CN102876571A - 大容量双体循环纤维素酶解反应器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了大容量双体循环纤维素酶解反应器及其应用。具体地，本发明提供一种大容量双体循环纤维素酶解反应器，它包括：(a)第一反应罐，包括：罐本体，位于罐本体内的剪切均质器，用于添加进料的入口，以及用于排出物料的出口；(b)第二反应罐，包括2个以上的串联或并联的反应管；(c)连接第一反应罐和第二反应罐的管道；和(d)连接第二反应罐中各管体的管道。其中，所述的剪切均质器至少为2个；所述的第一反应罐的容积为3-150吨，较佳地为30-100吨。本发明的酶解反应器对麻纤维等纤维素进行酶解糖化时，具有高转化率、高浓度、低转化时间、低酶制剂消耗、低能耗等优点，特别适合大容量纤维素酶解反应体系。

Description

大容量双体循环纤维素酶解反应器及其应用

技术领域

本发明涉及新能源领域，更具体地，涉及以植物纤维素为原料的酶解糖化领域。本发明提供了以麻类作物纤维为原料、高效、大容量、低能耗的大容量双体循环纤维素酶解反应器及其应用。

背景技术

目前，人类对能源的需求非常大，但石油等资源属于不可再生的资源，因此人们大力开发各种新型能源。

乙醇既可以单独燃烧，又可以作为一种良好的汽油增氧剂和高辛烷值调和组分，已被公认为是最有发展前景的可再生清洁能源之一。它的生产和应用在国际上已呈高速发展趋势，燃料乙醇产业已成为各国政府解决石油资源短缺问题，保护城市大气环境质量和调控农产品供需矛盾的重要政策手段和经济杠杆。据估计，我国燃料乙醇需求量保守估计每年也将达2000万吨。

当前的乙醇发酵工业主要以淀粉质的玉米、小麦等粮食作物为原料，与人畜争粮，且原料成本在生产总成本中比例很高。受粮食资源不足的制约，目前，以粮食为原料的生物质燃料生产已不具备再扩大规模的资源条件。而将天然纤维素材料通过生物法转化为燃料乙醇，不仅能为人类提供数量可观、经济可行的新型能源，而且可在很大程度上减轻农业废弃物对生态环境造成的污染，具有重要的经济和生态意义。

利用天然纤维素材料生产燃料乙醇的关键，是把纤维素水解为可发酵糖，即完成纤维素材料的酶解糖化过程。

纤维素是植物细胞壁中最主要的成分，是由8000～12000个β-D-吡喃葡萄糖单体以β-1，4-糖苷键连接而成的线性长链大分子，其葡萄糖亚基排列紧密。同时，存在分子间排列不整齐的无定形区域。纤维素通常被半纤维素，木质素所包围，形成更难分解的复合物。因此，纤维素不溶于水，难以水解。

水解纤维素可以采取化学或生物的方法。生物法即酶水解过程具有反应条件温和，副产物少或无副产物的特点，被认为是最有希望的工艺。近二十年来，将酶解纤维素生成的糖作为发酵生产中的发酵糖，进而生产乙醇的微生物发酵法，得到了世界各国生物学家的青睐。通过生物转化天然纤维素材料最终生成乙醇的工艺因其成本低、设备简单、环保而具有良好的发展前景。

纤维素酶降解纤维素的过程是从它吸附到纤维素上开始的，这个降解过程可以是单一酶的作用，如热纤梭菌中存在一种多种组分结合形成的纤维素酶复合体；也可以是多种酶协同完成的。鉴于纤维素结构的复杂性，在真菌中，没有任何一种酶能将纤维素彻底水解。不管是在纤维素酶复合体中，还是真菌体内，纤维素的降解需要多种酶组分的协同作用。真菌通过分泌到胞外的游离纤维素酶，以水解酶机制降解纤维素；而细菌纤维素酶则是以形成多酶复合体结构而起作用。

