专利摘要

本发明公开了一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法，该方法包括以下步骤：1)将茭白废弃物粉碎后，用浓度为70～90％乙醇在温度80～90℃条件下浸提1～2h，过滤；2)将得到的固形物用甲酸在温度60～75℃条件下浸提1～2h，过滤，固液分离，液体进行减压蒸馏，回收甲酸；3)将得到的固形物继续用甲酸在温度80～90℃条件下浸提4～6h；4)将得到的固形物采用分批补料法发酵制备乳酸。本发明使用茭白废弃物作为原料，不仅实现了茭白废弃物的可再生利用，发酵最终得到乳酸产量高于其他利用纤维素水解糖为原料发酵制备乳酸的技术水平，同时成本也远远低于其他工艺。

权利要求

1.一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)将茭白废弃物粉碎后，用浓度为70～90％乙醇在温度80～90℃条件下浸提1～2h，过滤，得到固形物；

2)将固形物用甲酸在温度60～75℃条件下浸提1～2h，过滤，固液分离，将得到的液体进行减压蒸馏，回收甲酸；

3)将步骤“2)”得到的固形物继续使用甲酸在温度80～90℃条件下浸提4～5h；

4)将步骤“3)”得到的固形物采用分批补料法发酵制备乳酸，初始固形物浓度为20g/L～40g/L，分多次补料发酵，每次补料20～40g/L，使得固形物总浓度达到80～120g/L，接种量10％，摇瓶发酵，150r/min培养40～50h。

2.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于所述的茭白废弃物为茭白叶鞘、叶片和鞘叶。

3.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于乙醇浸提过程中采用的固液比为1：5～20，优选1：10。

4.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于采用的乙醇浓度为80～90％。

5.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“1)”为在温度为90℃条件下浸提。

6.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“2)”使用甲酸浸提采用的固液比为1：5～20，优选为1：10～20，最优选1：10。

7.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“2)”中，将固形物用甲酸在温度70℃条件下浸提。

8.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“3)”中，用甲酸浸提采用的固液比为1：10～30，优选1：20。

9.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于步骤“3)”中，使用甲酸在温度为90℃条件下浸提。

10.根据权利要求1所述的利用茭白废弃物生产乳酸的方法，其特征在于该方法所述的茭白废弃物先粉碎至粒径为10～20mm的颗粒。

说明书

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法。 

背景技术

随着石油危机的日益加重，世界化学工业的原料正逐步由石油资源向生物质资源转变。目前生物化工的原料大多以粮食制备的淀粉和糖为主，导致“与人(畜)争粮、与粮争地”的局面日益严重。生物质单糖作为生物化工的主要原料，已成为限制中国生物化工产业发展的瓶颈。 

木质纤维素包括农业生产的废弃物和剩余物(如农作物秸秆、谷壳、麸皮、蔗渣等)、林木(软木和硬木)及林业加工废弃物、草类等，年产量高达1500亿吨以上。经过水解糖化，纤维素物质可转化为单糖类物质，以此为平台，经化学途径可转化成燃油、燃气及化学品；通过生物催化可转化成大宗发酵产品及液体生物燃料；利用结晶纯化技术得到的单糖晶体更是重要的工业原料。 

木质纤维素中半纤维素、纤维素含量相对较高，能达到材料的50％以上，但由于木质素含量较多(10-20％)，其对纤维素等的包裹作用，使得木质纤维素在处理过程中，困难重重。其中木质素的存在成为木质纤维素资源充分利用的重大障碍，要达到有效利用木质纤维素资源的目的，降低处理的成本，必须首先解决木质素的降解问题。对木质纤维素处理的方法归类可分为物理法、化学法、物理-化学法及生物法等，主要有：机械粉碎(球磨、振动磨等)、高温液态法、高能辐射、微波处理、高温分解、蒸气爆破法、氨纤爆破法、CO₂爆破、湿氧化法、酸水解法、碱处理法、过氧化物法及有机溶剂法等。在早期的研究中多用化学法处理，环境污染大，近期发展了相对清洁的生产方法，包括蒸爆法，有机溶剂提取法等，该类方法在制备过程中相对能耗较大，归根到底，还在于其木质纤维素坚韧的内部结构增加了分离的困难，同时，用以上方法得到的糖如木糖、葡萄糖在进行生物利用的过程中，还需要进行脱毒处理。如黄和等申请的发明专利“控制丝状真菌发酵过程中生长形态的方法”(授权号：CN102212484B)明确指出，木质纤维素水解得到的水解液含量 复杂，成分较多，水解糖液要经过脱毒处理后才可用于菌体的培养以及富马酸的发酵。 

