1.本发明涉及乳酸、木糖醇和木质素生产技术领域，尤其涉及一种木质纤维素原料联产乳酸、木糖醇和木质素的方法。


背景技术：

2.乳酸可作为生产聚乳酸的原料。聚乳酸是一种新型的生物降解材料，具有良好的生物可降解性，能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。
3.木糖醇甜度与蔗糖相当，但能量只有蔗糖的一半，且人体内代谢不需要胰岛素参与，在医药、食品等行业被广泛利用。木糖醇是世界第一的稀有糖，是生产其它稀有糖和合成生物高分子的原料，被美国能源部列为12种最具有竞争力的生物基平台化合物之一。
4.木质素是木质素纤维素的主要组分之一。木质素可广泛应用于制备酚醛树脂、聚氨酯等材料，可作为填料改性橡胶等，也可应用于碳纤维素材料、表面活性剂、絮凝剂等，具有很好的应用价值。
5.目前，生物化学品(例如乳酸、木糖醇等)的原料主要来自粮食作物(例如玉米等)，若大规模发展，可能会对我国的粮食安全造成一定威胁。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供木质纤维素原料联产乳酸、木糖醇和木质素的方法。
7.为了实现上述的目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明提供一种木质纤维素原料联产乳酸、木糖醇和木质素的方法，包括如下步骤：
9.步骤一，对木质纤维素原料进行预处理，得到预处理物料；
10.步骤二，将步骤一所得的预处理物料进行固液分离，得到含纤维素和木质素的固相，以及含木糖的液相；
11.步骤三，对步骤二所得的含木糖的液相进行发酵得到含木糖醇的发酵液；
12.步骤四，对步骤三所得的含木糖醇的发酵液进行提纯得到木糖醇；
13.步骤五，对步骤二所得的含纤维素和木质素的固相进行酶解，得到含葡萄糖和木质素的酶解液；
14.步骤六，对步骤五得到的含葡萄糖和木质素的酶解液进行固液分离，得到含木质素的固相，以及含葡萄糖的液相；
15.步骤七，对步骤六得到的含木质素的固相进行提纯得到木质素；
16.步骤八，对步骤六得到的含葡萄糖的液相进行发酵得到含乳酸的发酵液；
17.步骤九，对步骤八得到的含乳酸的发酵液进行提纯得到乳酸。
18.进一步地，所述木质纤维素原料为玉米秸秆、稻秸秆、麦秸秆、芦苇和豆秸中的一
种或几种。
19.进一步地，步骤一中，所述预处理为酸法处理、碱法处理、氨处理、蒸汽爆破处理和螺杆造压瞬间膨化处理中的一种或几种；所述螺杆造压瞬间膨化处理的具体步骤为：采用1wt％～4wt％硫酸对木质纤维素原料进行浸渍，然后在温度150℃～230℃，压力0.6mpag～1.2mpag，处理20min～40min。
20.进一步地，步骤二中，所述固液分离选自板框过滤、离心分离中的一种或两种。优选离心分离。
21.进一步地，步骤三中，所述发酵是采用木糖醇发酵菌种进行发酵，发酵接种量5％～20％，发酵温度20℃～40℃，发酵ph4～ph6，发酵时间24h～96h。
22.进一步优选地，发酵接种量10％～15％，发酵温度30℃～35℃，发酵ph5.2～ph5.5，发酵时间48h～72h。
23.进一步地，步骤四中，所述提纯选自活性炭脱色、超滤、离子交换、蒸发、结晶、固液分离、干燥中的一种或几种。
24.进一步优选地，步骤四中，所述提纯的具体步骤如下：
25.(1)活性炭脱色：活性炭用量30g/l～33g/l，脱色温度28℃～30℃，脱色ph 2.8～ph 3.2；
26.(2)超滤：截留分子量3kd～10kd；
27.(3)离子交换：采用d202阴树脂和001
×
7阳树脂，温度25～35℃，时间30～35min；
28.(4)蒸发：蒸发温度70℃～80℃，木糖醇浓度达到80％～90％；
29.(5)结晶：当温度降至60℃～70℃时，加入晶种，搅拌结晶，以每小时降0.5℃～1.5℃至室温；
30.(6)固液分离：采用离心机；
31.(7)干燥：干燥至含水量0.5wt％。
32.进一步地，步骤五中，所述酶解采用的酶为里氏木霉和/或黑曲霉所产的酶，酶的用量为0.01～0.3g/g纤维素，酶的用量指的是各种酶的总量；酶解干物浓度10wt％～30wt％，酶解ph至4～6，酶解时间48h～144h。
