CN103789374A - 一种含纤维素原料的酶解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含纤维素原料的酶解方法，该方法包括在水的存在下，将含纤维素原料与酶混合，将含纤维素原料酶解，得到酶解产物，其特征在于，所述酶解分多阶段进行，所述多阶段包括连续进行的主酶解阶段以及主酶解阶段以后的间歇酶解阶段，在主酶解阶段中，向酶解罐中连续加入含纤维素原料以及酶，含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为50-100g/L，并使经过该主酶解阶段得到的酶解产物分别连续流入后续阶段的酶解罐中进行间歇酶解，直至后续阶段的各个酶解罐的酶解终点的酶解产物中单糖的含量为大于或等于105g/L。本发明的方法能有效地提高原料的糖转化率，并大大缩短酶解周期。

Description

一种含纤维素原料的酶解方法

技术领域

本发明涉及一种含纤维素原料的酶解方法。

背景技术

现有技术的由含纤维素原料，如秸秆制备乙醇的方法主要包括三个步骤：1、含纤维素原料的预处理，2、纤维素的酶解，3、糖的发酵制乙醇。

经过预处理后的含纤维素原料中的纤维素裸露出来，在与纤维素酶混合后被纤维素酶水解的反应通常称为酶解反应，又可以称为糖化反应，酶解的主要产物是单糖。纤维素在纤维素酶的作用下能够转化成葡萄糖，半纤维素在半纤维素酶的作用下能够转化成木糖等单糖，葡萄糖和木糖都可以用于发酵生产乙醇，比如酿酒酵母可以发酵葡萄糖制备乙醇，树干毕赤酵母可以发酵木糖制备乙醇。纤维素的非结晶结构是很容易被打破的，它可以完全降解成葡萄糖，然后由葡萄糖发酵成乙醇。

在传统的含纤维素原料的酶解方法中，酶解步骤通常采用间歇式操作，即将含纤维素原料和酶全部加入到一个酶解罐中并混合均匀，在适当的酶解条件下维持至酶解终点，得到酶解产物。所述传统的间歇式酶解方法的能耗较高，单糖产率较低，酶的作用效率低，酶解周期长，且设备利用率低。

发明内容

本发明的目的是克服现有的含纤维素原料的酶解方法单糖产率较低，酶的作用效率低，酶解周期长的缺陷，提供一种具有较高单糖产率，酶的作用效率较高，酶解周期较短的含纤维素原料的酶解方法。

本发明的发明人发现，现有技术的含纤维素原料的酶解方法中，含纤维素原料，如秸秆原料通常是以液浆的形式存在，在将浆液状的全部秸秆原料直接与酶混合时，会使酶浓度降低，使酶活力下降。再者，将经过预处理的秸秆与酶混合酶解的方法通常为将破碎的秸秆颗粒一次全部加入到酶与水的混合液中与酶液混合，进行酶解糖化反应，或者，先将所用反应物料——经预处理的秸秆颗粒于反应罐中与水混合，然后在酶解温度下，将酶直接加入到反应罐中反应。尽管上述混合是在搅拌条件下进行的，但是秸秆颗粒仍然不容易与酶混合均匀。因为，经过预处理后的秸秆粒度变小，颗粒以及碎屑状的秸秆颗粒很容易互相粘连和团聚，因此一次将全部秸秆完全与酶混合，仅有部分秸秆能与酶充分接触，但是由于秸秆之间的粘连和团聚也会有部分秸秆不能充分与酶接触，即使在搅拌下，也不能完全将秸秆打散，从而导致酶的利用率较低。因此，酶解后纤维素转化为糖的转化率低，且酶解周期较长。

为了实现上述目的，本发明提供了一种含纤维素原料的酶解方法，该方法包括在水的存在下，将含纤维素原料与酶混合，将含纤维素原料酶解，得到酶解产物，其中，所述酶解分多阶段进行，所述多阶段包括连续进行的主酶解阶段以及主酶解阶段以后的间歇酶解阶段，在主酶解阶段中，向酶解罐中连续加入含纤维素原料以及酶，含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为50-100g/L，并使经过该主酶解阶段得到的酶解产物分别连续流入后续阶段的酶解罐中进行间歇酶解，直至后续阶段的各个酶解罐的酶解终点的酶解产物中单糖的含量为大于或等于105g/L。