目前针对茭白废弃物的资源利用还鲜有报道，本发明提出了专门针对茭白废弃物提取糖资源的工艺及利用茭白废弃物生产乳酸的方法。 

发明内容

本发明的目的是提供一种使用茭白废弃物为基本原料生产乳酸的方法。 

本发明可解决木质纤维素资源中糖资源提取和发酵产乳酸的技术不足。 

本发明的目的是通过以下方式实现的： 

利用茭白废弃物生产乳酸的方法，该方法包括以下步骤： 

1)将茭白废弃物粉碎后，用浓度为70～90％乙醇在温度80～90℃条件下浸提1～2h，过滤，得到固形物； 

2)将固形物用甲酸在温度60～75℃条件下浸提1～2h，过滤，固液分离，将得到的液体进行减压蒸馏，回收甲酸；得到固形物即为木糖。 

3)将步骤“2)”得到的固形物继续使用甲酸在温度80～90℃条件下浸提4～5h；该步骤得到的固形物即为葡萄糖。 

4)将步骤“3)”得到的固形物采用分批补料法发酵制备乳酸，初始固形物浓度为20g/L～40g/L，分多次补料发酵，每次补料20～40g/L，使得固形物总浓度达到80～120g/L，接种量10％，摇瓶分装发酵液，150r/min培养40～50h。 

摇瓶分装发酵液为250ml摇瓶分装50ml发酵液。可分2-4次补料发酵，优选分2-3次补料发酵。最优选初始葡萄糖浓度为20g/L，每次补料20g/L，使得葡萄糖总浓度达到80g/L。 

所述的茭白废弃物为茭白叶鞘、叶片和鞘叶。 

该方法中所述的乙醇浸提过程中采用的固液比为1：5～20，优选1：10，采用的乙醇浓度为80～90％。 

步骤“1)”优选为在温度为90℃条件下浸提。 

步骤“2)”使用甲酸浸提采用的固液比为1：5～20，优选为1：10～20，最优选1：10。 

步骤“2)”中，优选将固形物用甲酸在温度70℃条件下浸提。 

步骤“3)”中，用甲酸浸提采用的固液比为1：10～30，优选1：20，优选使用甲酸在温度为90℃条件下浸提。 

该方法所述的茭白废弃物先粉碎至粒径为10～20mm的颗粒。 

上述固液比均指质量体积比(g/ml)。 

本发明所使用的甲酸的质量浓度优选为86.24％。 

与现有技术比较本发明的有益效果： 

1、本发明利用茭白废弃物进行乳酸发酵，发酵最终得到乳酸产量达到57.4g/L(80g/L初始葡萄糖浓度)，生产强度达到了1.17g/L/h，糖酸转化率高达71.8％，高于其他利用纤维素水解糖为原料发酵制备乳酸的技术水平，同时成本也远远低于其他工艺。 

2、使用茭白废弃物作为原料，不仅实现了茭白废弃物的可再生利用，同时不需添加额外的催化剂即可高效提取葡萄糖，葡萄糖的回收率达到了90％以上，反应过程中也不产生额外的催化副产物，甲酸可经过蒸馏回收再利用，因此，整个过程中不产生任何污染和浪费，降低了生产成本，且得到的产品安全无毒。 

