于减少后期无机盐的添加使用，降低了发酵成本。

(2)高温蒸煮液脱色脱毒脱盐纯化浓缩和结晶木糖工艺：

2L钛酸丁酯缓慢逐滴加入到40L无水乙醇与3L冰乙酸的混合液中，机械搅拌48h至溶液变至淡黄色后加入3kg活性炭颗粒，使得凝胶态TiO₂负载到活性炭上，再次机械搅拌48h后过滤出活性炭颗粒，将活性炭颗粒于100℃烘干，在马弗炉中于500℃灼烧2h，得TiO₂/活性炭复合催化剂材料。

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：在蒸煮液中加入质量分数为20％TiO₂/活性炭(与高温蒸煮液中的木糖相比)；搅拌转速在100rpm左右使得催化剂与蒸煮液界面接触良好，也保证体系与外界环境的空气流通良好；在室温的条件下，脱毒处理的过程是置于500w紫外灯下进行的，光照时间为40min，酚醛类杂质去除率85％以上。反应结束后通过板框过滤出催化剂，烘干后重复利用。

经过Ti₂O/活性炭复合催化剂光催化处理后的蒸煮液，再通过阴阳离子交换树脂脱色脱盐处理。选择732型强酸性阳离子交换树脂与D201型阴离子交换树脂串联的脱盐处理工艺。阴阳离子交换柱的体积比为1∶1.5，树脂柱径高比为1∶10，进料量为每小时1个柱体积，常温过柱；控制流出液电导率在50μ/cm以下。

经过离子交换脱盐处理后的高温蒸煮液含有木糖，L-***糖，葡萄糖等成分经过MVR机械再压缩浓缩处理。进料初始浓度：纯化后的高温蒸煮液总糖浓度为25g/l；常压处理；进料温度：25℃；固体含量物出料浓度：总糖浓度为780g/l；固体含量物出料温度：85℃；蒸出水出料温度：28℃；最高温度：115℃；浓缩出料时木糖浓度：680g/l；L-***糖浓度：100g/l。

将上述纯化和浓缩的木糖液，在75℃温度下，以1.5℃/h的速率降温至45℃，以相对于溶液中木糖质量为0.05％的比例添加木糖晶种，然后以0.5℃/h的速度降温至30℃，再以1.5℃/h的降温方式至终止温度为15℃。整个结晶周期为60h，然后经离心分离，晶体洗涤，干燥得到结晶木糖。木糖结晶的回收率为70％，木糖晶体纯度为99％。

(3)木糖母液生物转化生产木糖醇联产***糖工艺

菌种采用购买于中科院微生物保藏中心的热带假丝酵母As2.1776。按照无菌操作的方法，将斜面培养的热带假丝酵母As2.1776接入到木糖母液种子培养基中，种子培养基中总糖浓度为50g/L，酵母粉10g/L，磷酸二氢钾5g/L，无水硫酸镁0.4g/L，摇瓶的装液量为50ml/250ml，在30℃，200rpm的摇床里培养20h后，将摇瓶培养好的种子液接入到5L灭菌后的种子罐液体种子培养基中，种子液的加入量为350ml，调节无菌空气通气量为2vv^-1m^-1，搅拌转速为300rpm，30℃培养22h。

发酵培养过程首先将种子罐培养好的种子液加入到发酵罐，采取的方式是通过蠕动泵将种子罐培养好的种子按6％的接种量(发酵培养基的体积比)接种于木糖母液发酵培养基中，其中木糖浓度为占150g/L，葡萄糖占50g/L，L-***糖占50g/L，其他杂糖占10g/L，酵母膏6g/L，磷酸二氢钾3g/L，磷酸氢二铵2g/L，无水硫酸镁0.5g/L。发酵罐装液量为30L/50L，发酵温度30℃。自接种后，每隔5h取一次样，镜检观察菌体细胞生长情况，有无染菌情况。发酵结束后，紫外分光光度计测定菌体浓度为25-30g/L，HPLC测定其中木糖醇、L-***糖以及木糖含量分别为100-110g/L，40-45g/L和5-6g/L。

