CN102676384B - 蔗渣酶解制备还原糖的生产设备及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物酶解法制备还原糖的工艺及设备，特别涉及一种蔗渣酶解制备还原糖的生产方法及生产设备。该设备包括：酶膜反应器，具有用于盛放蔗渣和纤维素酶缓冲液并完成酶解反应的反应内胆，以及用于为反应内胆提供恒温水浴的水浴容器，以及反应器所适配的膜组件用于对完成酶解反应的酶解液进行分离，得到还原糖和酶解剩余物；酶转移装置，用于对酶解剩余物与新蔗渣的充分接触而进行酶重吸附，经过酶重吸附的新蔗渣形成的新反应物料由管道转移到酶膜反应器的反应内胆完成酶解反应；以及各单元之间的连接管道。该设备使得制备工艺中还原糖被及时分离，提高了酶解效率，而且酶解后进行新底物的酶重吸附，实现了酶的循环利用，降低了酶解成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物酶解设备，特别涉及一种蔗渣酶解制备还原糖的生产设备及生产方法。
背景技术
蔗渣是酶解制备还原糖以及进一步发酵制备乙醇的适宜原料。目前，利用纤维质原料生产燃料乙醇的技术受到了世界各主要国家政府和科学界产业界的高度重视，纤维质原料被看作是最具价值的生产燃料酒精的潜在资源，代表了世界燃料乙醇研究和产业化开发的发展方向。但是，全球范围内迄今仍没有一家工业规模利用纤维质原料生产燃料乙醇的企业，主要原因在于纤维质原料燃料乙醇在经济上与化石燃料没有竞争能力。其中导致纤维质原料燃料乙醇的经济性难以突破的关键瓶颈之一是纤维素酶只能一次性利用，使用成本高昂。目前关于纤维素酶重复回用的研究较为少见，相关的仅有专利CN201010275913.6，燃料乙醇生产中回收再利用纤维素酶全组分中，利用新鲜底物重吸附和固定化纤维二糖酶耦合工艺回收利用纤维素酶，该工艺仅针对木质纤维素，需要固定化纤维二糖酶，不适合于蔗渣为原料的纤维素酶解工艺。由于原料不同，预处理后成分存在差异性，酶解适用的酶系组成不同，因此针对蔗渣需要开发适宜的低成本酶解工艺，加快蔗渣生产还原糖，或进一步发酵生产酒精的工业化。
酶膜反应器是把高分子分离膜与酶解反应过程耦合在一起的反应器，在纤维素酶解工艺中的应用刚刚展开，相关专利仅有CN201110056041.9，一种木质纤维素发酵与膜分离耦合生产高浓度乙醇的工艺中，采用了膜截留水解酶及浓缩糖液，该专利是利用酶解液过膜实现纤维素酶的截留，只适用于酶溶液，但蔗渣酶解工艺中的酶解完成后有一部分酶不在溶液中，因此该工艺不适用于蔗渣为原料的纤维素酶解工艺。
发明内容
针对现有蔗渣为原料的纤维素酶解工艺中固化酶或酶截留工艺中对反应酶的回用不方便的缺陷，本发明提出一种利用酶膜反应器及时分离出酶解产物，利用纤维素酶的转移吸附实现酶的及时回用的蔗渣酶解制备还原糖生产设备及生产方法。
这种蔗渣纤维素酶解制备还原糖的生产设备，其包括：
一酶膜反应器，具有用于盛放蔗渣和纤维素酶缓冲液并完成酶解反应的反应内胆，以及用于为反应内胆提供恒温水浴的水浴容器；
一分离装置，具有与酶解反应适配的膜组件，用于对完成酶解反应的酶解产物进行分离，得到还原糖和酶解剩余物；
一酶转移装置，用于对酶解剩余物与新蔗渣的充分接触而进行酶重吸附，经过酶重吸附的新蔗渣形成新反应物料，并由管道转移到酶膜反应器的反应内胆完成酶解反应；
以及上述各单元之间的连接管道、阀门以及泵。
优选的，所述酶转移装置为静态酶转移装置，其具有承接该酶解剩余物的滤网内胆，以及用于盛放该滤网内胆和新缓冲液以及新蔗渣完成酶重吸附而形成新反应物的外胆，完成酶转移后的新反应物料由管道转移到酶膜反应器的反应内胆完成酶解反应。
