CN101768545A - 一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器及其方法，包括仿生蠕动酶解反应器、蠕动驱动装置(10)、淋洗装置(19)、超滤膜循环分离装置(12)、酶解液循环泵(15)、糖浓度分析仪(20)、螺旋进出料装置(8，9)及控制系统组成。蠕动装置是由蠕动杆和蠕动驱动装置构成，在反应器轴向平行方向做往复运动；以糖浓度分析仪控制酶解反应器内纤维素酶的循环淋洗和膜分离系统内纤维素酶与糖溶液的分离与浓缩。本反应器的特点在于通过仿生蠕动作用，改善固相底物之间的传质，并增加固相底物的可及性；循环淋洗酶解可解决传统反应器装料系数低、底物浓度低等问题，为后续的发酵提供了高浓度的糖平台；且酶解过程无固体翻动机械传动，反应器结构简单，能耗低，便于工业放大。

Description

一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器及其方法

【技术领域】

本发明属于木质纤维素原料酶解糖化技术领域，特别涉及到一种集成纤维素酶循环淋洗、蠕动酶解和糖膜循环分离的集成式循环淋洗仿生蠕动酶解反应器及其方法。

【背景技术】

木质纤维生物质将是人类未来的能源、材料和化工产品的重要原料。然而，由于其高度不均一性及复杂性，木质纤维原料作为大规模生物利用的资源一直难以突破经济技术关，其中一个重要的原因就是纤维素原料的酶解效率低，酶解成本高。因此，开发高效新型酶解反应器对于提高纤维素酶解效率和酶解液中发酵糖的浓度非常重要。在传统的纤维素酶解反应器中，纤维素酶解往往以静置恒温方式进行。虽然辅助机械搅拌或者摇床等设备，有利于克服其传质阻力，但是秸秆作为一种具有网状结构的复杂固相底物，在纤维的细微结构处，必然存在较大的液膜阻力，使酶解产物和酶分子流动困难，酶的吸附-解吸频率较低，同时也使产生并存在于微结构的产物(糖)不能顺利释放，抑制了酶解反应的连续进行。为了提高纤维素原料的酶解效率，国内外学者开发了多种新型酶解反应器，最常用的有搅拌式、固定化酶填充床式和流化床式三大类。但由于植物纤维素酶解具有周期长、酶耗高等原因，目前对于纤维素酶解设备的研究还处于实验室研究阶段，而且大多侧重于工艺条件的研究。

仿生学的发展为生物工程科学提供了新的思路。不断的深入研究反刍动物消化机理为植物纤维制备装置的材料、构型、运行调控设计提供了良好仿生学依据。例如鸡的胃中有一个砂囊，在砂囊内，通过其蠕动，利用啄食石子的将食物进行研磨、消化、吸收；反刍动物牛，所吃的草类，经过胃的处理能够达到非常好的消化吸收。国内外学者从仿生角度出发，开发出了各种反应器，如Hoover曾经设计过一种人工瘤胃反应器，具有过滤和流量控制功能；Teunissen建立半连续培养人工瘤胃装置；Zhu建立简便有效的连续培养装置；孟庆翔建立了瘤胃模拟实验室装置；侯哲生和佟金报道了一种根据反刍动物瘤胃结构仿生设计的蠕动式发酵罐，该反应器通过过滤膜与罐的一体耦合实现了液态培养基的连续补料和发酵代谢产物的连续分离，既可以达到微生物与底物充分混合并减少了能耗，同时又减少了膜分离过程中的浓差极化现象的产生。但是仿生原理运用于木质纤维素原料酶解的研究尚未见报道，更没有关于基于仿生原理进行设计的酶解反应器。中国科学院过程工程研究所陈洪章等发明了滚轮式酶解反应器(200610065102.7)，采用不锈钢球作为特殊传质工具，结合蒸汽爆破预处理和钢珠高速震荡，对原料进行动态酶解，但是这种反应器的动力源仍然是钢球对固相底物的剪切作用力，并且动力消耗较大，还有待进一步改善。

影响木质纤维素原料酶解的另一个重要因素是如何提高酶解反应过程中底物的浓度，从而提高酶解效率。但是秸秆等木质纤维素原料的酶解过程是一个典型的底物抑制过程，增加底物浓度，提高酶解效率的同时，产生的纤维二糖和葡萄糖浓度逐渐升高，从而对酶解反应产生较强的抑制。为了消除反馈抑制作用，Gauss等于1976年提出了在同一个反应罐中进行纤维素糖化和乙醇发酵的同步糖化发酵法。但是其主要问题是纤维素酶解与酒精发酵温度不一致。为了克服这一个问题，中国科学院过程工程研究所陈洪章等发明了一种利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法和装置(200510011458.8)，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。但是这种方式仍然难以适于工业化生产的要求。

