一種芭蕉芋莖稈綜合利用方法
2024-03-28 18:49:05
專利名稱：一種芭蕉芋莖稈綜合利用方法
技術領域：
本發明設計一種化工領域的芭蕉芋莖稈綜合利用方法。具體以芭蕉芋為原料生產低聚糖、發酵糖液、紙漿和木質素的方法。
背景技術：
芭蕉芋，學名蕉藕(Carma edulis Ker)屬美人蕉科(Carmaeeae)旱藕、蕉藕、姜芋，多年生草本植物，原產於南美洲等地，具有適應性廣、喜溫光、抗逆性強、產量高、易栽培，用途廣等特點，適於高溫多雨地帶生長，不擇土壤。芭蕉芋的生產潛力很大，在我國西南省份其塊莖產量可達4000_5000kg/畝，目前是已成為高價值澱粉的新的原料來源，也是釀造發酵、食品和飼料加工的好原料。另外，在收穫塊莖的同時收穫的大量芭蕉芋莖稈，同樣是一種重要的生物質資源。目前芭蕉芋的經濟價值主要體現在塊莖的利用上。芭蕉芋的塊莖中含有60%以上的澱粉，因此大量被用於飼料和澱粉工業。澱粉提取後的廢渣的利用也有報導，主要用來提取多酚、製備膳食纖維以及製備包裝用紙。在對塊莖進行充分利用的同時，對於莖杆的利用卻遠沒有引起人們的重視。從化學成分上看芭蕉芋的莖杆富含纖維素、半纖維素、果膠、木質素等成分；從物理結構上看，芭蕉芋的莖杆中含有長短不同的纖維。由於組成成分和結構上的複雜性，這類資源往往難以降解和利用。目前，只有少量的芭蕉芋莖稈在收穫塊莖以後用作飼料，而多數都沒有很好利用而廢棄。要解決芭蕉芋莖稈利用問題，首先應該考慮使用適當手段使具有不同特徵的組分或纖維成分進行分離，然後按照各自的特徵進行相應的轉化，從而得到高附加值的產品。同時，為了實現生態化利用，所開發的工藝應儘量減少三廢的排放，實現對原料進行全利用。蒸汽爆破是一種木質纖維素利用上低能耗高效率的原料預處理方法。高溫蒸汽和瞬間快速爆破的作用不僅可以使部分大分子降解，同時可以破壞原料緻密的結構，使其中的成分更容易被分離和利用。將這種方法應用在芭蕉芋莖杆的利用上一方面可以降解其中的半纖維素使之變成寡糖，另一方面可以是的纖維之間的連接變得鬆散，方便進行不同長度纖維的分級分分離。因此以蒸汽爆破為基礎，根據芭蕉芋原料的特性進行適當的分級可以實現對原料的生態化全利用。本發明即是在上述思路上開發的針對收穫芭蕉芋塊莖後剩餘的莖稈所開發的一種綜合利用工藝。
發明內容
本發明的目的在於充分利用芭蕉芋塊莖收穫後剩餘的大量莖稈，開發一種綜合利用芭蕉芋莖杆的方法。本發明原料集中、產量大、價格低廉、收集方便，而綜合利用實現了生物量全利用，因此是一種環境友好的生態化利用方法。本發明以以下技術路線實現芭蕉芋莖杆的綜合利用，其工藝過程如下步驟一對芭蕉芋莖杆進行蒸汽爆破處理；
步驟二 從汽爆處理的芭蕉芋莖杆中提取低聚糖；步驟三分離蒸汽爆破得到的物料中的長纖維和短纖維；步驟四分離得到的短纖維通過纖維素酶水解處理得到糖液；分離得到的長纖維製備通過鹼處理得到紙漿和木質素。
本發明中，芭蕉芋指的是美人蕉科植物Carma edulis Ker收穫後除去塊莖剩餘的部分。步驟一中，芭蕉芋的莖稈先被切碎到大約5 30cm長，投入汽爆罐中並密封，充入高溫蒸汽，使汽爆罐壓力達到1. 0 1. 5MPa，維持5 10分鐘，快速打開汽爆罐的排氣閥， 迅速卸掉壓力，通過高溫和爆破的撕裂作用達到破壞莖稈緊密結構的作用。步驟二中使用水提的方式提取木聚糖。將汽爆處理得到的芭蕉芋莖稈跟水按照 1 10 1 20的比例混合，控制60 80°C，並適當攪拌，然後擠壓收集液體，如此重複三次，合併得到的液體，經真空濃縮、乾燥得到低聚糖粗品。步驟三中，將提取低聚糖後得到的物料投入保爾篩分儀中，控制水流在每千克物料每分鐘IOOOml的流量，使用20 80目的篩網進行篩分，分別得到長纖維和短纖維。