CN100402658C - 利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用膜反应器进行汽爆秸秆酶解以制备高浓度还原糖的方法及装置，提出了采用汽爆秸秆酶解与超滤膜耦合同时实现制备高浓度还原糖和纤维素酶的回收再利用的生产工艺。反应器由酶解区和膜分离区两部分组成，酶解区又分为固定相(汽爆秸秆+酶)和流动相(缓冲液)。通过流动相将汽爆秸秆酶解产生的还原糖淋洗下来，并带到膜分离区进行在线分离以除去产物抑制对酶解的影响。本发明避免了酶解产物对汽爆秸秆酶解的抑制作用，降低了酶解过程中纤维素酶的使用成本，增加了膜反应器里的汽爆秸秆浓度，提高了生产能力，并节省了生产中的能耗，降低了汽爆秸秆的酶解成本。

Description

利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种还原糖的制备方法，特别涉及一种利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法.
背景技术
目前我国秸秆资源产量高达7.9×108吨之多，并每年以1.3×107吨的速度稳步增长.这些植物纤维资源中的纤维素、半纤维素的含量约40％～60％.通过适当的水解技术可以将其中的纤维素和半纤维素转化为单糖，并可进一步发酵成酒精或其它高附加值产品.
在最近几十年里，由于酶解反应条件温和、设备简单、能耗低、污染小等原因受到了广泛的关注.但纤维素酶解的进一步发展受到了水解速度慢，产率低以及成本高等因素的限制.其中纤维素酶的成本大约相当于糖化总成本的60％～80％，因此为了降低纤维素的酶解成本，众多研究者对纤维素酶的回收和再利用进行了研究，如采用丹宁吸附法，新鲜底物吸附，膜回收等方法.用膜反应器系统来水解纤维素类物质并回收和再利用纤维素酶是一个较完善的途径，利用适当的超滤膜来截留纤维素酶和未水解的原料，而水解产物则可以透过膜，从而可以同时达到消除产物抑制，提高水解产率和再利用纤维素酶以降低生产成本的目的.但汽爆秸秆酶解的最终目的是利用酶解所产生的还原糖，因此最终还原糖浓度的高低直接决定了后续工艺的难易程度.而传统的膜反应器存在底物浓度低，目标产物浓度更低的缺点，不利于酶解成本的进一步降低和后续工艺的进行.
发明内容
本发明的目的是提供一种利用膜反应器对汽爆秸秆进行酶解以制备高浓度还原糖的方法，可以减少酶解产物对汽爆秸秆酶解的抑制作用，降低酶解过程中纤维素酶的使用成本，增加膜反应器里的底物浓度，提高生产能力，并节省了生产中的能耗；同时还可以回收再利用其中的纤维素酶，降低汽爆秸秆的酶解成本。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法，其步骤如下：
(1)在膜反应器中的酶解区(由不少于2个的酶解罐串连组成)中加入经稀释的纤维素酶液或酶曲及经灭菌的汽爆秸秆原料，在48-52℃温度下，进行酶解1-3天；所述纤维素酶或酶曲的加入量为10-40IU滤纸酶活/每克汽爆秸秆；
(2)开启与酶解区相连通的蠕动泵，将缓冲液从第一个酶解罐的上方淋洗下来，对该第一个酶解罐中的汽爆秸秆进行酶解，所得酶解液依序淋洗之后的酶解罐，从最后一个酶解罐流出的酶解液进入反应器中的超滤膜组件，所述超滤膜组件中的超滤膜将酶解产物在线分离出来，同时打开输液泵，补加缓冲液，以维持整个酶解体系中的液体体积保持不变。
所述的酶解罐为不少于2个。所述的超滤膜组件为截流分子量1000-5万的中空纤维超滤膜组件或平板超滤膜组件.所述超滤膜组件中的超滤膜为亲水性超滤膜或非亲水性超滤膜。所述的亲水性超滤膜为聚丙烯腈膜或聚醚砜膜。所述的非亲水性超滤膜为聚乙烯膜或聚丙烯膜。所述的超滤膜组件中超滤膜两侧压力为0-1Mpa。