本发明的方法通过采用连续酶解与间歇酶解相结合的方式，使含纤维素原料能与酶混合均匀并充分接触，并且在反应过程中，酶的浓度一直保持在较高的水平，因此，含纤维素原料能与酶充分反应，从而有效地提高了原料的糖转化率。例如，在其它的蒸汽爆破条件都相同的情况下，实施例1的单糖产率达38.41％，酶解周期仅为64小时；而对比例1的单糖产率仅为35.35％，单糖产率提高幅度达8.7%，酶解周期高达88小时，酶解周期缩短20小时以上，并同时提高的设备利用率并降低了综合能耗。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供的含纤维素原料的酶解方法包括在水的存在下，将含纤维素原料与酶混合，将含纤维素原料酶解，得到酶解产物，其中，所述酶解分多阶段进行，所述多阶段包括连续进行的主酶解阶段以及主酶解阶段以后的间歇酶解阶段，在主酶解阶段中，向酶解罐中连续加入含纤维素原料以及酶，含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为50-100g/L（5-10%），并使经过该主酶解阶段得到的酶解产物分别连续流入后续阶段的酶解罐中进行间歇酶解，直至后续阶段的各个酶解罐的酶解终点的酶解产物中单糖的含量为大于或等于105g/L（10.5%）。其中，该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量指从主酶解阶段的最后一个酶解罐中流出的酶解产物中单糖的含量；酶解终点的酶解产物中单糖的含量指经过主酶解阶段以及后续的酶解阶段后得到的最终的酶解产物中单糖的含量。

按照本发明，所述主酶解阶段为连续进行酶解的阶段，在该主酶解阶段中，向酶解罐中连续加入含纤维素原料以及酶，能够保证酶与纤维素原料的充分接触、混合，并保证经过主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖达到一定的浓度，从而利于酶解周期的优化。优选情况下，含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为60-80g/L。

按照本发明，在主酶解阶段中，所述连续加入的含纤维素原料以及酶的加入量只要保证使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为50-100g/L（5-10%），更优选为60-80g/L（6.0-8.0%）即可，并且所述含纤维素原料的加入量可以根据生产能力而定，例如，可以为10-300千克/小时。

按照本发明，所述多阶段包括主酶解阶段的依次串联的多个酶解阶段的酶解罐，以及与位于主酶解阶段末位的酶解罐连通的后续间歇酶解阶段的多个并联的酶解罐。即，所述对主酶解阶段以及后续的间歇酶解阶段中的每个酶解阶段均优选对应一个酶解罐。其中，本发明对所述连续进行的主酶解阶段以及后续的间歇酶解阶段所用的酶解罐的种类和数量没有特别限定，可以为本领域常规使用的酶解罐。它们的位置可以在高度相同的一个平面上或者高度不同的平面上，呈梯级式。本发明优选多个酶解罐在一个平面上串联连接。

按照本发明，所述主酶解阶段的酶解罐的数量没有特别限定，从主酶解阶段的效率以及缩短酶解周期的角度考虑，优选情况下，所述主酶解阶段包括依次串联的2-3个酶解罐，即，依次包括串联的两个或三个酶解罐；优选情况下，将含纤维素原料连续加入主酶解阶段的第一酶解阶段的酶解罐中，为了更好地保证酶解效果，将酶分别连续加入主酶解阶段的第一酶解阶段的酶解罐和与其串联的第二酶解阶段的酶解罐中。在所述第二酶解罐中加入酶的方式，优选，待第一酶解阶段得到的酶解产物流入第二酶解阶段的酶解罐后再连续向第二酶解阶段的酶解罐中加入酶。

按照本发明，对主酶解阶段以后的间歇酶解阶段的酶解罐的数量没有特别的限制，从充分酶解和生产周期的缩短以及设备的利用率等方面综合考虑，优选情况下，所述主酶解阶段以后的间歇酶解阶段包括并联的2-4个酶解罐。

按照本发明，更优选情况下，所述主酶解阶段包括连续进行的三个酶解阶段，即，位于首位的第一酶解阶段的酶解罐，与第一酶解阶段的酶解罐串联的第二酶解阶段的酶解罐以及与第二酶解阶段的酶解罐串联的第三酶解阶段的酶解罐，即优选位于主酶解阶段的末位的为第三酶解阶段的酶解罐，将由第三酶解阶段得到的酶解产物分别连续送入与之连通的后续的间歇酶解阶段的多个并联的酶解罐中继续进行酶解。