步驟四中，使用市售的裡氏木黴的纖維素酶酶解步驟三中得到的短纖維製備可發酵糖液，酶解條件為PH4 pH5，時間12 48小時。步驟四中，使用氫氧化鈉處理步驟三中分離出來的長纖維，處理條件為pHIO 13,60 90°C。本發明具有以下特點1)實現了廢物的高附加值利用。芭蕉芋莖稈的利用尚未收到人們足夠的重視。目前只有少量用做飼料，大量的莖稈都被直接廢棄。本專利提出的技術方案實現了芭蕉芋莖稈生產寡糖、紙漿、木質素和發酵用糖液的綜合利用。2)實現了芭蕉芋莖稈的綜合利用。單一組分的利用必然道是其它組分的丟棄，同時廢棄的組分往往帶來環保壓力。本專利的技術方案實現了芭蕉芋莖稈的綜合利用，沒有廢物排放，是一種節能環保的技術體系。3)開發了新的製漿原料。我國林木匱乏。芭蕉芋中含有大量的長纖維成分，將其分離出來並且開發成為製漿原料，可以節省林木資源的使用量。
具體實施例方式實施例11.蒸汽爆破將芭蕉芋莖稈切碎至大約5cm長，並取切好的物料投入汽爆罐中，充入高溫蒸汽， 使汽爆罐壓力達到1. OMPa，維持10分鐘，快速打開汽爆罐的排氣閥，迅速卸掉壓力得到汽爆芭蕉芋杆。2.提取低聚糖將汽爆處理得到的芭蕉芋莖稈跟水按照1 10的比例混合，控制60°C，並適當攪拌，然後擠壓收集液體，如此重複三次，合併得到的液體，經真空濃縮、乾燥得到低聚糖粗
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ΡΠ O3.長、短纖維分級
將提取低聚糖後的汽爆芭蕉芋杆IOOg(乾重)投入保爾篩分儀中，維持每千克物料每分鐘IOOOml的流量，使用20目的篩網進行篩分，分別得到長纖維和短纖維。4.短纖維酶解製糖液將篩分得到的短纖維跟自來水按照1 10(質量比)的比例混合，按照每克幹底物10 μ加入市售纖維素酶，維持pH 4，50°C 36小時得到還原糖濃度為20g/L的糖液。所得糖液可以用於黃原膠發酵生產。向糖液中加入2g/L酵母粉、0. 25g/L硫酸鎂、 0. lg/L磷酸氫二鈉和3g/L碳酸鈣，115°C，20分鐘滅菌，滅菌結束並冷卻後接入野油菜黃單胞菌(Xanthomonas campestris CGMCC 1. 1781)，維持30°C發酵3天。結束後發酵液中加入三倍乙醇沉澱，過濾、乾燥粉碎得到黃原膠產品。5.長纖維製備紙漿分級得到的長纖維按照1 20的比例與pH 11的氫氧化鈉溶液混合，維持60°C， 5小時過濾、洗滌、漂白得到紙漿。鹼處理液真空濃縮得到木質素固體。實施例21.蒸汽爆破將芭蕉芋莖稈切碎至大約30cm長，並取切好的物料投入汽爆罐中，充入高溫蒸汽，使汽爆罐壓力達到1. 5MPa，維持5分鐘，快速打開汽爆罐的排氣閥，迅速卸掉壓力得到汽爆芭蕉芋杆。2.提取低聚糖將汽爆處理得到的芭蕉芋莖稈跟水按照1 20的比例混合，控制80°C，並適當攪拌，然後擠壓收集液體，如此重複三次，合併得到的液體，經真空濃縮、乾燥得到低聚糖粗
P
ΡΠ O3.長、短纖維分級將提取低聚糖後的汽爆芭蕉芋杆IOOg(乾重)投入保爾篩分儀中，維持每千克物料每分鐘1500ml的流量，使用80目的篩網進行篩分，分別得到長纖維和短纖維。4.短纖維酶解製糖液將篩分得到的短纖維跟自來水按照1 20(質量比)的比例混合，按照每克幹底物10 μ加入市售纖維素酶，維持pH 5，50°C 12小時得到還原糖濃度為18g/L的糖液。所得糖液可以用於丙酮丁醇發酵生產。