3、乙醇对茭白中木质素脱除处理，能够实现木质素与半纤维素对纤维素包裹结构的破坏，使纤维素暴漏出来，在此基础上，利用甲酸在一定温度下再对剩余材料进行提取，增加纤维素的降解效率，显著提高葡萄糖的含量。 

以下通过实验例对本发明进行进一步说明： 

1、乙醇对茭白中木质素脱除的影响 

(1)乙醇浓度对木质素脱除的影响 

取烘干茭白废弃物(茭白鞘叶、叶片及叶鞘)5g，加入50ml乙醇溶液中，W:V＝1:10；乙醇浓度分别为70,80,90,100％，反应温度在90℃；提取1h，减压蒸馏，烘干，测其干重，木质素去除率，其结果如表1所示。大量的文献报道了利用乙醇催化制备纤维的工艺，但是木质素是难以糖化的复杂的不定型高聚物，是植物体内最难分解的组分，并且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素糖化，同时木质素是一种聚集体,结构中存在许多极性基团，尤其是较多的羟基,造成了很强的分子内和分子间的氢键，因此，乙醇催化制备纤维的工艺都要在较为严格的条件下，如添加酸碱催化剂同时催化温度较高(>180℃为宜)，这些条件虽然能使木质素脱离，但是半纤维素以及纤维素也发生了降解。 

但是针对茭白废弃物，发明人却可选择使用乙醇来提取木质素，并且可以在较低的温度下实现木质素的提取。从表中可以看出，当乙醇浓度为90％时，木质素去除效果最佳，达到了76％，随着乙醇浓度的继续升高，反而不利于木质素的去除，90％的乙醇含量也便于后期乙醇的回收；同时从表中可以看出，废弃物的剩余含量均发生变化，其可能是废弃物中部分果胶、蛋白类物质也随着溶液提取出来，而糖类物质并无有多少损耗。 

表1 

(2)反应温度对木质素脱除的影响 

取烘干茭白废弃物5g，加入50ml乙醇溶液里，即W:V＝1:10(g/ml)；反应温度分别为70，80，90，100℃，乙醇浓度在90％；提取1h，减压蒸馏，烘干，测其干重，木质素去除率，其结果如表所示： 

表2 

从表2中可以看出，温度不仅对木质素脱除具有重要影响，同时对其它物质的去除也具有重要作用，当温度较低时，水分子较难渗入内部结构，其它物质的去除效果也不佳，随着温度的升高，提取效果原来越好，但温度升高到90℃以上时，虽然木质素去除率还在增加，但去除率变化不大，考虑到能耗问题，选择90℃。 

2、甲酸对木糖提取的研究 

通常木质纤维素原料直接拿甲酸进行水解，水解效果较差，必须添加一定浓度的额外的催化剂如盐酸、硫酸等，而本工艺在用甲酸处理之前，仅用乙醇进行初步处理，反而无需额外添加任何催化剂。 

(1)反应温度对木糖提取的影响 

取乙醇萃取后的茭白废弃物10.0g，加入甲酸100ml，即W:V＝1:10(g/ml)，不同反应温度(50,60,70,80℃)，反应2.0h后，取样检测木糖、葡萄糖浓度，并计算回收率。每次取5mL真空浓缩,最后用20mL水提取糖,采用HPLC检测。 

表3 

从表中可以看出，在甲酸中，反应条件相对较为温和，当温度过低时，木糖水解效率较低，随着温度的升高，木糖水解效果原来越好，温度为70℃时，得到的木糖含量相对较高，但是随着温度的进一步升高，木糖开始发生降解，从而体现在木糖浓度和回收率相对较低，此时，从葡萄糖含量来看，在提取前期2h之内，温度越高，葡萄糖浓度越高，可见，随着温度的升高，作用越强烈，葡萄糖越容易被降解。 