按照本发明，在所述主酶解阶段中，所述串联的多个酶解阶段的酶解罐输送酶解产物的方式多为溢流方式，且每个酶解阶段的酶解程度也与纤维素原料以及酶的流量以及罐体积有关。

具体地，在所述主酶解阶段中，后一酶解阶段的酶解罐的物料入口和与其相邻的前一酶解阶段的酶解罐的物料出口相连通。每个酶解阶段的酶解罐的物料入口可以位于酶解罐的上部，与之对应，每个酶解阶段的物料出口可以位于酶解罐的下部；或者每个酶解阶段的酶解罐的物料入口也可以位于酶解罐的下部，与之对应，每个酶解罐的物料出口也可以位于酶解罐的上部。在所述主酶解解阶段中，从第一酶解阶段的酶解罐的物料入口连续加入含纤维素原料和酶，使含纤维素原料酶解，待第一酶解阶段的酶解产物从酶解罐的物料出口流出进入第二酶解阶段的酶解罐中，将酶连续加入第二酶解阶段的酶解罐中，从而与第一酶解阶段酶解的酶解产物混合，继续酶解，经第二酶解阶段酶解的酶解产物从第二酶解罐的物料出口流出进入第三酶解阶段的酶解罐中继续充分酶解，而后将酶解产物分别连续送入与之连通的后续的间歇酶解阶段的多个并联的酶解罐中继续进行酶解直至酶解终点；后续间歇酶解的方法为本领域技术人员所公知，例如，将经过主酶解阶段的酶解产物分别连续流入间歇酶解阶段的多个并联的酶解罐中，并优选按照酶解罐的顺序依次引入。按照引入的顺序，将经过间歇酶解的终点酶解产物依次引出，并再次连续引入经过主酶解阶段酶解后的产物，从而实现连续酶解。例如，以三个并联的酶解罐为例，将经过主酶解阶段酶解产物先连续引入间歇酶解阶段的第一酶解罐中，待物料注满后，继续引入间歇酶解阶段的第二酶解罐中，待物料注满后，继续引入间歇酶解阶段的第三酶解罐中，在向该第三酶解罐中引入的同时将第一酶解罐的物料连续引出，待第三酶解罐中的物料注满后，将经过主酶解阶段的酶解产物再次引入该间歇酶解阶段的第一酶解罐中。

此外，由于酶解产物粘度较大，流动性较差，因此，可以将后一酶解阶段的酶解罐的物料入口设置成比所述前一酶解阶段的酶解罐的物料入口稍低。另外，并可以通过泵送帮助粘稠的酶解产物顺利地流入到下一个酶解罐中。

所述酶解罐的结构及酶解罐的串联连接方式都是本领域公知的，在此不再赘述。每个酶解罐中物料的初始装液量通常为每个酶解罐体积的50-70%；当物料的流入和流出达到平衡后，将每个酶解罐的装液量调节至酶解罐体积的80%左右。

按照本发明，酶解使用的酶通常包括纤维素酶，出于成本和效果的综合考虑，优选以每克含纤维素原料的干重计，所述纤维素酶的用量为8-20酶活力单位，更优选为10-15酶活力单位。

例如，当所述以干重计的含纤维素原料的加入量可以为300-350千克/小时，优选为310-330千克/小时，在所述主酶解阶段中，所述纤维素酶的加入总量为2.4×10⁶-7.0×10⁶酶活力单位/小时，更优选为3.0×10⁶-5.25×10⁶酶活力单位/小时（纤维素酶的加入总量包括主酶解阶段的向多个酶解罐，如第一酶解罐和第二酶解罐中加入的纤维素酶的总量）。

按照本发明，优选情况下，在所述主酶解阶段中，为了在尽量短的时间内保证得到的酶解产物具有一定的单糖含量，连续向第一酶解阶段的酶解罐加入的酶占酶总加入量的50%-70%，向第二酶解阶段的酶解罐加入的酶占酶总加入量的30%-50%。因此，在上述含纤维素原料的加料量的前提下，连续加入第一酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为1.2×10⁶-4.9×10⁶酶活力单位/小时，连续加入第二酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为0.72×10⁶-3.5×10⁶酶活力单位/小时。

优选情况下，所述酶解使用的酶还包括半纤维素酶。因为半纤维素酶可以降解半纤维素成为溶于水的木糖，所以酶解使用的酶包括半纤维素酶，从而可以更充分地暴露纤维素，增加纤维素与纤维素酶的接触几率，以增加单糖产率。

本发明的方法还包括在主酶解阶段中，以每克含纤维素原料的干重计，所述半纤维素酶的用量为4.4-8.8酶活力单位。在上述含纤维素原料的加料量的前提下，将半纤维素酶分别连续加入第一酶解阶段的酶解罐和第二酶解阶段的酶解罐中，连续加入第一酶解阶段的酶解罐的半纤维素酶的加入量为0.66×10⁶-2.156×10⁶酶活力单位/小时，连续加入第二酶解阶段的半酶解罐的纤维素酶的加入量为0.396×10⁶-1.54×10⁶酶活力单位/小时。

由于本发明仅涉及对酶解方式的改进，因此对用含纤维素的原料制备单糖的方法的其它步骤没有特别的限制。

其中，所述纤维素酶可以通过各种方式获得，例如商购得到，或者通过使用产酶微生物分泌得到。由于使用产酶微生物分泌得到的酶会含有各种副产物，因此优选直接加入酶。本发明所述纤维素酶的酶活力按照美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）提供的标准方法——纤维素酶活力测定NREL LAP-006测定，所述纤维素酶的酶活力单位为在该标准方法规定的测定条件下，1分钟内将1克Whatman No.1滤纸转化为葡萄糖所需酶的微克数。