优选的，所述酶转移装置为动态酶转移装置，具有承接该酶解剩余物的残渣过滤柱、用于盛放新蔗渣的酶重吸附滤柱以及盛放缓冲液的储罐，其中，由残渣过滤柱出来的滤液经管道运送到酶重吸附滤柱进行酶重吸附，从酶重吸附滤柱流出的滤液经管道到储罐，储罐中的液体经泵循环到残渣过滤柱进行循环，完成酶转移后的新蔗渣与缓冲液一起由管道转移到酶膜反应器的反应内胆完成酶解反应。
优选的，所述酶膜反应器中与酶解反应适配的膜组件包括分子量1～5万的超滤膜以及反渗透膜。
优选的，所述静态酶转移装置的滤网内胆是由工业滤布或不锈钢滤网制成。
优选的，所述动态酶转移装置中残渣过滤柱和酶重吸附滤柱靠近液体排出口处安装有工业滤布或不锈钢滤层。
采用本发明所提供的生产设备进行蔗渣酶解制备还原糖的生产方法，包括如下步骤：
S1，预处理，将原料蔗渣烘干，粉碎成5～50目，然后进行预处理；
S2，酶解反应，将预处理后的蔗渣以及纤维素酶缓冲液在酶膜反应器进行酶解反应，对酶膜反应器的酶解产物通过膜组件进行分离得到还原糖；
S3，载酶固渣，将S2中经过分离还原糖后的酶解剩余物排到酶转移装置中，加入新缓冲液以及新蔗渣完成新底物对酶的重吸附而形成新反应物；
S4，酶回用，将S3中完成酶重吸附的新反应物由管道转移到酶膜反应器的反应内胆进行下一轮酶解反应，而剩余残渣作为废物丢弃。
优选的，所述蔗渣原料的预处理包括稀酸法预处理或碱法预处理。
进一步的，所述稀酸法预处理为用浓度0.5～2%的硫酸以固液比1:25～50的用量，在为温度60～200℃的条件下浸泡0.5～3小时；所述碱法预处理是用浓度0.5～2%的氢氧化钠以固液比1:25～50的用量，在温度60～100℃的条件下浸泡0.5～1.5小时。
优选的，所述纤维素酶缓冲液为pH 4.5-5.0的纤维素酶柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。
优选的，所述S2中酶解反应是预处理后的蔗渣和纤维素酶缓冲液以固液比1:20～50，温度为40～70℃的条件下在酶膜反应器进行酶解反应，酶解时间为8～96小时。而且，所述酶解反应可采用一次加料或多次加料。
优选的，所述S3中酶重吸附时间为0.1～3小时。
该技术方案与现有技术相比具有如下有益效果：
本方法根据蔗渣酶解的特点，利用酶膜反应器及时分离出还原糖，提高酶解效率，酶解后利用转移扩散原理，利用新底物重吸附酶，实现了酶的循环利用，降低了酶解成本，反应条件条件温和，可操作性强，装置简单，具有产业化推广价值。
附图说明
图1为本发明所提供的蔗渣酶解制备还原糖的工艺流程图；
图2为本发明所提供一种蔗渣酶解制备还原糖的设备示意图；
图3为本发明所提供的酶膜反应器示意图；
图4为本发明所提供的静态酶转移装置示意图；
图5为本发明所提供的动态酶转移装置示意图；
图6为本发明所提供的利用动态酶转移装置的制备设备组配图。
具体实施例
本发明所提供的这种蔗渣纤维素酶解制备还原糖工艺的基本原理是：预处理后的蔗渣完成酶解反应后仍吸附在固体残渣上，通过加入新鲜底物（新蔗渣）后，利用酶在溶液中的浓度扩散实现酶的转移和回用；而且利用酶膜反应器所带的膜组件能够高效分离出还原糖，从而尽可能降低还原糖对反应的抑制作用，同时也避免了酶的流失。