目前，最为广泛接受的纤维素酶解机制是内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的协同作用机制。这个机制的主要内容是：葡聚糖内切酶随机水解纤维素分子链内部的β-葡聚糖苷键，形成新的链末端；外切葡聚糖苷酶从纤维素分子链一端开始，连续切下并释放可溶性纤维二糖；β-葡萄糖苷酶将中间产物-纤维二糖和纤维寡糖水解成小分子糖，从而解除它们对内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的产物抑制作用。这三个水解过程可同时进行，将纤维素完全降解成为葡萄糖。

天然纤维素材料的结构非常复杂，主要是纤维素的高度结晶性和木质化，阻碍了酶与纤维素的接触，使其难以直接被生物降解。目前，对大多数天然纤维素材料来说，如果没有经过适当预处理，直接进行酶促水解，酶解率一般都非常低(＜20％)。

酶法发酵生产乙醇的方法有直接发酵法、间接发酵法、混合菌种发酵法、同步糖化发酵法、非等温同步糖化发酵法(NSSF)、固定化细胞发酵法等。其中，同步糖化发酵法因省时、高效、经济等优点，成为生物乙醇转化的常用方法。

一类现有的生产燃料乙醇的方法是用以农作物秸杆为代表的木质纤维素原料生产燃料乙醇。然而秸秆纤维素含量低，且作为农业废弃物分布分散，比容很低，造成收集、运输困难，增加了原料成本。通常需要6-7吨秸秆才能生产1吨乙醇，原料成本对总成本就有很大影响。

麻类作物的纤维是一类纤维素含量非常高的原料，因而麻纤维有可能成为未来新能源、新聚合材料及其制品的重要原料。另外，某些麻类作物不仅可生长在盐碱地、荒漠地等未利用土地，而且生长迅速，产量高，适合产业化。例如，红麻是一种适应性很强的速生高产作物，茎杆高约1.5-3.5米，直径约1-3厘米。5-7个月就可以收获，产量为16-20t/hm²。然而，由于麻韧皮纤维的结晶度、聚合度、趋向度都较其他生物质(如淀粉)高很多，因此，以葡萄糖为转化目标物(或其他单体)的酶解过程相当困难。目前尚没有令人满意的、高效的、耗时短、能耗低、酶耗少的对麻纤维进行酶解糖化的设备和工艺。

因此，本领域迫切需要开发对高效地对麻纤维进行酶解糖化的设备和工艺。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高效的、耗时短、能耗低、酶耗少的对麻纤维进行酶解糖化的大型设备和产业化工艺。

在本发明的第一方面，提供了一种大容量双体循环纤维素酶解反应器，其特征在于，包括：

(a)第一反应罐，所述的第一反应罐包括：罐本体，位于罐本体内的剪切均质器，用于添加进料的入口，以及用于排出物料的出口；

(b)第二反应罐，所述的第二反应罐包括2个以上的串联或并联的反应管，各反应管包括：管体、位于管体内的旋转轴和搅拌叶轮、进料口、出料口、以及位于管体外侧的保温层；还包括带动管体内的旋转轴转动的马达；

(c)连接第一反应罐和第二反应罐的管道，所述的管道包括将第一反应罐处理过的物料输送到第二反应罐的管道，以及将第二反应罐处理过的物料输送到第一反应罐的管道，其中所述的各管道可配有任选的管道泵；和