(2)反应时间对木糖提取的影响 

取乙醇萃取后的茭白废弃物10g，加入甲酸100ml，即W:V＝1:10(g/ml)，反应温度70℃，反应不同时间，取样检测木糖、葡萄糖浓度，并计算回收率。每次取5mL真空浓缩,最后用20mL水提取糖,采用HPLC检测。 

表4 

从表中可以看出，反应时间较短时，反应不充分，此时的木糖降解效率较低，随着反应时间的增加，甲酸较为充分的作用于原材料，所以木糖降解效率越来越高，但是随着时间的进一步增加，发现，木糖回收率越来越低，其原因可能是随着水解时间加长,会有木糖继续降解为糠醛、半纤维素脱乙酰生成羧酸等副反应产生。同时,随着水解时间的增加, 麦草中的纤维素会水解成葡萄糖,故木糖占总还原糖的百分比会持续降低。 

3、甲酸对葡萄糖提取的研究 

(1)反应时间对葡萄糖提取的影响 

木糖提取剩余固体材料进行葡萄糖提取，称取固体材料湿重10g，加入甲酸200ml，即固液比1：20(g/ml)，反应温度80℃，进行不同时间的反应，每次取5mL真空浓缩,最后用20mL水提取糖,采用HPLC检测。其结果如表5所示： 

表5 

从表中可以看出，随着反应时间的增加，葡萄糖含量也相应的增加，尤其是当反应时间达到了6h，葡萄糖回收率达到了91.0％，然而，我们也发现了另外一个问题，由于在前一步骤，木糖并未有完全降解，因此，在此阶段，木糖也会发生降解，时间增加了，伴随着副产物也适当的增加，这可能是木糖进一步发生了降解，6h产生的副产物要比5h多100％以上，而5h的葡萄糖回收率也到了90.1％，由此可见，增加反应时间，在一定程度上增加了纤维素的降解，当时间太长，反而会增加副产物，因此，在进行葡萄糖提取过程中，控制时间在5h左右为宜。 

(2)反应温度对葡萄糖提取的影响 

木糖提取剩余固体材料进行葡萄糖提取，称取固体材料湿重10g，加入甲酸200ml，固液比1：20，反应温度为60,70,80,90,100℃，反应5h，每次取5mL真空浓缩,最后用20mL水提取糖,采用HPLC检测。其结果如表6所示： 

表6 

从表6中可以看出，反应温度对葡萄糖回收率具有重要的影响，在较低温度下，葡萄糖含量较低，其原因可能是作用于连接键的能量不够，纤维素较难发生降解，随着温度的升高，降解效果越来越好，同时发现，木糖的降解也随着加快，此时从表中可以看出，反而产生较多的副产物，如糠醛，乙酸等，这给后期的反应增加了困难。 

(3)葡萄糖发酵产乳酸的工艺 

将米根霉菌球接入发酵培养基(g/L)：提取的葡萄糖稀释到80.0；(NH₄)₂SO₄3.0；MgSO₄·7H₂O0.25；ZnSO₄·7H₂O0.04；磷酸二氢钾0.2和CaCO₃50.0，接种量为10％，250ml摇瓶每瓶装50ml种子液，150r/min，28℃培养至糖耗光，测乳酸产量，其结果如表7所示： 

表7 

从表7中可以看出，利用提取得到的葡萄糖进行乳酸发酵，与纯葡萄糖发酵相比，乳酸产量基本相当，但是发酵时间明显增加，生产强度只有0.76g/L/h，与纯葡萄糖的生产强度相比相差较大，发明人降低初始发酵的葡萄糖浓度，共分四次批补加提取的葡萄糖，使其总浓度在80g/L。 

利用该工艺，我们发现，乳酸的产量基本上与纯葡萄糖发酵的相当，但是生产强度 显著提高，达到了1.17g L^-1h^-1，水解的副产物对发酵的影响基本消失，尤其可见，该工艺有利于乳酸的发酵。 