下面所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅附图2，本发明所提供的这种蔗渣纤维素酶解制备还原糖的生产设备的示意图，其包括：一个酶膜反应器1，具有用于盛放蔗渣和纤维素酶缓冲液并完成酶解反应的反应内胆11，以及用于为反应内胆提供恒温水浴的水浴容器12；一个膜组件装置13，用于对完成酶解反应的酶解产物进行分离，得到还原糖和酶解剩余物，其中还原糖收集在储罐3中；一个酶转移装置2；在酶解反应器1的由管道连接一纤维素酶缓冲液储罐4。本实施例的酶转移装置2采用静态酶转移装置21，其具有承接该酶解剩余物的膜内胆211，以及用于盛放该膜内胆和新缓冲液以及新蔗渣而完成酶重吸附而形成新反应液的外胆212，该新反应物由管道转移到酶膜反应器的反应内胆11进行新的酶解反应，为了实现上述各部分的连通还包括各单元之间的连接管道、每个管道根据需要设有阀门和提升泵等给排水所需常规部件，为了实现物料的充分混合，反应器内设有搅拌装置。
其中，所述酶膜反应器中与酶解反应适配的膜组件装置13包括分子量1～5万的超滤膜以及反渗透膜。所述静态酶转移装置的滤网内胆211是由工业滤布或不锈钢滤网制成。
该套设备将酶解剩余物利用转移扩散原理，利用新底物重吸附酶，实现了酶的循环利用，降低了酶解成本。
针对酶转移装置2，本发明还提供如图5和图6所示的动态酶转移装置22，以及整套制备设备的组配关系示意图，该采用动态酶转移装置22，具有承接该酶解剩余物的残渣过滤柱221、用于盛放新蔗渣的酶重吸附滤柱222以及盛放缓冲液的储罐223，其中，由残渣过滤柱221出来的滤液经管道运送到酶重吸附滤柱222进行酶重吸附，从酶重吸附滤柱222流出的滤液经管道到储罐223，储罐223中的液体经泵循环到滤柱221，循环实现酶转移后的物料由管道转移到酶膜反应器的反应内胆11进行新的酶解反应。其中，所述动态酶转移装置中残渣过滤柱和酶重吸附滤柱靠近液体排出口处安装有工业滤布或不锈钢滤层。通过动态转移设备使酶的重吸附效率提高，过程连续，增加了酶的循环使用效率。
下面结合附图1所示的工艺流程图进一步通过具体的实施例说明这种蔗渣纤维素酶解制备还原糖的生产设备以及使用方法。
实施例1
原料处理，在2000ml的烧杯中，按照固液比为1:15加入蔗渣100g与1%的稀硫酸1500ml搅拌均匀，放入高压灭菌锅里120℃保持1小时，经高温酸处理后的蔗渣过滤，用蒸馏水洗至中性，洗后的蔗渣放于105℃烘箱烘干4小时，再用封口袋保存备用。
酶解反应，用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液配好1mg/ml的纤维素酶缓冲液，在酶膜反应器的反应内胆中按照固液比为1：30加入酸预处理后的蔗渣10g和纤维素酶缓冲液300ml，并在50℃恒温水浴中反应24小时后，用50k超滤膜分离酶解液得到还原糖。
载酶固渣，将酶解剩余料液排入静态酶转移装置的膜内胆，加入10g预处理后的新蔗渣，加入缓冲液进行重吸附，实现酶转移。重吸附了纤维素酶的新反应液回到酶膜反应器进行下一轮酶解，而膜内胆中的残渣分离后作为废物丢弃。
实施例2
原料处理，在2000ml的烧杯中，按照固液比为1:16加入蔗渣100g与1%的氢氧化钠1600ml搅拌均匀，放入水浴锅中80℃保持75分钟，碱处理后的蔗渣过滤，用蒸馏水洗至中性，洗后的蔗渣放于105℃烘箱烘干4小时，用封口袋保存备用。
酶解反应，用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液配好1mg/ml纤维素酶溶液，在酶膜反应器的反应内胆中按照固液比为1：30加入经碱预处理后的蔗渣10g和纤维素酶缓冲溶液300ml，体系于50℃水浴反应24小时，用10k超滤膜分离酶解液，再经过反渗透膜浓缩得到还原糖。