(d)连接第二反应罐中各管体的管道，其中所述的各管道可配有任选的管道泵。

其中，所述的剪切均质器至少为2个；并且所述的第一反应罐的容积为3-150吨(较佳地为30-100吨)。

在另一优选例中，所述的第一反应罐还包括一个设置于所述罐本体顶端的可绕中心轴线旋转的罐盖，并且所述的剪切均质器被固定于所述的罐盖。

在另一优选例中，所述的设置于罐本体顶端的可绕中心轴线旋转的罐盖，其转速为1-20rpm，较佳地为2-10rpm。

在另一优选例中，所述的第一反应罐的罐盖上还设置有一个罐罩。

在另一优选例中，所述罐罩将所述罐盖密封于第一反应罐的罐本体中。

在另一优选例中，所述的剪切均质器为3-6个。

在另一优选例中，所述的位于第一反应器中剪切均质器的转速为500-4000rmp，较佳地为1200-3000rpm。

在另一优选例中，所述的剪切均质器在第一反应罐本体内深浅交错分布。

在另一优选例中，所述的剪切均质器均匀分布于离开中心轴线的一个径向距离的圆周上。

在另一优选例中，所述的第二反应罐的多个反应管以横卧阶梯式自上而下排列。

在另一优选例中，所述的第二反应罐的位于管体内的旋转轴可提供50-300rpm，较佳地为100-250rpm的转速。

在另一优选例中，所述的第二反应罐内的旋转轴装有与顺流方向呈螺旋角为15-45°的叶片。

在另一优选例中，所述的第一反应罐与第二反应罐的容积比为0.1∶1至1∶0.1，更佳地为1∶0.5；其中，所述的第二反应罐的容积为各管体的总容积。

在另一优选例中，所述的第二反应罐本体长径比为1∶0.5～1∶0.1，较佳地为1∶0.25。

在另一优选例中，所述的第一反应罐还具有位于罐本体外侧的保温层。

在另一优选例中，所述的第一反应罐和/或第二反应罐的各管体还设有测温口。

在另一优选例中，所述的反应器还包括与物料出口相连的过滤器，用于过滤酶解后的物料，从而获得澄清的糖浓度高的(≥10％)酶解液。

在本发明的第二方面，提供了一种对纤维素进行酶解糖化的方法，包括步骤：

(a)对纤维素原料在第一反应罐中进行剪切均质，从而形成均质化纤维素原料；

(b)将均质化的纤维素原料在第二反应罐中用酶进行酶解，从而将纤维素降解为寡糖或单糖，其中所述的第二反应罐包括2个以上的串联或并联的反应管，并且在步骤(b)中纤维素物料在各反应管之间进行自循环，以及物料在第一反应罐和第二反应罐之间进行外循环。

在另一优选例中，所述方法用本发明第一方面中任一所述的大容量纤维素酶解反应器进行。

在另一优选例中，在步骤(a)中进行转速为500-4000rmp，较佳地为1200-3000rpm的高速剪切。

在本发明的第三方面，提供了本发明第一方面中任一所述的大容量纤维素酶解反应器的用途，它用于纤维素原料的酶解糖化。

在另一优选例中，所述的纤维素原料包括麻纤维(如红麻)。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是本发明一个实施例中酶解糖化设备的整体结构图；

图2是本发明一个实施例中酶解糖化设备的主视图；

图3是本发明另一个实施例中的大容量双体循环纤维素酶解糖化设备的整体结构图；

图4是本发明另一实施例中第一反应罐的主视图；

图5是本发明另一实施例中第二反应罐的侧视图；

图6是本发明另一实施例中第二反应罐的示意图。

图中各标识如下：

1                 第一反应罐

10                第一反应罐的电动马达

11                第一反应罐的观察窗

12                第一反应罐的进料口

13                第一反应罐的测温口

14                罐本体

15            第一反应罐的高速剪切均质器

16            第一反应罐的保温层

17            第一反应罐的出料口

18            第一反应罐的罐盖

19            第一反应罐的罐罩

2             第二反应罐

21            第二反应罐的保温层

22            第二反应罐的管体

23            第二反应罐的进料口

24            第二反应罐的电动马达

25            第二反应罐的出料口

26            第二反应罐的旋转轴

27            第二反应罐的搅拌叶片(或叶轮)

3             连接第一反应罐和第二反应罐的管道

31、32        泵

4             连接第二反应罐中各管体的管道

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次提供了一种专用于纤维素酶解糖化的设备，用该设备对麻纤维等纤维素进行酶解糖化，具有高转化率、高浓度、低转化时间、低酶制剂消耗、低能耗等优点，特别适合大容量纤维素酶解反应体系。