发酵结束后对发酵液进行处理，发酵液在2.5bar的操作压力下，通过截留分子量在30KD陶瓷膜错流过滤除菌装置，去除菌体及大分子物质，再在8bar的操作压力下通过截留分子量在3KD的超滤膜错流过滤除菌装置，去除小分子蛋白和部分色素。将膜透过液通过装填有阴离子树脂D296、阳离子树脂D072、D301的3柱串联离子交换树脂，树脂柱径高比为1∶4，树脂上样流速为1L/h。定时收集树脂流出液，在线监测出料料液的电导值，保证出料料液的电导率＜50μs/cm，得到发酵清液。树脂用4％的盐酸和氢氧化钠溶液反冲再生。用HPLC测定发酵清液中木糖醇、L-***糖以及木糖含量分别为110-120g/L，40-50g/L和2-3g/L。

将经过处理后的木糖醇发酵液，其中含质量体积比为225g/L的木糖醇和90g/L的L-***糖。将发酵清液注入到八根装填有对糖醇有分离作用的填料为200um的钙型阳离子交换树脂的模拟移动床色谱分离***中。模拟移动床色谱分离实验操作条件如下：操作温度60℃，进出料阀门切换周期为15min，进料流速为2mL/min，循环洗脱液流速为14mL/min，L-***糖相流速为6mL/min，木糖醇相流速为10mL/min，此时所得木糖醇相与L-***糖相各自收率分别为99.5％和99.2％，纯度均为100％。

将上述所得的木糖醇相和L-***糖相分别经过MVR机械再压缩浓缩处理。进料温度：25℃；常压处理；固体含量物出料浓度：木糖醇相的木糖醇浓度为800g/l；L-***糖相的L-***糖浓度为800g/l；固体含量物出料温度：85℃；蒸出水出料温度：28℃；最高温度：115℃。

将经浓缩后的木糖醇相升温至70℃，使固形物充分溶解，再按照1℃/h的降温速率降温到50℃，加入相当于木糖醇质量0.1％的晶种育晶2h后，再以1℃/h的降温速度降到30℃，并在终止温度下养晶18h，结束结晶过程。离心将上清液与色谱***分离出的木糖醇流分合并，重复浓缩结晶过程，离心得到的固体相用无水乙醇冲洗2次，然后在60℃烘箱内烘干，HPLC检测产品木糖醇的纯度大于99％，结晶收率大于90％。

将经浓缩后的L-***糖相升温至75℃，使固形物充分溶解，再按照1.5℃/h的降温速率降温到50℃，加入相当于L-***糖质量0.1％的晶种育晶1h后，再以1.5℃/h的降温速度降到30℃，并在终止温度下养晶18h，结束结晶过程。离心将上清液与色谱***分离出的L-***糖流分合并，重复浓缩结晶过程，离心得到的固体相用无水乙醇冲洗2次，然后在60℃烘箱内烘干，HPLC检测产品L-***糖的纯度大于99％，结晶收率大于90％。

Claims (4)

1.农林废弃物为原料联产木糖、木糖醇和***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Candidaguilliermondii，斯潘多维假丝酵母Candida spandovensis，***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-***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***分离，得到木糖醇相和L-***糖相；

(11)将步骤(10)所得木糖醇相和L-***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-***糖晶体，得到的木糖醇母液和L-***糖母液分别返回到移动床色谱分离后的木糖醇相和L-***糖相中重复步骤(11)的浓缩结晶过程。

2.根据权利要求1的方法，其中所述的农林废弃物为玉米芯。

3.根据权利要求1的方法，步骤(2)中蒸煮温度：160-170℃，加热时间：1-2h，固液比：1∶10-12；搅拌转速：100rpm。

4.根据权利要求1的方法，步骤(8)中选热带假丝酵母Candida tropicalisAs2.1776。

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