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行进一步解释说明。 

实施例1 

先将茭白废弃物茭白鞘叶、叶片及叶鞘先在50℃过夜烘干，用粉碎机粉碎至粒径为10～20mm的颗粒，用浓度为90％乙醇在温度90℃条件下浸提1h，固液比(g/ml)为1：10，过滤，将得到的固形物用甲酸在70℃条件下浸提2h，固液比(g/ml)为1：10，过滤，固液分离，液体进行减压蒸馏，当甲酸回收后得到固形物，此为制备的木糖，经检测分析得到木糖的回收率为95％；得到的固体继续使用甲酸，在温度90℃条件下浸提5h，固液比＝1:20，反应制备得到葡萄糖，该葡萄糖纯度达到95％。 

实施例2 

先将茭白废弃物茭白鞘叶、叶片及叶鞘先在50℃过夜烘干，用粉碎机粉碎至粒径为10～20mm的颗粒，用浓度为80％乙醇在温度80℃条件下浸提2h，固液比(g/ml)为1：10，过滤，将得到的固形物用甲酸在75℃条件下浸提2h，固液比(g/ml)为1：20，过滤，固液分离，液体进行减压蒸馏，当甲酸回收后得到固形物，此为制备的木糖，经检测分析得到木糖的回收率为93％；得到的固体继续使用甲酸，在温度80℃条件下浸提4h，固液比(g/ml)为1:10，反应制备得到葡萄糖，该葡萄糖纯度达到94％。 

实施例3 

先将茭白废弃物茭白鞘叶、叶片及叶鞘先在50℃过夜烘干，用粉碎机粉碎至粒径为10～20mm的颗粒，用浓度为70％乙醇在温度90℃条件下浸提1h，固液比(g/ml)为1：5，过滤，将得到的固形物用甲酸在70℃条件下浸提1h，固液比(g/ml)为1：10，过滤，固液分离，液体进行减压蒸馏，当甲酸回收后得到固形物，此为制备的木糖，经检测分析得到木糖的回收率为92％；得到的固体继续使用甲酸，在温度90℃条件下浸提4h，固液比(g/ml)为1:20，反应制备得到葡萄糖，该葡萄糖纯度达到92％。 

实施例4 

先将茭白废弃物茭白鞘叶、叶片及叶鞘先在50℃过夜烘干，用粉碎机粉碎至粒径为10～20mm的颗粒，用浓度为90％乙醇在温度90℃条件下浸提1h，固液比(g/ml)为1：10，过滤，将得到的固形物用甲酸在70℃条件下浸提2h，固液比(g/ml)为1：10，过滤， 固液分离，液体进行减压蒸馏，当甲酸回收后得到固形物，此为制备的木糖， 

木糖培养米根霉菌体的方法具体包括以下步骤：将木糖对米根霉进行分级培养，培养三级，每级控制木糖浓度在10～15g/L，总糖浓度控制在30～50g/L，同时控制蛋白胨2.0g/L，磷酸二氢钾0.2g/L，MgSO₄·7H₂O0.2g/L，CaCO₃6.0g/L，250ml摇瓶每瓶装50ml种子液，150r/min，30℃反应，每级培养8～12h，培养结束后，得到大小均匀的，直径为1mm左右的球状米根霉菌球。 

培养得到的菌球接入发酵培养基(g/L)：将按照实施例1方法提取的葡萄糖稀释到80.0；(NH₄)₂SO₄3.0；MgSO₄·7H₂O0.25；ZnSO₄·7H₂O0.04；磷酸二氢钾0.2和CaCO₃50.0，接种量为10％，采用分批补料法发酵制备乳酸，初始葡萄糖浓度为20g/L，再补料3次，每次补料20g/L，使得葡萄糖总浓度达到80g/L，250ml摇瓶每瓶装50ml种子液，28℃，150r/min培养45h，乳酸产量达到57.4g/L(80g/L初始葡萄糖浓度)，生产强度达到了1.17g/L/h，糖酸转化率达71.8％。 

一种利用茭白废弃物生产乳酸的方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。