按照本发明，所述纤维素酶为复合酶，至少包括C₁型纤维素酶、Cx型纤维素酶和纤维二糖酶三种酶。

C₁酶可以使结晶的纤维素转变为非结晶的纤维素。

C_Ｘ型纤维素酶又分为C_Ｘ1型纤维素酶和C_Ｘ2型纤维素酶两种。C_Ｘ1型纤维素酶为内切型纤维素酶，可以从水合非结晶纤维素分子内部作用于β-1,4-糖苷键，生成纤维糊精和纤维二糖。C_Ｘ2型纤维素酶是一种外切型纤维素酶，可以从水合非纤维素分子的非还原端作用于β-1,4-糖苷键，逐一切断β-1,4-糖苷键生成葡萄糖。

纤维二糖酶则作用于纤维二糖，生成葡萄糖。

本发明所述半纤维素酶的酶活力单位（U）为在50℃、pH=4.8条件下，每分钟分解浓度为1重量％木聚糖溶液产生1微克还原糖（以木糖计）所需的酶量。

本发明所述半纤维素酶的活力指每克半纤维素酶所具有的活力单位。所述半纤维素酶的活力利用半纤维素酶在50℃、pH为4.8的条件下水解1重量％木聚糖产生还原糖（以木糖计），所得还原糖与过量3,5—二硝基水杨酸（DNS）发生颜色反应，用分光光度计测得反应液550纳米的光吸收值与还原性糖（以木糖计）的生成量成正比关系测定。具体测定方法如下：

准确称取1.000克木聚糖，用0.5毫升pH=4.8的0.1摩尔/升乙酸-乙酸钠缓冲溶液溶解，然后用去离子水定容到100毫升，得到1重量％木聚糖溶液；

称取30克四水合酒石酸钾钠放入500毫升锥形瓶内，加16克NaOH后，加50毫升去离子水，以5℃/分钟的速度水浴加热至固体物质溶解，加入1克3,5-二硝基水杨酸，至溶解，冷却至室温，用去离子水定容至100毫升，可得3,5-二硝基水杨酸（DNS）溶液；

将木糖80℃烘干至恒重，准确称取1.000克溶于1000毫升水中，加10毫克叠氮化钠防腐，得到1毫克/毫升的标准木糖溶液；

准确称取1.000克固体半纤维素酶或移取1毫升液体半纤维素酶原液，用0.5毫升pH=4.8的0.1摩尔乙酸-乙酸钠缓冲溶液溶解，然后用去离子水定容到100毫升，得到稀释100倍的待测酶液；

分别将在50℃水浴加热60分钟的2毫升木糖梯度标准溶液（0.1毫克/毫升、0.2毫克/毫升、0.3毫克/毫升、0.4毫克/毫升和0..5毫克/毫升，所述木糖梯度标准溶液用去离子水与1毫克/毫升的标准木糖溶液混合制备）或去离子水（木糖空白对照），与2毫升DNS混合沸水浴5分钟，冷却，去离子水定容15毫升后，用分光光度计在550纳米下分别测定反应后木糖梯度标准溶液的光吸收值，以光吸收值为横坐标，木糖浓度为纵坐标绘制标准曲线。由该标准曲线可得回归方程y=bx+a，其中，x为光吸收值，y为木糖浓度，a为所得直线方程的截距，b为所得直线方程的斜率；

取0.2毫升待测酶液与1.8毫升所述1重量%木聚糖溶液或pH=4.8的0.1摩尔/升乙酸－乙酸钠缓冲溶液（木聚糖空白对照），按照与上述木糖梯度标准溶液相同的步骤测试光吸收值。并按照下式计算半纤维素酶的活力：

式中x为待测酶液的光吸收值，b和a与木糖浓度对光吸收值的回归方程中的b和a一致，n为酶的稀释倍数，60表示为酶促反应的时间为60分钟，5为取样倍数（这里从1毫升待测酶液中取出了0.2毫升进行测试）。

根据上述方法可以测定出具体的半纤维素酶的活力，进而计算出半纤维素酶的用量。

按照本发明，所述酶解的温度可以为纤维素酶的任何最适作用温度，一般为45-55℃，更优选为48-52℃。所述酶解的时间只要保证经过主酶解阶段的酶解以及后续的间歇酶解阶段的酶解后得到的酶解终点的酶解产物中单糖的含量为大于或等于150g/L（15%）即可，采用本发明的酶解方式后，以传统的单罐酶解方法相比，酶解周期能够缩短18小时以上。所述酶解周期指从将酶与含纤维素原料混合时开始计算直至酶解终点的酶解产物中单糖浓度达到要求为止所用的时间。