分析总结现有纤维素酶解反应器存在的问题，本发明专利从仿生的角度，将生物科学与工程技术科学融合起来，设计秸秆等木质纤维素原料的酶解反应器，并耦合膜分离达到提高木质纤维原料酶解率、降低纤维素酶使用成本、提高酶解糖浓度的目的，有望在纤维素原料酶解方式上形成新的突破、建立发酵工业高浓度糖平台。

【发明内容】

为了克服现有的酶解反应器装料系数低、酶回收困难、糖浓度低、底物抑制等不足，本发明的目的在于提供一种集成纤维素酶循环淋洗、仿生酶解和还原糖膜循环分离的集成式循环淋洗仿生膜分离酶解反应器的研制。

本发明的另一个目的在于提供一种集固相底物仿生酶解，纤维素酶液动态循环淋洗及酶解还原糖超滤膜浓缩为一体的秸秆等木质纤维素原料高效酶解方法。

本发明所提供的一种循环淋洗仿生酶解反应器的技术方案如下：

本发明提供的一种循环淋洗蠕动酶解反应器，由仿生蠕动酶解反应器、蠕动驱动装置、淋洗装置、超滤膜循环分离装置、酶解液循环、糖浓度分析仪、螺旋进出料装置及控制系统组成。其特征在于：在反应器刚性外壁与柔性内腔之间装有带半球型钢球的蠕动杆，反应器中心固定有硅橡胶管，管内装有带球型钢球的蠕动杆；蠕动杆由蠕动驱动装置带动，在反应器的轴向平行方向做往复运动；酶解固相底物经螺旋输送器进行连续进料，酶液进入反应器并经喷雾装置均匀喷洒至物料表面；酶解反应器底部装有过滤膜，滤液(酶解液和酶液)进入经膜分离系统循环淋洗固相底物，实现酶液循环酶解和糖的在线分离与浓缩；酶解渣由反应器侧面螺旋出料器连续出料。

根据技术方案提供的循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于反应器的刚性外壁为不锈钢材质，柔性内壁采用的材料是精密铸造模具硅橡胶；所述的蠕动杆采用的材料是不锈钢。

根据技术方案提供的循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于所述的蠕动杆安装在刚性外壁与柔性内壁之间，并等距布置；蠕动杆上焊有半球型钢球，并在反应器刚性外壁内表面安装固定槽，固定蠕动杆；在酶解反应器中心固定有硅橡胶管，管内也安装焊有球型钢球的蠕动杆。蠕动杆上钢球直径与主反应器罐体直径的比例为1∶50～1∶10。

根据技术方案提供的循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于，蠕动杆的驱动可以通过电机和曲杆组合驱动，也可以通过往复活塞驱动。蠕动杆之间可以做相同方向的运动，也可以间隔做相反方向运动。

根据技术方案提供的循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于，酶解反应器与超滤膜分离系统相连，使纤维素酶循环流动，实现固相底物的循环酶解；所述的循环淋洗可以通过连接喷头实现，也可以通过安装带有筛孔的挡板实现。

根据技术方案提供的循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于酶解固相底物的连续进料和出料是由螺旋进料器实现的，并在反应器中心固定有不锈钢布料器，防止物料进入到中心安装的硅胶管中。

根据技术方案提供的循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于酶解产生的糖在线分离是通过在超滤膜组件两侧加压实现的，酶解液中糖液透过膜组件，被在线分离和浓缩，而酶液被截留继续循环流动至酶解反应器内，而被浓缩糖液储存在储糖池中。

根据技术方案提供的循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于，仿生蠕动酶解主反应器的弹性内壁底部分布着直径为0.5～5mm的细孔；细孔内侧装有过滤膜，滤膜孔径大小为25～250μm。

根据技术方案提供的循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于超滤膜组件两侧加压控制是由糖浓度分析仪和针型阀控制的。糖浓度测定仪一端连接酶解反应器，一端连接针型阀，当糖浓度达到预设值时，通过控制针型阀的开闭调节膜两端的压力。

以本发明所提供的一种循环淋洗仿生蠕动酶解方法及其反应器，其操作流程如下：

①固相底物原料灭菌后，经螺旋进料器(8)和布料器(11)输送至蠕动酶解主反应器中，固相酶解底物的初始装料系数为80％～100％；按照固液比(w/v，g/ml)1∶5～15经喷淋装置(19)加入稀释酶液，使酶液与固相纤维素底物均匀混合；