向糖液中加入5g/L花生麩，121°C 20分鐘滅菌，滅菌結束並冷卻後接入丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum CICC8012)，維持35°C發酵4天。結束後通過蒸餾發酵液得到丙酮、丁醇產品。5.長纖維製備紙漿分級得到的長纖維按照1 20的比例與pH 11的氫氧化鈉溶液混合，維持90°C， 2小時過濾、洗滌、漂白得到紙漿。鹼處理液真空濃縮得到木質素固體。實施例31.蒸汽爆破將芭蕉芋莖稈切碎至大約20cm長，並取切好的物料投入汽爆罐中，充入高溫蒸汽，使汽爆罐壓力達到1. 2MPa,維持8分鐘，快速打開汽爆罐的排氣閥，迅速卸掉壓力得到汽爆芭蕉芋杆。2.提取低聚糖
將汽爆處理得到的芭蕉芋莖稈跟水按照1 15的比例混合，控制70°C，並適當攪拌，然後擠壓收集液體，如此重複三次，合併得到的液體，經真空濃縮、乾燥得到低聚糖粗
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ΡΠ O3.長、短纖維分級將提取低聚糖後的汽爆芭蕉芋杆IOOg(乾重)投入保爾篩分儀中，維持每千克物料每分鐘1200ml的流量，使用50目的篩網進行篩分，分別得到長纖維和短纖維。4.短纖維酶解製糖液將篩分得到的短纖維跟自來水按照1 20(質量比)的比例混合，按照每克幹底物10 μ加入市售纖維素酶，維持pH 4. 5，50°C 48小時得到還原糖濃度為^g/L的糖液。所得糖液可以用於檸檬酸發酵生產。向糖液中加入5g/L花生麩，121°C 20分鐘滅菌，滅菌結束並冷卻後接入黑麴黴(Aspergillus niger CICC 40430)，維持35°C發酵3天。 發酵結束後過濾得到清澈濾液，然後加入CaCO3沉澱難點檸檬酸，濾出檸檬酸鈣沉澱，之後酸化、過濾、結晶得到檸檬酸。5.長纖維製備紙漿分級得到的長纖維按照1 15的比例與pH 12的氫氧化鈉溶液混合，維持75°C， 3. 5小時過濾、洗滌、漂白得到紙漿。鹼處理液真空濃縮得到木質素固體。實施例41.蒸汽爆破將芭蕉芋莖稈切碎至大約20cm長，並取切好的物料投入汽爆罐中，充入高溫蒸汽，使汽爆罐壓力達到1. 2MPa，維持8分鐘，快速打開汽爆罐的排氣閥，迅速卸掉壓力得到汽爆芭蕉芋杆。2.提取低聚糖將汽爆處理得到的芭蕉芋莖稈跟水按照1 15的比例混合，控制70°C，並適當攪拌，然後擠壓收集液體，如此重複三次，合併得到的液體，經真空濃縮、乾燥得到低聚糖粗
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ΡΠ O3.長、短纖維分級將提取低聚糖後的汽爆芭蕉芋杆IOOg(乾重)投入保爾篩分儀中，維持每千克物料每分鐘1200ml的流量，使用50目的篩網進行篩分，分別得到長纖維和短纖維。4.短纖維酶解製糖液將篩分得到的短纖維跟自來水按照1 20(質量比)的比例混合，按照每克幹底物10 μ加入市售纖維素酶，維持pH 4. 5，50°C 48小時得到還原糖濃度為^g/L的糖液。所得糖液可以用於酒精發酵生產。糖液121°C 20分鐘滅菌，滅菌結束並冷卻後接入釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae CICC 31136)，維持!35°C發酵1天。發酵結束通過蒸餾得到酒精。5.長纖維製備紙漿分級得到的長纖維按照1 15的比例與pH 12的氫氧化鈉溶液混合，維持75°C， 3. 5小時過濾、洗滌、漂白得到紙漿。鹼處理液真空濃縮得到木質素固體。實施例51.蒸汽爆破