具体地，本发明人通过研究参与反应的麻纤维与纤维素酶两大体系的各自特征，提出了酶解糖化反应的“五化”论，并以此为基础设计制造了双体循环纤维素酶解反应器。具体地，所述的“五化”包括：

“纯化”——经预处理保障纤维素的高含量；

“细化”——经预处理保障纤维素为主的底物几何尺寸最小化；

“均化”——在反应过程中，保障纤维素为主的底物体系与纤维素酶体系在最短的时间内融合为一，并在微观结构上呈现十分均匀的流体状态；

“稳化”——在较长时间的反应过程中，保障热量有良好的传递，所设反应温度在整个溶液的各空间部位有相当的稳定性；

“活化”——在较长时间的反应过程中，降低纤维素能障、使纤维素酶得到保持活性所需的能量补充。

术语

如本文所用，术语“麻纤维”指来自麻类植物的、富含纤维素的纤维材料，尤其是双子叶植物茎的韧皮层内部丛生成束的纤维。代表性的麻类植物包括(但并不限于)：红麻、黄麻、苎麻、亚麻、苘麻、荨麻、罗布麻。

如本文所用，术语“红麻”(学名)，又名洋麻、野麻、槿麻等，属双子叶植物纲锦葵科木槿植物。

酶解糖化设备

本发明提供了一种以达到麻纤维酶解糖化高转化率、高浓度、低转化时间、低酶制剂消耗、低能耗为目标的大型双体循环纤维素酶解反应器。

参见图1和图2。双体循环纤维素酶解反应器结构：双体(第一反应罐1与第二反应罐2)：第一反应罐1，罐体(或罐本体)外形类似于常规桶式酶解反应器，内装有直插式或斜插式、单机或多机高速剪切均质器15。第二反应罐2，立式或卧式管状，双管或多管，内装有旋转轴与搅拌叶轮的混合器。第二反应罐与第一反应罐并联或串联，上出下进，经引流体，长程(第一反应罐)——短程(第二反应罐)双循环高频滚动交换，大大提高酶解效率。

第一反应罐罐1的结构特征：由罐本体14(或桶体)(可带有保温层夹套16)、高速剪切均质器15(转速500-2500rpm)、进料口12、出料口17、测温口13、视镜或观察窗11、支架(图中未示出)等组成。

第二反应罐2的结构特征：由管体22、旋转轴26(转速50-250)、叶轮27、进料口23、出料口25(自循环)、测温口(图中未示出)、支架、整体保温层21、电动马达24等组成。其中各管体之间由管道4连接，所述的管道4可任选地装有管道泵19、20。

第一反应罐与第二反应罐具有以下连接结构特征：两罐连接、第二反应罐多管连接。

在另一优选例中，两罐容积比等于或接近1∶0.5。

在本发明中，双体循环纤维素酶解反应器的容积没有特别限制。通常至少100升，更佳地1吨以上。按第一反应罐体积计，代表性的酶解反应器的容积可以是1-200t，较佳地3～150t，更佳地30～100t。

参见图3和图4，图中示出本发明的一种大容量双体循环纤维素酶解反应器。在该实施例中，第二反应罐2的结构与第一个实施例的相同，只是其个数为5个，当然根据实际情况可选择其他数目。

在本实施例中，该罐本体14的顶端有一开口，该第一反应罐1还包括一个设置于罐本体14敞开顶端上的罐盖18，该罐盖18与罐本体14同中心轴线布置，并被配置成可绕该中心轴线相对于罐本体14转动。驱动罐盖18转动的机构可以是通过马达带动一种通常的变速传动机构，例如用图示的机构来实现。应理解，变速传动机构是现有技术并为本领域的技术人员所熟知的结构，因此在此对其结构不予以详细说明。可以理解到，除了图示形式的传动机构和配合结构外，本领域的技术人员还可以采用其他的等同手段，只要能使罐盖18相对于罐本体14作同轴线转动，这些等同手段因此都应包括在本发明的范围内。