载酶固渣，将酶解剩余料液排入静态酶转移装置的膜内胆，加入10g预处理后的新蔗渣，加入缓冲液进行重吸附，实现酶转移。重吸附了纤维素酶的新反应液回到酶膜反应器进行下一轮酶解，而膜内胆中的残渣分离后作为废物丢弃。
实施例3
酶解反应，在酶膜反应器的反应内胆中加入经碱预处理后的蔗渣20g，加入300ml浓度为1mg/ml的纤维素酶缓冲溶液，体系于65℃水浴反应16小时，酶解后的酶解液用50k聚砜超滤膜分离出还原糖180ml。
载酶固渣，将剩余酶解残余物排入动态酶转移装置的残渣过滤柱，在酶重吸附滤柱加入新蔗渣20g，补充120ml新柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，用泵实现滤液循环20次。重吸附后将吸附了酶的新反应物用泵导入酶膜反应器，重新开始下一轮酶解反应。酶转移装置的膜内胆中的残渣作为废物排掉。
实施例4
原料预处理，在5000ml的烧杯中，按照固液比为1:10加入蔗渣500g与1%的稀硫酸5000ml搅拌均匀，放入高压灭菌锅里120℃保持2小时，经高温酸处理后的蔗渣过滤，用蒸馏水洗至中性，洗后的蔗渣放于105℃烘箱烘干6小时，再用封口袋保存备用。
酶解反应，用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液配制2mg/ml纤维素酶溶液，在酶膜反应器的反应内胆中按照固液比为1：30加入酸预处理后的蔗渣200g，纤维素酶缓冲液6000ml，50℃恒温水浴反应48小时后，用10k超滤膜及反渗透膜分离得到还原糖3000ml。
载酶固渣，将酶解剩余料液排入静态酶转移装置的膜内胆，加入200g预处理后的新蔗渣，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液3000ml进行重吸附，实现酶转移。重吸附了纤维素酶的新反应液回到酶膜反应器，补充纤维素酶缓冲溶液1000ml，进行下一轮酶解，而膜内胆中的残渣分离后作为废物丢弃。
实施例5
原料预处理，在5000ml的烧杯中，加入蔗渣500g与1%的氢氧化钠5000ml搅拌均匀，放入水浴锅中80℃保持20分钟，碱处理后的蔗渣过滤，用蒸馏水洗至中性，洗后的蔗渣放于105℃烘箱烘干6小时，用封口袋保存备用。
酶解反应，用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液配好1.5mg/ml纤维素酶溶液，在酶膜反应器的反应内胆中加入经碱预处理后的蔗渣200g，纤维素酶缓冲溶液5000ml，体系于40℃水浴反应48小时，用30k超滤膜分离酶解液得到还原糖2500ml。
载酶固渣，将酶解剩余料液排入动态酶转移装置，加入200g预处理后的新蔗渣，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液2000ml进行重吸附，实现酶转移。重吸附了纤维素酶的新反应液回到酶膜反应器，补充纤维素酶缓冲溶液500ml，进行下一轮酶解，而膜内胆中的残渣分离后作为废物丢弃。
以上所揭露的仅为本发明一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (11)
1.一种蔗渣酶解制备还原糖的生产设备，其包括：
一酶膜反应器，具有用于盛放蔗渣和纤维素酶缓冲液并完成酶解反应的反应内胆，以及用于为反应内胆提供恒温水浴的水浴容器；
一分离装置，具有与酶解反应适配的膜组件，用于对完成酶解反应的酶解产物进行分离，得到还原糖和酶解剩余物；