为了保证酶具有最佳的反应活性，在将含纤维素原料与酶混合前，调节含纤维素原料的pH值为大于3小于7，优选为4.0-6.0，以使得含纤维素原料与酶混合后，酶具有最佳的反应活性。所述调节反应物料pH值的方法可以采用本领域技术人员公知的各种方法。如根据所得含纤维素原料的pH值，在该含纤维素原料中加入酸性物质或碱性物质。例如，所述酸性物质可以是硫酸、盐酸和磷酸中的一种或几种；所述碱性物质可以是氢氧化钠和/或氢氧化钾。

为了使酶与反应原料混合的更均匀，所述含纤维素原料的酶解优选在水存在条件下进行，因此，为了进料方便，更优选先向位于主酶解阶段首位的酶解罐中加入水，并连续加入含纤维素原料以及酶，以使含纤维素原料与水混合得到悬浮液，更利于位于主酶解阶段首位的酶解罐中的物料粘度的降低。对所加入的水的量没有特别限定，优选情况下，所述水的加入量与全部含纤维素原料的重量比为1:1-3。

所述含纤维素原料可以是各种农作物的秸秆、草本植物的茎杆等，如玉米秸秆、稻草、小麦秸秆、高粱秆等。由于秸秆的主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素，为了在酶解时能使纤维素酶和半纤维素酶充分与秸秆中的纤维素和半纤维素接触进行充分酶解，在酶解之前优选还对含纤维素原料进行预处理以将纤维素、半纤维素和木质素分离开。

所述含纤维素原料的预处理方法可以是本领域技术人员公知的方法，例如，酸处理方法和/或蒸汽爆破方法。所述酸处理方法包括将含纤维素原料与酸混合以溶解木质素而使之与纤维素和半纤维素分离。所述用于溶解含纤维素原料中的木质素的酸的种类为本领域技术人员所公知，如：所述酸可以是本领域常规的各种酸，如，选自硫酸、盐酸和磷酸中的一种或几种；所述酸的用量和浓度没有特别限定，可以根据需要溶解的含纤维素原料中木质素的量控制酸的用量和浓度。

所述蒸汽爆破的方法包括将含纤维素原料与水混合后进行蒸汽爆破或者直接将含纤维素原料置于蒸汽爆破装置中进行蒸汽爆破。由于蒸汽爆破方法更有利于破坏含纤维素原料中纤维素、半纤维素和木质素之间的网状结构，使纤维素能够被充分分离出来，有利于纤维素酶在纤维素表面的作用，提高纤维素的水解率及糖的产率。因此，本发明优选所述含纤维素原料的预处理方法为蒸汽爆破方法，所述含纤维素原料优选为蒸汽爆破的含纤维素原料。

采用现有技术常规的蒸汽爆破条件进行的蒸汽爆破都能达到本发明的发明目的，例如，所述蒸汽爆破的温度为160-200℃，所述蒸汽爆破的压力为0.6-1.6兆帕，所述蒸汽爆破压力的维持时间为3-10分钟。更优选所述蒸汽爆破的温度为160-180℃，所述蒸汽爆破的压力为0.6-1.0兆帕，所述蒸汽爆破压力的维持时间为4-8分钟。

由于含纤维素原料中可能会含有沙石杂质以及铁杂质，对蒸汽爆破设备会造成损害，因此本发明的制备乙醇的方法，可以包括在蒸汽爆破之前对含纤维素原料进行除石除铁常规操作，比如以“风送”含纤维素原料并磁铁吸引的方法进行除石除铁。沙石由于质量大，不能被风送到蒸汽爆破设备中，铁杂质由于磁铁的吸引也不会随原料进入蒸汽爆破设备中，从而可以完成除石除铁。此外，由于含纤维素原料本身容易缠结而堵塞设备管路，因此，在进入蒸汽爆破设备前，优选使所述含纤维素原料的大小为0.5-3厘米×0.2-1厘米×0.2-1厘米，更优选使所述含纤维素原料的大小为1-2厘米×0.4-0.6厘米×0.5-1厘米。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

下述实施例中，所使用的酶解罐是宜兴市制药设备厂生产的型号为φ2800×3500，ss304、容量为21500L的酶解罐，所使用的纤维素酶是诺维信酶制剂公司生产的牌号为NS50010的纤维素酶，本发明中所使用的半纤维素酶是诺维信酶制剂公司生产的牌号为NS50013的半纤维素酶。

实施例1

本实施例用于说明本发明的含纤维素原料的酶解方法。

（1）含纤维素原料的预处理

将1000千克没有杂质的玉米秸秆（含水量10重量％）切成不超过1.2厘米×0.5厘米×1.0厘米的小段，在180℃下维持1.0兆帕的压力5分钟，然后泄压，完成蒸汽爆破。共得到1800千克蒸汽爆破产物（含水量为50重量％）。