所述的罐盖18上方还设置有一个罐罩19，可起到密封和防尘作用，使反应器达到更好的反应效果。

罐本体14内部设有3个小功率剪切均质器15呈深浅交错分布，具体说所说的剪切均质器15通过罐盖18插入罐本体14内至不同深度上并可转动地支承在罐盖18上，它们位于罐盖18上离开中心轴线的一个径向距离的圆周上相互间隔开。采用此结构可使各剪切均质器15可以在绕本身的轴线旋转的同时，可随罐盖18绕中心轴线旋转，类似于行星系既有自转又同时绕太阳公转的运行方式。采用此种结构，由于采用多个小功率剪切均质器15在罐本体14内以不同深浅布置，同时除自转还可随端盖18旋转，因此在大容积罐内的溶液在各个空间位置都得到充分的交换反应，大大提高进料量和对物料剪切的均匀度，从而具有高转化率、高浓度、低转化时间、低酶制剂消耗、低能耗等优点。

参见图5，图中示出本发明的一种大容量双体循环纤维素酶解反应器的第二反应罐的另一个实施例。在该实施例中，第二反应罐的反应管个数为9个，当然根据实际情况可以选择其他数目。

参见图6，图中示出本发明的一种大容量双体循环纤维素酶解反应器的一个更优的实施例。与第二个实施例不同的是，图中第二反应罐中反应管个数为5个，以横卧阶梯式自上而下排列。第二反应罐内的物料利用位能自上而下的流动，物料到达最底端后利用管道泵再泵往第一反应罐。该结构利用重力作用传输物料，减少了反应器的能耗，达到了节能的目的。

此外，双体循环纤维素酶解反应器可任选地装有其他辅助设施，其中包括(但并不限于)：过滤器，以澄清的高浓度(10％以上)酶解液进入发酵系统。

酶解糖化

用本发明的双体循环纤维素酶解反应器，可以高效、快速、低酶耗、低能耗地进行纤维素的酶解糖化，从而生产出可用于发酵的糖。

用于酶解的纤维素酶不是本发明的发明点，可用于本发明的纤维素酶没有特别限制，可以是本领域中常规使用的各种纤维素酶。这些酶可用常规方法制备或通过市售途径获得。

纤维素酶(cellulase)又称纤维素酶系，是由多种组分组成的一个复杂酶系，是水解纤维素及其衍生物的一组酶的总称。典型的并得到广泛研究的纤维素酶生产菌株主要集中在丝状真菌，其中酶系较全且活性较高的纤维素酶菌株主要包括：木霉(Trichoderma sp.)、青霉(Penicillium sp.)和担子菌(Basidiomycetes)，如木霉属中的瑞氏木霉(T.reesei)、康氏木霉(T.Koningii)、绿色木霉(T.viride)以及青霉属中的斜卧青霉(P.decumbens)、微紫青霉({P.janthinellum)和绳状青霉(P.funiculosum)等。

根据纤维素酶的底物、作用位点和释放产物，将纤维素酶分为三类：

(1)内切-β-1，4-葡聚糖酶(1，4-D-glucanohydrolase或endo-1，4-β-D-glucanase，EC 3.2.1.4，简称EG)的分子量介于23～146KDa之间。这类酶作用于纤维素分子内部的非结晶区，随机水解β-1，4-糖苷键，将长链纤维分子截短，产生大量带非还原性末端的纤维素小分子，如短链纤维素，纤维寡糖等。如真菌的异构酶EG I为53KDa，EG III约为49.8KDa，而有两种纤维粘菌的内切酶EG分子量只有6.3KDa。

(2)外切-β-1，4-葡聚糖酶，或称纤维二糖水解酶(1，4-β-D-glucancellobiohydrolase或exo-1，4-β-D-glucanase，EC 3.2.1.91，简称CBH)，分子量介于38～118KDa之间。这类酶作用于纤维素分子的还原或者非还原末端，水解β-1，4-糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子，从而破坏纤维素分子。如木霉的CBH有两种，CBH I分子量约为66KDa，CBH II约为53KDa。