②调节酶解反应温度，开启反应器底部的酶解液体出口(14)、泵(15)、糖浓度分析仪(20)、针型阀(21)，使酶解反应器内液体经膜分离系统进行循环淋洗酶解；开启蠕动杆驱动装置(10)，蠕动杆在反应器轴向平行方向做往复运动，进行蠕动酶解；

③当糖浓度分析仪达到预设值时，由继电器控制调节针型阀(20)开启，使膜组件两端压力达到0.1～1MPa，流经膜组件(11)的酶解液中纤维素酶被截留并流回反应器内进行循环淋洗酶解，而小分子酶解糖溶液透过膜组件并被浓缩后，流入储糖池(16)中，同时经缓冲液储池(18)补加相应的缓冲液，保证酶解反应的总体积不变；

④待酶解进行到第2-5天后由螺旋进料器(8)补加经过灭菌的新鲜底物，补加量为原底物干重20-50％(质量百分比)；由储酶池(17)补加新鲜酶液，补加量为0-30IU FPA/g底物；

⑤直至酶解反应器全部装满后，关闭循环淋洗系统和蠕动控制系统，并打开酶解反应器底部的螺旋出料器(9)，取出酶解残渣，即完成整个循环淋洗蠕动酶解过程。

【本发明的优点】

本发明所提供的一种循环淋洗蠕动酶解反应器，具有如下优点：

1)通过蠕动杆与柔性内壁之间的蠕动作用，既可以改善固相底物之间的传质，又可以增加酶解过程固相底物与纤维素酶之间的接触面，增加固相底物的可及性；

2)纤维素酶液的对固相底物的动态淋洗可以解决传统酶解反应器装料系数低、酶解底物浓度低等问题；

3)控制酶解反应器内还原浓度，通过超滤膜分离使截留的纤维素酶液回流至酶解反应器内进行循环淋洗，同时得到高浓度的还原糖，不仅有效解决了酶解产物糖对酶解过程的底物抑制，而且减少了纤维素酶用量，并为后续的发酵提供了高浓度的糖平台；

4)由于无固体翻动机械传动，反应器结构简单，能耗低，便于工业放大。

【附图说明】

图1是一种循环淋洗蠕动酶解反应器的主视图。

图2是一种循环淋洗蠕动酶解反应器的左视图。

图3是一种循环淋洗蠕动酶解反应器的俯视图。

图4是一种循环淋洗蠕动酶解反应器中蠕动部位放大图。

图中：1-刚性外壁；2-柔性内壁；3-固定槽；4-蠕动杆；5-半球形钢球；6-球形钢球；7-硅橡胶管道；8-螺旋进料器；9-螺旋出料器；10-蠕动驱动装置；11-物料分布器；12-膜过滤组件；13-滤膜；14-酶解液出口；15，23-循环泵；16-储糖池；17-储酶池；18-缓冲液储池；19-喷雾装置；20-糖浓度分析仪；21，22-针型阀

【具体实施方法】

实施例1

本实施例的一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其仿生蠕动酶解主反应器的高径比为2，总设计容积为50L，酶解主反应器的弹性内壁底部分布直径为0.5mm的细孔，滤膜孔径大小为75μm，淋洗通过安装喷头实现，蠕动杆由电机组合曲轴实现，反应器边壁的蠕动杆做相同方向平行运动；蠕动杆运动速度为1m/s，运动周期间隔为5min。

以此反应器进行酶解操作的步骤如下：汽爆秸秆原料经灭菌后，由螺旋进料器和布料器输送至蠕动酶解主反应器中，汽爆秸秆的装料系数为85％；稀释酶液按照固液比(w/v，g/ml)1∶15经喷头均匀喷洒在底物上；调节酶解反应温度50℃，开启蠕动杆驱动装置，使汽爆秸秆在反应器内蠕动酶解；同时打开反应器底部的酶解液体出口，使纤维素酶液和酶解液经膜分离系统进入酶解主反应器，再经喷头形成循环淋洗；当糖浓度分析仪达到预设值时，控制膜组件两端压力达到0.1MPa，同时补加缓冲液，使酶解反应的总体积不变；待酶解进行到2d时按照底物重量30％补加灭菌的汽爆秸秆；酶解进行第3d时按照起始底物重量15％补加灭菌的汽爆秸秆，继续酶解；酶解进行第4d按照起始底物重量5％补加灭菌的汽爆秸秆，继续酶解，第5d关闭循环淋洗系统和蠕动控制系统，并打开酶解反应器底部的螺旋出料器，取出酶解残渣，即完成整个循环淋洗蠕动酶解过程。