所述步骤还包括在步骤(1)汽爆秸秆固相酶解1-3天之后，补加原汽爆秸秆原料质量20-50％的灭菌后的汽爆秸秆原料，和0-30IU滤纸酶活/每克补加汽爆秸秆原料。本发明回收的纤维素酶可循环利用1-5个酶解周期。
本发明提供的膜反应器酶解装置，包括酶解区和膜分离区，其特征在于，所述的酶解区由不少于2个的酶解罐串联构成；所述的膜分离区由超滤膜组件构成，所述的超滤膜组件为截流分子量1000-5万的中空纤维超滤膜组件或平板超滤膜组件；所述每一酶解罐上方安装有液体喷淋装置.所述超滤膜组件中的超滤膜为亲水性超滤膜或非亲水性超滤膜。所述的亲水性超滤膜为聚丙烯腈膜或聚醚砜膜。所述的非亲水性超滤膜为聚乙烯膜或聚丙烯膜。所述的超滤膜组件中超滤膜两侧压力为0-1Mpa。
本发明的工作流程为：
新鲜的缓冲液通过输液泵加入到酶解区.在酶解过程中可将系统分为流动相和固定相部分，固定相是放在酶解罐里的汽爆秸秆和吸附在秸秆上的纤维素酶；流动相就是在膜反应器中不停流动的缓冲液.缓冲液从第一个酶解罐的上部喷洒下来，穿过汽爆秸秆从酶解罐的底部流出然后进入第二个酶解罐，直至进入超滤膜组件，最后和新加入的缓冲液同时回到酶解区，再次进行循环，新鲜缓冲液的加入量与分离出的酶解液的体积相当.通过对汽爆秸秆不停的淋洗，将酶解产生的还原糖溶解下来并利用超滤膜组件进行产物的在线分离，达到去除产物抑制和截留纤维素酶的目的.
本发明进行酶解的方法按以下步骤进行：
首先对秸秆进行汽爆预处理，汽爆条件为：蒸汽压力1.0～1.5Mpa，水分含量5～35％，处理时间2～7min；然后将已吸饱经过适当稀释的酶液的汽爆秸秆原料平均放入每个酶解罐里，在一定温度下进行水解反应，不加搅拌或振荡，水解0-0.5h后，开启蠕动泵和输液泵，进行酶解产物的在线分离.
本发明采用的汽爆秸秆原料的灭菌方式是0.1Mpa的高压蒸汽灭菌30min，纤维素酶是10-40IU滤纸酶活/每克汽爆秸秆原料，并在汽爆秸秆酶解1～3天后补加原汽爆秸秆原料20～50％(质量百分比)的灭菌汽爆秸秆原料和0～30IU滤纸酶活/每克汽爆秸秆原料.
本发明采用的超滤膜的截流分子量为1000-5万，能够将纤维素酶完全截留在反应器里.纤维素酶可循环利用1-5个酶解周期.
本发明通过调节超滤膜组件两侧的压力来调节酶解产物的去除速度，一般为0～1Mpa.
本发明的利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法，避免了酶解产物对汽爆秸秆酶解的抑制作用，降低了酶解过程中纤维素酶的使用成本，增加了超滤膜反应器里的汽爆秸秆浓度，提高了生产能力，并节省了生产中的能耗，大大降低了汽爆秸秆的酶解成本.
附图说明
图1是本发明的工艺流程图，酶解区是由4个酶解罐串联而成.
实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明.
实施例1
本实施例的汽爆秸秆酶解的酶解区可由2个酶解罐串联而成，其酶解步骤如下：
1、在膜反应器中的由2个串联的酶解罐组成的酶解区加入已灭菌的汽爆秸秆原料和稀释过的纤维素酶液，在52℃下保温1天，所述汽爆秸秆原料与纤维素酶液的加入量为40UI滤纸酶活/每克汽爆秸秆；
2、开启与酶解区相连通的蠕动泵，将缓冲液从第一个酶解罐的上方淋洗下来，对该第一个酶解罐中的汽爆秸秆进行酶解，所得酶解液再淋洗第二个酶解罐，该第二个解罐酶的酶解液流入膜反应器中的超滤膜组件，通过膜反应器中超滤膜将酶解产物在线分离出来，同时打开输液泵，加入相当的缓冲液，以维持整个体系中的液体体积保持不变.