(3)β-1，4-葡萄糖苷酶(β-1，4-glucosidase，EC 3.2.1.21，简称GE)有胞内(或胞壁)酶和胞外酶之分，分子量介于47～76KDa(胞外酶)或90～100KDa(胞内酶)之间。主要催化水解含有β-葡萄糖昔键的化合物，使非还原性β-D-葡萄糖残基及其末端断裂，同时释放出β-D-葡萄糖和相应的配基，如芳香基和羟基等。在纤维素水解过程中，β-葡萄糖苷酶能够水解低分子量的纤维糊精和纤维二糖，生成葡萄糖，从而解除因纤维二糖积累造成的对纤维素酶活性的抑制作用。因此，β-葡萄糖苷酶是广义的纤维素酶系的主要成分之一，其酶活的高低直接影响整个纤维素酶系的作用效果。

除了上述三大组分外，真菌中参与纤维素降解过程的还有一些短肽类化合物、“氢键酶”、纤维二糖脱氢酶等。它们通过氧化作用或者破坏氢键来降解纤维素分子。

酶的用量没有特别限制，通常可以是100-5000IU/ml，较佳地为500-2000IU/ml。

一种特别优选的酶是酸性纤维素酶。其用量通常为100-5000IU/ml，较佳地为200-3000IU/ml，更佳地为500-1500IU/ml。

发酵生产乙醇

用本发明方法制备的纤维素降解的糖可被用作各种发酵工艺的糖原料，尤其是用作生产乙醇的发酵工业的糖原料。

利用各种工程菌，通过发酵生产乙醇的工艺是众所周知的。在这些工艺中，都可使用本发明方法制备的红麻纤维素降解所产生的糖。简而言之，就是在发酵工艺中部分或全部使用本发明方法制备的糖。

本发明的主要优点在于：

(a)本发明的酶解糖化的效率高、处理时间短、糖转化率高、能耗低。

(b)本发明的显著降低了酶耗。

(c)本发明更适用于大容量的纤维素酶解反应体系。

(d)本发明方法整体效率高，成本低。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

除非另外说明，否则百分比和份数为重量百分比和重量份数。

通用方法

预处理

红麻纤维预处理：将红麻韧皮纤维除去胶质、蜡质、部分木素等杂质。置入30-90℃的水中洗涤、经蒸汽爆破获得流动性好的浆状溶液。

实施例1

酶解糖化

采用图1所示的酶解糖化装置，按以下步骤进行酶解糖化：

1.步骤：

1.1预处理后的浆状溶液，配制成底物浓度为6％的100L溶液。

1.2将适量柠檬酸和柠檬酸三钠溶解于溶液中，将pH值调节到4.8。

1.3将双体循环酶解反应器的夹套加热至50℃；

1.4将纤维素酶总用量的75％(酶可以是液体酶和/或固体酶)加入溶液，并将此时定位反应起始时间0时。其中纤维素酶(包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶)的总用量为1000IU/ml。浆状溶液打入第一反应罐，转速为600rpm，由第一反应罐打入第二反应罐，第二反应罐转速为50rpm。全部物料在第一反应罐与第二反应罐中间进行双体循环流动。

1.5反应24时，将纤维素酶总用量的15％(酶可以是液体酶和/或固体酶)加入溶液。

1.6反应48时，将纤维素酶总用量的10％(酶可以是液体酶和/或固体酶)加入溶液。

1.7反应72时，酶解反应中止。

2.结果

酶解前经预处理的原料纤维素含量为65％以上；

酶解结果经检测：

酶解液中还原糖转化率98.96％；

酶解液中葡萄糖转化率91.04％。

实施例2

采用图1所示的酶解糖化装置，按以下步骤进行酶解糖化：

1.步骤：

1.1预处理后的浆状溶液，配制成底物浓度为6％的100L溶液。

1.2将适量柠檬酸和柠檬酸三钠溶解于溶液中，将pH值调节到4.8。

1.3将双体循环酶解反应器的夹套加热至50℃；

1.4将纤维素酶总用量的75％(酶可以是液体酶和/或固体酶)加入溶液，并将此时定位反应起始时间0时。其中纤维素酶(包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶)的总用量为900IU/ml。浆状溶液打入第一反应罐，转速为1500rpm，由第一反应罐打入第二反应罐，第二反应罐转速为120rpm。全部物料在第一反应罐与第二反应罐中间进行双体循环流动。