所得固体蒸汽爆破产物中纤维素总重量和半纤维素总重量的测定：

取10克上述蒸汽爆破产物在45℃下烘干至恒重5克，称量300.0毫克该干燥后的蒸汽爆破产物，放置于重80克的100毫升干燥三角烧瓶内。向所述三角烧瓶内加入3.00毫升浓度为72重量％的硫酸溶液，搅拌1分钟。然后将三角烧瓶在30℃的水浴中放置60分钟，每隔5分钟搅拌一次以确保均匀水解。水解结束后，用去离子水使硫酸的浓度稀释到4重量％，然后用布氏漏斗过滤，共得到滤液84毫升。将20毫升滤液转移至干燥的50毫升的三角瓶中。使用2.5克碳酸钙调节该滤液的pH值至5.5，静置5小时，收集上层清液。用0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，所得滤液用Biorad AminexHPX-87P高效液相色谱（HPLC）分析。HPLC条件：进样量20微升；流动相为0.2微米滤膜过滤并且超声振荡脱气的HPLC超纯水；流速为0.6毫升/分钟；柱温80-85℃；检测器温度80-85℃；检测器为折光率检测器；运行时间为35分钟。以0.1-4.0毫克/毫升浓度范围的D-（+）葡萄糖和0.1-4.0毫克/毫升浓度范围D-（+）木糖作为标准样品。HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中葡萄糖浓度为2.67毫克/毫升，计算可得1克所述蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为0.224克的葡萄糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将蒸汽爆破的产物的纤维素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是蒸汽爆破产物中纤维素重量的1.11倍，即1克所述蒸汽爆破产物中含纤维素0.202克，则1800千克蒸汽爆破产物中共含纤维素363千克。HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中木糖浓度为0.667毫克/毫升，计算可得1克所述蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为0.055克的木糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将蒸汽爆破的产物的半纤维素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是蒸汽爆破产物中半纤维素重量的1.14倍，即1克所述蒸汽爆破产物中含半纤维素0.048克，则1800千克蒸汽爆破产物中共含半纤维素87千克。

（2）酶解

所述酶解分多阶段进行，所述多阶段包括连续进行的主酶解阶段以及主酶解阶段以后的间歇酶解阶段，所述主酶解阶段包括依次串联的3个酶解阶段的酶解罐，后续间歇酶解阶段包括3个并联的酶解罐，所述主酶解阶段末位的酶解罐分别与后续间歇酶解阶段的3个并联的酶解罐连通。

将上述蒸汽爆破产物与水的混合物（蒸汽爆破产物与水的重量比为1.4：1）调节pH值为5，加热至52℃后，连续加入主酶解阶段的位于首位的酶解罐中，所述蒸汽爆破产物的加入量为28.13千克/小时，先将纤维素酶连续加入主酶解阶段的位于首位的酶解阶段的酶解罐中，待位于首位的酶解罐中的酶解产物开始流入与首位串联的第二酶解阶段的酶解罐中时，并在52℃下，将纤维素酶连续加入该第二酶解阶段的酶解罐中，连续加入第一酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为9.4×10⁴酶活力单位/小时，连续加入第二酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为4.7×10⁴酶活力单位/小时；以每克含纤维素原料的干重计，所述纤维素酶的用量为10酶活力单位，分别将主酶解阶段首位、第二位和第三位酶解罐中流出的酶解产物取样（主酶解阶段的时长为每罐12小时），用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤（1）所述高效液相条件，得出由主酶解阶段的位于首位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为36克/L，位于第二位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为48克/L，位于第三位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为64克/L。

将由所述主酶解阶段的末位酶解罐的酶解产物分别依次连续送入与其连通的3个并联的酶解罐中，在上述酶解条件下保温混合28小时进行间歇酶解，按照上述方法测定后续阶段的各个酶解罐的酶解终点的酶解产物中葡萄糖为112克/L，葡萄糖总量为共345.71千克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共311.45千克，按照下式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