33.进一步优选地，酶解干物浓度15wt％～25wt％，酶解ph至4.5～5.5，酶解时间72h～96h。
34.进一步地，步骤六中，所述固液分离选自板框过滤、离心分离中的一种或两种。优选离心分离。
35.进一步地，步骤七中，所述提纯选自酸、碱、有机溶剂、固液分离、水洗、干燥中的一种或几种。
36.进一步优选地，步骤七中，所述提纯的具体步骤如下：
37.(1)碱溶：采用氢氧化钠使所述含木质素的固相溶解，温度20℃-80℃，时间1h～4h，ph9～ph13；
38.(2)固液分离：采用离心分离得到含有木质素的溶液；
39.(3)酸析：加入硫酸在常温下使木质素析出，然后采用离心分离得到木质素渣；
40.(4)水洗：对木质素渣进行水洗，然后采用离心分离得到经水洗的木质素渣；
41.(5)干燥：对经水洗的木质素渣进行气流干燥得到木质素。
42.进一步地，步骤八中，所述发酵是采用乳酸发酵菌种进行发酵，发酵接种量5％～20％，发酵温度30℃～50℃，发酵ph5～ph7，发酵时间24～96小时。
43.进一步优选地，步骤八中，发酵接种量10％～15％，发酵温度35℃～45℃，发酵ph5.5～ph6.2，发酵时间48～72小时。
44.进一步地，步骤九中，所述提纯选自固液分离、酸化、活性炭脱色、超滤、离子交换、蒸发中的一种或几种。
45.进一步优选地，步骤九中，所述提纯的具体步骤如下：
46.(1)固液分离：对含乳酸的发酵液进行刮刀离心，得到乳酸液；
47.(2)酸化：在乳酸液中然后加入硫酸，在70℃～80℃酸化2h～3h；
48.(3)固液分离：采用板框过滤得到酸化液；
49.(4)活性炭脱色：在酸化液中加入0.5％～1％的活性炭，在50℃～60℃下脱色0.5h～1h；
50.(5)超滤；
51.(6)阳离子交换和阴离子交换；
52.(7)蒸发：采用蒸发将乳酸浓度浓缩至80％～90％；
53.(8)蒸馏：采用分子蒸馏，压力为100pa～150pa、温度为60℃～70℃，得到乳酸产品。
54.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
55.本发明利用木质素纤维素为原料联产乳酸、木糖醇和木质素，有利于保障粮食安全，有利于实现绿色低碳发展，有利于解决秸秆焚烧带来的环境问题，还可以增加农民收入，具有良好的社会效益和环境效益。
具体实施方式
56.下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
57.实施例1
58.本实施例提供一种木质纤维素原料联产乳酸、木糖醇和木质素的方法，包括如下步骤：
59.步骤一，采用螺杆造压瞬间膨化工艺对木质纤维素原料进行预处理，采用1wt％硫酸对木质纤维素原料进行浸渍，然后在温度230℃，压力1.2mpag，处理40min，得到预处理物料。
60.步骤二，将步骤一所得的预处理物料进行固液分离(采用离心分离)，得到含纤维素和木质素的固相，以及含木糖的液相。
61.步骤三，对步骤二所得的含木糖的液相采用木糖醇发酵菌种进行发酵，发酵接种量10％，发酵温度35℃，发酵ph5.2～ph5.5，发酵时间72h，得到含木糖醇的发酵液。
62.步骤四，对步骤三所得的含木糖醇的发酵液进行提纯得到木糖醇；
63.上述提纯的具体步骤如下：
64.(1)活性炭脱色：活性炭用量30g/l，脱色温度30℃，脱色ph 2.8～ph 3.2；
65.(2)超滤：截留分子量3kd～10kd；
66.(3)离子交换：采用d202阴树脂和001
×
7阳树脂，温度25～35℃，时间30～35min；
67.(4)蒸发：蒸发温度70℃～80℃，木糖醇浓度达到80％～90％；
68.(5)结晶：当温度降至60℃时，加入晶种，搅拌结晶，以每小时降1.5℃至室温；
69.(6)固液分离：采用离心机；
70.(7)干燥：干燥至含水量0.5wt％。
71.步骤五，采用里氏木霉和/或黑曲霉所产的酶对步骤二所得的含纤维素和木质素的固相进行酶解，酶的用量(指的是各种酶的总量)为0.01g/g纤维素，酶解干物浓度15wt％，酶解ph至4.5～5.5，酶解时间96h，得到含葡萄糖和木质素的酶解液。
72.步骤六，对步骤五得到的含葡萄糖和木质素的酶解液进行固液分离(离心分离)，得到含木质素的固相，以及含葡萄糖的液相。