在酶解1天后，最终所得还原糖的平均浓度为15g/L，比普通膜反应器的还原糖的平均浓度提高了将近4倍，而汽爆秸秆原料的转化率则提高了30％.
实施例2
本实施例的汽爆秸秆酶解步骤同实施例1，只是酶解区是由4个酶解罐串联而成，在酶解1天后，最终所得还原糖的平均浓度为27g/L，比普通膜反应器的还原糖的平均浓度提高了将近7倍，而汽爆秸秆原料的转化率则提高了60％.
实施例3
本实施例的汽爆秸秆酶解步骤同实施例2，只是在汽爆秸秆酶解1天后补加原先汽爆秸秆的30％(质量百分比)的灭菌汽爆秸秆原料，在酶解2天后，最终所得还原糖的平均浓度为20g/L，比普通膜反应器的还原糖的平均浓度提高了将近5倍，而汽爆秸秆原料的转化率则提高了35％，而纤维素酶则被循环利用了两个酶解周期，降低了纤维素酶的使用成本.
实施例4
本实施例的汽爆秸秆酶解步骤同实施例3，只是在补料的同时补加了10IU滤纸酶活/g汽爆秸秆原料，在酶解2天后，最终所得还原糖的平均浓度为35g/L，比普通膜反应器的还原糖的平均浓度提高了将近5倍，而汽爆秸秆原料的转化率则提高了53％.

Claims (8)

1.一种利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法，其步骤如下：
(1)在膜反应器中的由不少于2个酶解罐串连组成的酶解区中加入经稀释的纤维素酶液或酶曲及经灭菌的汽爆秸秆原料，在48-52℃温度下，进行酶解1-3天；所述纤维素酶或酶曲的加入量为10-40IU滤纸酶活/每克汽爆秸秆；
(2)开启与酶解区相连通的蠕动泵，将缓冲液从第一个酶解罐的上方淋洗下来，对该第一个酶解罐中的汽爆秸秆进行酶解，所得酶解液依序淋洗之后的酶解罐，从最后一个酶解罐流出的酶解液进入膜反应器中的超滤膜组件，所述超滤膜组件中的超滤膜将酶解产物在线分离出来，同时打开输液泵，补加缓冲液，以维持整个酶解体系中的液体体积保持不变。
2.按权利要求1所述的利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法，其特征在于，所述的超滤膜组件为截流分子量1000-5万的中空纤维超滤膜组件或平板超滤膜组件。
3.按权利要求1所述的利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法，其特征在于，所述超滤膜组件中的超滤膜为亲水性超滤膜或非亲水性超滤膜，超滤膜组件中超滤膜两侧压力为0-1Mpa。
4.权利要求3的所述的利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法，其特征在于，所述的亲水性超滤膜为聚丙烯腈膜或聚醚砜膜，所述的非亲水性超滤膜为聚乙烯膜或聚丙烯膜。
5.按权利要求1所述的利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法，其特征在于，所述步骤还包括在步骤(1)汽爆秸秆固相酶解1-3天之后，补加原汽爆秸秆原料质量20-50％的灭菌后的汽爆秸秆原料，和0-30IU滤纸酶活/每克补加汽爆秸秆原料。
6.一种用于权利要求1所述制备还原糖的方法的膜反应器酶解装置，包括酶解区和膜分离区，其特征在于，所述的酶解区由不少于2个酶解罐串联构成；所述的膜分离区由超滤膜组件构成，所述的超滤膜组件为截流分子量1000-5万的中空纤维超滤膜组件或平板超滤膜组件；所述每一酶解罐上方安装有液体喷淋装置。
7.按权利要求6所述的膜反应器酶解装置，其特征在于，所述的超滤膜组件中的超滤膜为亲水性超滤膜或非亲水性超滤膜，超滤膜组件中超滤膜两侧压力为0-1Mpa。
8.按权利要求6所述的膜反应器酶解装置，其特征在于，所述的亲水性超滤膜为聚丙烯腈膜或聚醚砜膜，非亲水性超滤膜为聚乙烯膜获聚丙烯膜。
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