一酶转移装置，用于对酶解剩余物与新蔗渣的充分接触而进行酶重吸附，经过酶重吸附的新蔗渣形成的新反应物料，并由管道转移到酶膜反应器的反应内胆完成酶解反应；
以及上述各单元之间的连接管道、阀门以及泵；
其中，所述酶转移装置为静态酶转移装置或动态酶转移装置，该静态酶转移装置具有承接该酶解剩余物的滤网内胆，以及用于盛放该滤网内胆和新缓冲液以及新蔗渣完成酶重吸附而形成新反应物的外胆，完成酶转移后的新反应物料由管道转移到酶膜反应器的反应内胆完成酶解反应；该动态酶转移装置具有承接该酶解剩余物的残渣过滤柱、用于盛放新蔗渣的酶重吸附滤柱以及盛放缓冲液的储罐，其中，由残渣过滤柱出来的滤液经管道运送到酶重吸附滤柱进行酶重吸附，从酶重吸附滤柱流出的滤液经管道到储罐，储罐中的液体经泵循环到残渣过滤柱进行循环，完成酶转移后的新蔗渣与缓冲液一起由管道转移到酶膜反应器的反应内胆完成酶解反应。
2.如权利要求1所述的生产设备，其特征在于，所述酶膜反应器中含有的与酶解反应适配的膜组件包括分子量1～5万的超滤膜以及反渗透膜。
3.如权利要求1所述的生产设备，其特征在于，所述静态酶转移装置的滤网内胆是由工业滤布或不锈钢滤网制成。
4.如权利要求1所述的生产设备，其特征在于，所述动态酶转移装置中残渣过滤柱和酶重吸附滤柱靠近液体排出口处安装有工业滤布或不锈钢滤层。
5.应用权利要求1至4任一生产设备进行蔗渣酶解制备还原糖的生产方法，包括如下步骤：
S1，预处理，将原料蔗渣烘干，粉碎成5～50目，然后进行预处理；
S2，酶解反应，将预处理后的蔗渣以及纤维素酶缓冲液在酶膜反应器进行酶解反应，对酶膜反应器的酶解产物通过膜装置进行分离得到还原糖；
S3，载酶固渣，将S2中经过分离还原糖后的酶解剩余物排到酶转移装置中，加入新缓冲液以及新蔗渣进行酶重吸附而形成新反应物；
S4，酶回用，将S3中完成酶重吸附而形成的新反应物由管道转移到酶膜反应器的反应内胆进行下一轮酶解反应，而旧的残渣分离后作为废物丢弃。
6.如权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述蔗渣原料的预处理包括稀酸法预处理或碱法预处理。
7.如权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述稀酸法预处理为用浓度0.5～2%的硫酸以固液比1:25～50的用量，在温度为60～200℃的条件下浸泡0.5～3小时。
8.如权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述碱法预处理是用浓度0.5～2%的氢氧化钠以固液比1:25～50的用量，在温度60～100℃的条件下浸泡0.5～1.5小时。
9.如权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述纤维素酶缓冲液为pH=4.5—5.0的纤维素酶柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。
10.如权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述S2中酶解反应是预处理后的蔗渣和纤维素酶缓冲液以固液比1:20～50，温度为40～70℃的条件下在酶膜反应器进行酶解反应，酶解时间为8～96小时。
11.如权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述S3中酶重吸附时间为0.1～3小时。
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