73.步骤七，对步骤六得到的含木质素的固相进行提纯得到木质素；
74.上述提纯的具体步骤如下：
75.(1)碱溶：采用氢氧化钠使所述含木质素的固相溶解，温度20℃-80℃，时间1h～4h，ph9～ph13；
76.(2)固液分离：采用离心分离得到含有木质素的溶液；
77.(3)酸析：加入硫酸在常温下使木质素析出，然后采用离心分离得到木质素渣；
78.(4)水洗：对木质素渣进行水洗，然后采用离心分离得到经水洗的木质素渣；
79.(5)干燥：对经水洗的木质素渣进行气流干燥得到木质素。
80.步骤八，采用乳酸发酵菌种对步骤六得到的含葡萄糖的液相进行发酵，发酵接种量10％，发酵温度45℃，发酵ph5.5～ph6.2，发酵时间72小时，得到含乳酸的发酵液。
81.步骤九，对步骤八得到的含乳酸的发酵液进行提纯得到乳酸；
82.上述提纯的具体步骤如下：
83.(1)固液分离：对含乳酸的发酵液进行刮刀离心，得到乳酸液；
84.(2)酸化：在乳酸液中然后加入硫酸，在70℃酸化3h；
85.(3)固液分离：采用板框过滤得到酸化液；
86.(4)活性炭脱色：在酸化液中加入0.5％的活性炭，在60℃下脱色1h；
87.(5)超滤；
88.(6)阳离子交换和阴离子交换；
89.(7)蒸发：采用蒸发将乳酸浓度浓缩至80％～90％；
90.(8)蒸馏：采用分子蒸馏，压力为100pa～150pa、温度为60℃～70℃，得到乳酸产品。
91.作为优选例，上述木质纤维素原料为玉米秸秆、稻秸秆、麦秸秆、芦苇和豆秸中的一种或几种。
92.实施例2
93.本实施例提供一种木质纤维素原料联产乳酸、木糖醇和木质素的方法，包括如下步骤：
94.步骤一，采用螺杆造压瞬间膨化工艺对木质纤维素原料进行预处理，采用4wt％硫酸对木质纤维素原料进行浸渍，然后在温度150℃，压力0.6mpag，处理20min，得到预处理物料。
95.步骤二，将步骤一所得的预处理物料进行固液分离(采用离心分离)，得到含纤维素和木质素的固相，以及含木糖的液相。
96.步骤三，对步骤二所得的含木糖的液相采用木糖醇发酵菌种进行发酵，发酵接种量15％，发酵温度35℃，发酵ph5.2～ph5.5，发酵时间72h，得到含木糖醇的发酵液。
97.步骤四，对步骤三所得的含木糖醇的发酵液进行提纯得到木糖醇；
98.上述提纯的具体步骤如下：
99.(1)活性炭脱色：活性炭用量33g/l，脱色温度28℃，脱色ph 2.8～ph 3.2；
100.(2)超滤：截留分子量3kd～10kd；
101.(3)离子交换：采用d202阴树脂和001
×
7阳树脂，温度25～35℃，时间30～35min；
102.(4)蒸发：蒸发温度70℃～80℃，木糖醇浓度达到80％～90％；
103.(5)结晶：当温度降至70℃时，加入晶种，搅拌结晶，以每小时降0.5℃至室温；
104.(6)固液分离：采用离心机；
105.(7)干燥：干燥至含水量0.5wt％。
106.步骤五，采用里氏木霉和/或黑曲霉所产的酶对步骤二所得的含纤维素和木质素的固相进行酶解，酶的用量(指的是各种酶的总量)为0.3g/g纤维素，酶解干物浓度25wt％，酶解ph至4.5～5.5，酶解时间72h，得到含葡萄糖和木质素的酶解液。
107.步骤六，对步骤五得到的含葡萄糖和木质素的酶解液进行固液分离(离心分离)，得到含木质素的固相，以及含葡萄糖的液相。
108.步骤七，对步骤六得到的含木质素的固相进行提纯得到木质素；
109.上述提纯的具体步骤如下：
110.(1)碱溶：采用氢氧化钠使所述含木质素的固相溶解，温度20℃-80℃，时间1h～4h，ph9～ph13；
111.(2)固液分离：采用离心分离得到含有木质素的溶液；
112.(3)酸析：加入硫酸在常温下使木质素析出，然后采用离心分离得到木质素渣；
113.(4)水洗：对木质素渣进行水洗，然后采用离心分离得到经水洗的木质素渣；
114.(5)干燥：对经水洗的木质素渣进行气流干燥得到木质素。
115.步骤八，采用乳酸发酵菌种对步骤六得到的含葡萄糖的液相进行发酵，发酵接种量15％，发酵温度35℃，发酵ph5.5～ph6.2，发酵时间48小时，得到含乳酸的发酵液。
116.步骤九，对步骤八得到的含乳酸的发酵液进行提纯得到乳酸；
117.上述提纯的具体步骤如下：