实施例2

本实施例采用实施例1的酶解反应器，其酶解操作步骤如下：汽爆秸秆原料经灭菌后，由螺旋进料器和布料器输送至蠕动酶解主反应器中，汽爆秸秆的装料系数为90％；稀释酶液按照固液比(w/v，g/ml)1∶10经喷头均匀喷洒在底物上；调节酶解反应温度50℃，开启蠕动杆驱动装置，使汽爆秸秆在反应器内蠕动酶解；同时打开反应器底部的酶解液体出口，使纤维素酶液和酶解液经膜分离系统进入酶解主反应器，再经喷头形成循环淋洗；当糖浓度分析仪达到预设值时，控制膜组件两端压力达到0.1MPa，同时补加缓冲液，使酶解反应的总体积不变；待酶解进行到2d时按照底物重量15％补加灭菌的汽爆秸秆；酶解进行第3d时按照起始底物重量7.5％补加灭菌的汽爆秸秆，继续酶解；酶解进行第4d按照起始底物重量5％补加灭菌的汽爆秸秆，继续酶解，第5d关闭循环淋洗系统和蠕动控制系统，并打开酶解反应器底部的螺旋出料器，取出酶解残渣，即完成整个循环淋洗蠕动酶解过程。

实施例3

本实施例的一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其仿生蠕动酶解主反应器的高径比为2.5，总设计容积为100L，酶解主反应器的弹性内壁底部分布直径为1mm的细孔，滤膜孔径大小为200μm，淋洗通过安装喷头实现，蠕动杆由往复活塞实现，蠕动杆往复运动一个周期的时间为20min，反应器边壁的蠕动杆间隔做相反方向运动。

以此反应器进行酶解操作的步骤如下：汽爆秸秆原料经灭菌后，由螺旋进料器和布料器输送至蠕动酶解主反应器中，汽爆秸秆的装料系数为80％；稀释酶液按照固液比(w/v，g/ml)1∶20经喷头均匀喷洒在底物上；调节酶解反应温度50℃，开启蠕动杆驱动装置，使汽爆秸秆在反应器内蠕动酶解；同时打开反应器底部的酶解液体出口，使纤维素酶液和酶解液经膜分离系统进入酶解主反应器，再经喷头形成循环淋洗；当糖浓度分析仪达到预设值时，控制膜组件两端压力达到0.3MPa，同时补加缓冲液，使酶解反应的总体积不变；待酶解进行到2d时按照底物重量40％补加灭菌的汽爆秸秆；酶解进行第3d时按照起始底物重量25％补加灭菌的汽爆秸秆，继续酶解；酶解进行第4d按照起始底物重量15％补加灭菌的汽爆秸秆，继续酶解；第5d关闭循环淋洗系统和蠕动控制系统，并打开酶解反应器底部的螺旋出料器，取出酶解残渣，即完成整个循环淋洗蠕动酶解过程。

实施例4

本实施例采用实施例3的酶解反应器，其酶解操作步骤如下：汽爆秸秆原料经灭菌后，由螺旋进料器和布料器输送至蠕动酶解主反应器中，汽爆秸秆的装料系数为100％；稀释酶液按照固液比(w/v，g/ml)1∶10经喷头均匀喷洒在底物上；调节酶解反应温度50℃，开启蠕动杆驱动装置，使汽爆秸秆在反应器内蠕动酶解；同时打开反应器底部的酶解液体出口，使纤维素酶液和酶解液经膜分离系统进入酶解主反应器，再经喷头形成循环淋洗；当糖浓度分析仪达到预设值时，控制膜组件两端压力达到0.2MPa，同时补加缓冲液，使酶解反应的总体积不变；待酶解进行到2d时按照底物重量20％补加灭菌的汽爆秸秆，继续酶解，酶解进行第3d时按照起始底物重量10％补加灭菌的汽爆秸秆，继续酶解；酶解进行第4d按照起始底物重量5％补加灭菌的汽爆秸秆，继续酶解，第5d关闭循环淋洗系统和蠕动控制系统，并打开酶解反应器底部的螺旋出料器，取出酶解残渣，即完成整个循环淋洗蠕动酶解过程。

Claims (12)