1.5反应24时，将纤维素酶总用量的15％(酶可以是液体酶和/或固体酶)加入溶液。

1.6反应48时，将纤维素酶总用量的10％(酶可以是液体酶和/或固体酶)加入溶液。

1.7反应60时，酶解反应中止。

2.结果

酶解前经预处理的原料纤维素含量为65％以上；

酶解结果经检测：

酶解液中还原糖转化率99.39％；

酶解液中葡萄糖转化率92.36％。

实施例3

采用图1所示的酶解糖化装置，按以下步骤进行酶解糖化：

1.步骤：

1.1预处理后的浆状溶液，配制成底物浓度为6％的100L溶液。

1.2将适量柠檬酸和柠檬酸三钠溶解于溶液中，将pH值调节到4.8。

1.3将双体循环酶解反应器的夹套加热至50℃；

1.4将纤维素酶总用量的75％(酶可以是液体酶和/或固体酶)加入溶液，并将此时定位反应起始时间0时。其中纤维素酶为酸性纤维素酶，总用量为1200IU/ml。浆状溶液打入第一反应罐，转速为2800rpm，由第一反应罐打入第二反应罐，第二反应罐转速为250rpm。全部物料在第一反应罐与第二反应罐中间进行双体循环流动。

1.5反应24时，将纤维素酶总用量的25％(酶可以是液体酶和/或固体酶)加入溶液。

1.6反应48时，酶解反应中止。

2.结果

酶解前经预处理的原料纤维素含量为65％以上；

酶解结果经检测：

酶解液中还原糖转化率99.8％；

酶解液中葡萄糖转化率92.80％。

实施例4

发酵实验

采用耐高温酿酒高活性干酵母(采购于湖北安琪酵母有限公司)

安琪酵母发酵培养基添加营养物组成：酵母粉0.5％，蛋白胨0.3％，(NH₄)₂SO₄ 0.1％，磷酸二氢钾0.2％，用醋酸调节pH5.0。

酒母制备：将0.5g安琪酿酒高活性干酵母溶于2％的葡萄糖水中，摇匀，置于35-40℃、100rmp摇床上培养15-20min，然后温度降至34℃以下活化1-2h，即可做酒母使用。

用实施例3中制备的可发酵糖作为糖原料，采用常规的发酵条件，其中发酵温度35℃，酵母用量％0.5％，发酵时间48h。

结果：经测定，发酵原液中的乙醇浓度为9.44g/L。

对比例1

重复实施例1，不同点在于：用图1中二个第一反应罐构成的双体循环纤维素酶解反应器，替换图1所述的双体循环纤维素酶解反应器。

结果：

酶解前经预处理的原料纤维素含量为65％以上；

酶解结果经检测：

酶解液中还原糖转化率50.21％；

酶解液中葡萄糖转化率56.20％。

对比例2

重复实施例2，不同点在于：用图1中二个第二反应罐构成的双体循环纤维素酶解反应器，替换图1所述的双体循环纤维素酶解反应器。此外，为了使得浆状溶液能够在第二反应器中流动，预先用独立式的高速剪切均质器转速为1500rpm预处理15分钟，然后再加入到反应器。

结果：

酶解前经预处理(剪切均质之前)的原料纤维素含量为65％以上；

酶解结果经检测：

酶解液中还原糖转化率62.02％；

酶解液中葡萄糖转化率65.15％。

结合实施例1-3和对比例1-2可以看出，使用本发明的双体循环纤维素酶解反应器，可显著提高酶解糖化的效率高、处理时间短、糖转化率高，并且可显著降低了酶耗，从而降低生产成本低。