118.(1)固液分离：对含乳酸的发酵液进行刮刀离心，得到乳酸液；
119.(2)酸化：在乳酸液中然后加入硫酸，在80℃酸化2h；
120.(3)固液分离：采用板框过滤得到酸化液；
121.(4)活性炭脱色：在酸化液中加入1％的活性炭，在50℃下脱色0.5h；
122.(5)超滤；
123.(6)阳离子交换和阴离子交换；
124.(7)蒸发：采用蒸发将乳酸浓度浓缩至80％～90％；
125.(8)蒸馏：采用分子蒸馏，压力为100pa～150pa、温度为60℃～70℃，得到乳酸产品。
126.作为优选例，上述木质纤维素原料为玉米秸秆、稻秸秆、麦秸秆、芦苇和豆秸中的一种或几种。
127.实施例3
128.本实施例提供一种木质纤维素原料联产乳酸、木糖醇和木质素的方法，包括如下步骤：
129.步骤一，采用螺杆造压瞬间膨化工艺对木质纤维素原料进行预处理，采用3wt％硫酸对木质纤维素原料进行浸渍，然后在温度200℃，压力0.9mpag，处理30min，得到预处理物料。
130.步骤二，将步骤一所得的预处理物料进行固液分离(采用离心分离)，得到含纤维素和木质素的固相，以及含木糖的液相。
131.步骤三，对步骤二所得的含木糖的液相采用木糖醇发酵菌种进行发酵，发酵接种量12％，发酵温度32℃，发酵ph5.2～ph5.5，发酵时间60h，得到含木糖醇的发酵液。
132.步骤四，对步骤三所得的含木糖醇的发酵液进行提纯得到木糖醇；
133.上述提纯的具体步骤如下：
134.(1)活性炭脱色：活性炭用量32g/l，脱色温度29℃，脱色ph 2.8～ph 3.2；
135.(2)超滤：截留分子量3kd～10kd；
136.(3)离子交换：采用d202阴树脂和001
×
7阳树脂，温度25～35℃，时间30～35min；
137.(4)蒸发：蒸发温度70℃～80℃，木糖醇浓度达到80％～90％；
138.(5)结晶：当温度降至65℃时，加入晶种，搅拌结晶，以每小时降1.0℃至室温；
139.(6)固液分离：采用离心机；
140.(7)干燥：干燥至含水量0.5wt％。
141.步骤五，采用里氏木霉和/或黑曲霉所产的酶对步骤二所得的含纤维素和木质素的固相进行酶解，酶的用量(指的是各种酶的总量)为0.2g/g纤维素，酶解干物浓度20wt％，酶解ph至4.5～5.5，酶解时间84h，得到含葡萄糖和木质素的酶解液。
142.步骤六，对步骤五得到的含葡萄糖和木质素的酶解液进行固液分离(离心分离)，得到含木质素的固相，以及含葡萄糖的液相。
143.步骤七，对步骤六得到的含木质素的固相进行提纯得到木质素；
144.上述提纯的具体步骤如下：
145.(1)碱溶：采用氢氧化钠使所述含木质素的固相溶解，温度20℃-80℃，时间1h～4h，ph9～ph13；
146.(2)固液分离：采用离心分离得到含有木质素的溶液；
147.(3)酸析：加入硫酸在常温下使木质素析出，然后采用离心分离得到木质素渣；
148.(4)水洗：对木质素渣进行水洗，然后采用离心分离得到经水洗的木质素渣；
149.(5)干燥：对经水洗的木质素渣进行气流干燥得到木质素。
150.步骤八，采用乳酸发酵菌种对步骤六得到的含葡萄糖的液相进行发酵，发酵接种量12％，发酵温度40℃，发酵ph5.5～ph6.2，发酵时间60小时，得到含乳酸的发酵液。
151.步骤九，对步骤八得到的含乳酸的发酵液进行提纯得到乳酸；
152.上述提纯的具体步骤如下：
153.(1)固液分离：对含乳酸的发酵液进行刮刀离心，得到乳酸液；
154.(2)酸化：在乳酸液中然后加入硫酸，在70℃～80℃酸化2h～3h；
155.(3)固液分离：采用板框过滤得到酸化液；
156.(4)活性炭脱色：在酸化液中加入0.5％～1％的活性炭，在50℃～60℃下脱色0.5h～1h；
157.(5)超滤；
158.(6)阳离子交换和阴离子交换；
159.(7)蒸发：采用蒸发将乳酸浓度浓缩至80％～90％；
160.(8)蒸馏：采用分子蒸馏，压力为100pa～150pa、温度为60℃～70℃，得到乳酸产品。
161.作为优选例，上述木质纤维素原料为玉米秸秆、稻秸秆、麦秸秆、芦苇和豆秸中的一种或几种。
162.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围。