1.一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于，包括仿生蠕动酶解反应器、蠕动驱动装置(10)、淋洗装置(19)、超滤膜循环分离装置(12)、酶解液循环泵(15)、糖浓度分析仪(20)、螺旋进出料装置(8，9)及控制系统组成。

2.如权利要求1所述的一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于，反应器刚性外壁(1)与柔性内腔(2)之间装有带半球形钢球(5)的蠕动杆(4)，反应器中心固定有硅橡胶管道(7)，管内装有带球形钢球(6)的蠕动杆；蠕动杆(4)由蠕动驱动装置(10)带动，在反应器轴向平行方向做往复运动；酶解固相底物经螺旋进料器(8)连续进料，酶液进入反应器并经淋洗装置(19)均匀喷洒至物料表面；酶解反应器底部装有过滤膜(13)，滤液(酶解液和酶液)进入膜分离系统循环淋洗固相底物，实现酶液循环酶解和糖的在线分离与浓缩；酶解渣由反应器侧面螺旋出料器(9)连续出料。

3.如权利要求2所述的蠕动杆，其特征在于，蠕动杆之间可以做相同方向的运动，也可以间隔做相反方向运动。

4.如权利要求2所述的蠕动杆，其特征在于，蠕动杆上钢球直径与主反应器罐体直径的比例为1∶50～1∶10。

5.如权利要求2所述的蠕动杆，其特征在于，所述的蠕动杆安装在刚性外壁(1)与柔性内壁(2)之间，并等距布置；蠕动杆(4)上焊有半球型钢球(5)，并在反应器刚性外壁内表面安装固定槽(3)，固定蠕动杆；在酶解反应器中心固定有硅橡胶管(7)，管内也安装焊有球型钢球(6)的蠕动杆(4)。

6.如权利要求1所述的一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于，酶解固相底物的连续进料和出料由螺旋进料器实现，并在反应器中心固定有不锈钢布料器。

7.如权利要求1所述的一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于，蠕动杆的驱动可以通过电机和曲杆组合驱动，也可以通过往复活塞驱动。

8.如权利要求1所述的一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于，酶液循环淋洗可以通过连接喷头实现，也可以通过安装带有筛孔的挡板实现。

9.如权利要求1所述的一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于，超滤膜组件两侧的压力由糖浓度分析仪(20)和针型阀(21)控制，糖浓度测定仪一端连接酶解反应器，一端连接针型阀，当糖浓度达到预设值时，通过控制针型阀的开闭调节膜两端的压力。

10.如权利要求1所述的一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于，仿生蠕动酶解主反应器的弹性内壁底部分布着直径为0.5～5mm的细孔；细孔内侧装有过滤膜，滤膜孔径大小为25～250μm。

11.如权利要求1所述的一种循环淋洗仿生蠕动酶解反应器，其特征在于，刚性壁外侧的热交换管道采用与弹性壁相同的材料，管道内通有不同温度的循环水起到热交换的作用。

12.一种循环淋洗仿生蠕动酶解的方法，其特征在于，包括以下步骤：

①固相底物原料灭菌后，经螺旋进料器(8)和布料器(11)输送至蠕动酶解主反应器中，固相酶解底物的初始装料系数为80％～100％；按照固液比(w/v，g/ml)1∶5～15经喷淋装置(19)加入稀释酶液，使酶液与固相纤维素底物均匀混合；

②调节酶解反应温度，开启反应器底部的酶解液体出口(14)、泵(15)、糖浓度分析仪(20)、针型阀(21)，使酶解反应器内液体经膜分离系统进行循环淋洗酶解；开启蠕动杆驱动装置(10)，蠕动杆在反应器轴向平行方向做往复运动，进行蠕动酶解；

③当糖浓度分析仪达到预设值时，由继电器控制针型阀(20)开启，使膜组件两端压力达到0.1～1MPa，流经膜组件(11)的酶解液中纤维素酶被截留并流回反应器内进行循环淋洗酶解，而小分子酶解糖溶液透过膜组件并被浓缩后，流入储糖池(16)中，同时由缓冲液储池(18)补加相应的缓冲液，保证酶解反应的总体积不变；

④待酶解进行到第2-5天后由螺旋进料器(8)补加经过灭菌的新鲜底物，补加量为原底物干重20-50％(质量百分比)；由储酶池(17)补加新鲜酶液，补加量为0-30IU FPA/g底物；

⑤直至酶解反应器全部装满后，关闭循环淋洗系统和蠕动控制系统，并打开酶解反应器底部的螺旋出料器(9)，取出酶解残渣，即完成整个循环淋洗蠕动酶解过程。

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