纤维素转化率=100%×被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量

单糖产率=100%×酶解得到的葡萄糖重量/秸秆干重

实施例2

本实施例用于说明本发明的含纤维素原料的酶解方法。

按照实施例1的方法酶解含纤维素的原料，不同的是，在酶解步骤（2）中，在主酶解阶段，将所述蒸汽爆破产物调节pH值为5，加热至52℃后，连续加入主酶解阶段的位于首位的酶解罐中，所述蒸汽爆破产物的加入量为25千克/小时，先将纤维素酶连续加入主酶解阶段的位于首位的酶解阶段的酶解罐中，待位于首位的酶解罐中的酶解产物开始流入与首位串联的第二酶解阶段的酶解罐中时，并在52℃下，将纤维素酶连续加入该第二酶解阶段的酶解罐中，连续加入第一酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为1.25×10⁵酶活力单位/小时，连续加入第二酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为6.3×10⁴酶活力单位/小时；以每克含纤维素原料的干重计，所述纤维素酶的用量为15酶活力单位，分别将主酶解阶段首位、第二位和第三位酶解罐中流出的酶解产物取样（主酶解阶段的时长为每罐12小时），用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤（1）所述高效液相条件，得出由主酶解阶段的位于首位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为42克/L，位于第二位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为58克/L，位于第三位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为75克/L。

将由所述主酶解阶段的末位酶解罐的酶解产物分别依次连续送入与其连通的3个并联的酶解罐中，在上述酶解条件下保温混合36小时进行间歇酶解，按照上述方法测定后续阶段的各个酶解罐的酶解终点的酶解产物中葡萄糖为112.86克/L，葡萄糖总量为共348.37千克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共313.85千克，按照实施例1中的公式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

实施例3

本实施例用于说明本发明的含纤维素原料的酶解方法。

按照实施例1的方法酶解含纤维素的原料，不同的是，在酶解步骤（2）中，在主酶解阶段，将所述蒸汽爆破产物调节pH值为5，加热至52℃后，连续加入主酶解阶段的位于首位的酶解罐中，所述蒸汽爆破产物的加入量为26.47千克/小时，先将纤维素酶连续加入主酶解阶段的位于首位的酶解阶段的酶解罐中，待位于首位的酶解罐中的酶解产物开始流入与首位串联的第二酶解阶段的酶解罐中时，并在52℃下，将纤维素酶连续加入该第二酶解阶段的酶解罐中，连续加入第一酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为1.06×10⁵酶活力单位/小时，连续加入第二酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为5.3×10⁴酶活力单位/小时；以每克含纤维素原料的干重计，所述纤维素酶的用量为12酶活力单位，分别将主酶解阶段首位、第二位和第三位酶解罐中流出的酶解产物取样（主酶解阶段的时长为每罐12小时），用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤（1）所述高效液相条件，得出由主酶解阶段的位于首位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为40克/L，位于第二位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为55克/L，位于第三位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为68克/L。

将由所述主酶解阶段的末位酶解罐的酶解产物分别依次连续送入与其连通的3个并联的酶解罐中，在上述酶解条件下保温混合32小时进行间歇酶解，按照上述方法测定后续阶段的各个酶解罐的酶解终点的酶解产物中葡萄糖为112.32克/L，葡萄糖总量为共346.68千克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共312.33千克，按照实施例1中的公式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

实施例4

本实施例用于说明本发明的含纤维素原料的酶解方法。

按照实施例1的方法酶解含纤维素的原料，不同的是，在酶解步骤（2）中，所述主酶解阶段包括依次串联的2个酶解阶段的酶解罐，后续间歇酶解阶段包括2个并联的酶解罐，所述主酶解阶段末位的酶解罐分别与后续间歇酶解阶段的2个并联的酶解罐连通。连续加入主酶解阶段的位于首位的酶解罐中，所述蒸汽爆破产物的加入量为23.08千克/小时，先将纤维素酶连续加入主酶解阶段的位于首位的酶解阶段的酶解罐中，待位于首位的酶解罐中的酶解产物开始流入与首位串联的第二酶解阶段的酶解罐中时，并在该温度下，将纤维素酶连续加入该第二酶解阶段的酶解罐中，连续加入第一酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为7.7×10⁴酶活力单位/小时，连续加入第二酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为3.8×10⁴酶活力单位/小时；以每克含纤维素原料的干重计，所述纤维素酶的用量为10酶活力单位。分别将主酶解阶段首位和第二位酶解罐中流出的酶解产物取样（主酶解阶段的时长为每罐12小时），用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照实施例1步骤（1）所述高效液相条件，得出，由主酶解阶段的位于首位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为36克/L，位于第二位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为50克/L。

将由所述主酶解阶段的末位酶解罐的酶解产物分别依次连续送入与其连通的2个并联的酶解罐中，在实施例1的酶解条件下保温混合54小时进行间歇酶解，按照实施例1所述方法测定后续阶段的各个酶解罐的酶解终点的酶解产物中葡萄糖为107.89克/L，葡萄糖总量为共333.06千克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共300.06千克，按照实施例1中的公式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