將芭蕉芋莖稈切碎至大約20cm長，並取切好的物料投入汽爆罐中，充入高溫蒸汽，使汽爆罐壓力達到1. 2MPa，維持8分鐘，快速打開汽爆罐的排氣閥，迅速卸掉壓力得到汽爆芭蕉芋杆。2.提取低聚糖將汽爆處理得到的芭蕉芋莖稈跟水按照1 15的比例混合，控制70°C，並適當攪拌，然後擠壓收集液體，如此重複三次，合併得到的液體，經真空濃縮、乾燥得到低聚糖粗
品
3.長、短纖維分級將提取低聚糖後的汽爆芭蕉芋杆IOOg(乾重)投入保爾篩分儀中，維持每千克物料每分鐘1200ml的流量，使用50目的篩網進行篩分，分別得到長纖維和短纖維。4.短纖維酶解製糖液將篩分得到的短纖維跟自來水按照1 20(質量比)的比例混合，按照每克幹底物10 μ加入市售纖維素酶，維持pH 4. 5，50°C 48小時得到還原糖濃度為^g/L的糖液。所得糖液可以用於乳酸發酵生產。糖液中加入IOg/酵母粉，8g/L碳酸鈣，121°C 20 分鐘滅菌，滅菌結束並冷卻後接入鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus CICC 6003)， 維持37°C發酵2天。發酵結束後，過濾發酵液得到清液，濃縮清液得到乳酸鈣結晶；再通過硫酸酸化過濾得到乳酸。5.長纖維製備紙漿分級得到的長纖維按照1 15的比例與pH 12的氫氧化鈉溶液混合，維持75°C， 3. 5小時過濾、洗滌、漂白得到紙漿。鹼處理液真空濃縮得到木質素固體。
權利要求
1.一種芭蕉芋莖稈綜合利用方法，步驟如下步驟一對芭蕉芋莖杆進行蒸汽爆破處理； 步驟二 從汽爆處理的芭蕉芋莖杆中提取低聚糖；步驟三分離蒸汽爆破得到的物料中的長纖維和短纖維；步驟四分離得到的短纖維通過纖維素酶水解處理得到可發酵糖液；分離得到的長纖維製備通過鹼處理得到紙漿和木質素。
2.根據權利要求1所述的芭蕉芋莖稈綜合利用方法，其特徵在於所述的芭蕉芋莖稈是指美人蕉科植物Carma edulis Ker收穫後除去塊莖剩餘的部分。
3.根據權利要求1所述的芭蕉芋莖稈綜合利用方法，其特徵在於蒸汽爆破的預處理條件為蒸汽壓力1. 0 1. 5MPa ；維持時間5 10分鐘。
4.根據權利要求1所述的芭蕉芋莖稈綜合利用方法，其特徵為在於長短纖維的分離使用保爾篩分儀，將蒸汽爆破得到的物料投入保爾篩分儀中，控制水流在每千克物料每分鐘 1000 1500ml的流量，使用20 80目的篩網進行篩分。
5.根據權利要求1所述的芭蕉芋莖稈綜合利用方法，其特徵在於使用纖維素酶解的方法製備可發酵糖液，酶解條件為pH 4 5，時間12 48小時。
6.根據權利要求1所述的芭蕉芋莖稈綜合利用方法，其特徵在於步驟四所用鹼為氫氧化鈉，使用鹼處理的方法處理長纖維得到紙漿和木質素，處理條件為PH 10 13，60 90°C，維持時間2 5小時。
全文摘要
本發明涉及一種芭蕉芋莖稈綜合利用的方法，具體涉及一種通過蒸汽爆破法預處理原料、通過水提分離得到低聚糖，再通過水流篩分實現芭蕉芋莖稈中長、短纖維分級並在此基礎上把短纖維酶解製備發酵糖液用做工業發酵碳源，長纖維用來造紙的生產工藝體系，其中短纖維製備的糖液可以用於黃原膠、檸檬酸、乙醇、丙酮丁醇、乳酸等工業化學品的發酵生產。本發明實現了芭蕉芋收穫後廢棄物的高值化利用，使之變廢為寶；同時，實現了原料的綜合利用，不僅具有經濟價值也是一種環保節能的新工藝。
文檔編號C12P19/14GK102153599SQ20111004931
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月1日 優先權日2011年3月1日
發明者張志國, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所