实施例4

采用图5或图6所示的酶解糖化装置，按以下步骤进行酶解糖化：

1.步骤：

1.1预处理后的浆状溶液，配制成底物浓度为6％的50吨溶液。

1.2将适量柠檬酸和柠檬酸三钠溶解于溶液中，将pH值调节到4.8。

1.3将双体循环酶解反应器的夹套加热至50℃；

1.4将纤维素酶总用量的75％(酶可以是液体酶和/或固体酶)加入溶液，并将此时定位反应起始时间0时。其中纤维素酶为酸性纤维素酶，总用量为1200IU/ml。浆状溶液打入第一反应罐，3只位于罐内不同深度的剪切机转速均为2800rpm，由第一反应罐打入6只串联的第二反应罐，第二反应罐转速为250rpm。全部物料在第一反应罐与第二反应罐中间进行双体循环流动。

1.5反应24时，将纤维素酶总用量的25％(酶可以是液体酶和/或固体酶)加入溶液。

1.6反应60时，酶解反应中止。

2.结果

酶解前经预处理的原料纤维素含量为65％以上；

酶解结果经检测：

酶解液中还原糖转化率98.8％；

酶解液中葡萄糖转化率91.04％。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种双体循环纤维素酶解反应器，其特征在于，包括：

(a)第一反应罐，所述的第一反应罐包括：罐本体，位于罐本体内的剪切均质器，用于添加进料的入口，以及用于排出物料的出口；

(b)第二反应罐，所述的第二反应罐包括2个以上的串联或并联的反应管，各反应管包括：管体、位于管体内的旋转轴和搅拌叶轮、进料口、出料口、以及位于管体外侧的保温层；还包括带动管体内的旋转轴转动的马达；

(c)连接第一反应罐和第二反应罐的管道，所述的管道包括将第一反应罐处理过的物料输送到第二反应罐的管道，以及将第二反应罐处理过的物料输送到第一反应罐的管道，其中所述的各管道可配有任选的管道泵；和

(d)连接第二反应罐中各管体的管道，其中所述的各管道可配有任选的管道泵；

其中，所述的剪切均质器至少为2个，并且所述的第一反应罐的容积为3-150吨。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的第一反应罐还包括一个设置于所述罐本体顶端的可绕中心轴线旋转的罐盖，并且所述的剪切均质器被固定于所述的罐盖。

3.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述的设置于罐本体顶端的可绕中心轴线旋转的罐盖，其转速为1-20rpm，较佳地为2-10rpm。

4.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的剪切均质器为3-6个；和/或

所述的剪切均质器在第一反应罐本体内深浅交错分布。

5.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的第二反应罐的多个反应管以横卧阶梯式自上而下排列。

6.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的第二反应罐的位于管体内的旋转轴可提供50-300rpm，较佳地为100-250rpm的转速；和/或

所述的第二反应罐内的旋转轴装有与顺流方向呈螺旋角为15-45°的叶片。

7.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的第二反应罐本体长径比为1∶0.5～1∶0.1，较佳地为1∶0.25。

8.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的位于第一反应器中剪切均质器的转速为500-4000rmp，较佳地为1200-3000rpm。

9.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的第一反应罐与第二反应罐的容积比为0.1∶1至1∶0.1，更佳地为1∶0.5；其中，所述的第二反应罐的容积为各管体的总容积。

10.一种对纤维素进行酶解糖化的方法，其特征在于，包括步骤：

(a)对纤维素原料在第一反应罐中进行剪切均质，从而形成均质化纤维素原料；

(b)将均质化的纤维素原料在第二反应罐中用酶进行酶解，从而将纤维素降解为寡糖或单糖，其中所述的第二反应罐包括2个以上的串联或并联的反应管，并且在步骤(b)中纤维素物料在各反应管之间进行自循环，以及物料在第一反应罐和第二反应罐之间进行外循环。

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