实施例5

本实施例用于说明本发明的含纤维素原料的酶解方法。

（1）含纤维素原料的预处理

将1000千克没有杂质的玉米秸秆（含水量10重量%）切成不超过1.5厘米×0.4厘米×1.0厘米的小段，将秸秆段水浸5分钟后（秸秆与水的重量比为1：25）在180℃下维持1.0兆帕的压力5分钟，然后泄压，完成蒸汽爆破。共得到1925千克蒸汽爆破产物（含水量为53.25重量%）。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解蒸汽爆破产物的方法，得到蒸汽爆破产物酸水解液中葡萄糖浓度为2.52毫克/毫升，计算可得1克所述蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为0.209克的葡萄糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将蒸汽爆破的产物的纤维素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是蒸汽爆破产物中纤维素重量的1.11倍，即1克所述蒸汽爆破产物中含纤维素0.189克，则1925千克蒸汽爆破产物中共含纤维素363千克。HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中木糖浓度为0.64毫克/毫升，计算可得1克所述蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为0.052克的木糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将蒸汽爆破的产物的半纤维素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是蒸汽爆破产物中半纤维素重量的1.14倍，即1克所述蒸汽爆破产物中含半纤维素0.045克，则1925千克蒸汽爆破产物中共含半纤维素87千克。

按照与实施例1相同的方法进行酶解步骤（2），不同的是，pH值为4，酶解温度为48℃，在向主酶解阶段的位于首位的酶解阶段的酶解罐加入纤维素酶的同时还连续加入半纤维素酶，待位于首位的酶解罐中的酶解产物开始流入与首位串联的第二酶解阶段的酶解罐中时，并在该温度下，将纤维素酶连续加入该第二酶解阶段的酶解罐中的同时还连续加入半纤维素酶，连续加入第一酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为1.13×10⁵酶活力单位/小时，半纤维素酶的加入量为4.69×10⁴酶活力单位/小时，连续加入第二酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为5.63×10⁴酶活力单位/小时，半纤维素酶的加入量为2.34×10⁴酶活力单位/小时；以每克含纤维素原料的干重计，所述纤维素酶的用量为12酶活力单位/小时，所述半纤维素酶的用量为5酶活力单位，主酶解阶段的时长为每罐12小时。按照与上述步骤（1）所述高效液相条件，得出由主酶解阶段的位于首位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为46克/L，位于第二位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为64克/L，位于第三位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为80克/L。

将由所述主酶解阶段的末位酶解罐的酶解产物分别依次连续送入与其连通的3个并联的酶解罐中，在上述酶解条件下保温混合28小时进行间歇酶解，并按照实施例1步骤（1）所述高效液相条件，测定并计算出终点酶解产物中的葡萄糖为108.54克/L，葡萄糖总量为共335.08千克，所述酶解得到的葡萄糖的重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共301.87千克，测定并计算出酶解产物中的木糖共69.72千克，所述酶解得到的木糖的重量除以1.14，即蒸汽爆破产物中被酶解的半纤维素的重量共61.16千克；并按照下述公式计算纤维素、半纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

纤维素转化率=100%×被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量

半纤维素转化率＝100%×被酶解的半纤维素的重量/半纤维素的总重量

单糖产率=100%×（酶解得到的葡萄糖重量＋酶解得到的木糖重量）/秸秆干重

实施例6

本实施例用于说明本发明的含纤维素原料的酶解方法。

按照实施例1的方法酶解含纤维素的原料，不同的是，在酶解步骤（2）中，将蒸汽爆破产物调节pH值为5，加热至52℃后，连续加入主酶解阶段的位于首位的酶解罐中，所述蒸汽爆破产物的加入量为22.5千克/小时，先将纤维素酶连续加入主酶解阶段的位于首位的酶解阶段的酶解罐中，待位于首位的酶解罐中的酶解产物开始流入与首位串联的第二酶解阶段的酶解罐中时，并在该温度下，将纤维素酶连续加入该第二酶解阶段的酶解罐中，连续加入第一酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为6.0×10⁴酶活力单位/小时，连续加入第二酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为3.0×10⁴酶活力单位/小时；以每克含纤维素原料的干重计，所述纤维素酶的用量为8酶活力单位，分别将主酶解阶段首位、第二位和第三位酶解罐中流出的酶解产物取样（主酶解阶段的时长为每罐12小时），用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤（1）所述高效液相条件，得出由主酶解阶段的位于首位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为30克/L，位于第二位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为41克/L，位于第三位的酶解罐流出的酶解产物中葡萄糖为55克/L。

将由所述主酶解阶段的末位酶解罐的酶解产物分别送入与其连通的3个并联的酶解罐中，在上述酶解条件下保温混合44小时进行间歇酶解，并按照上述方法测定后续阶段的各个酶解罐的酶解终点的酶解产物中葡萄糖为107.56克/L，葡萄糖总量为共332.01千克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共299.11千克，按照实施例1中的公式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

对比例1

本对比例说明酶解含纤维素原料的参比方法。

按照实施例1的方法酶解含纤维素的原料，不同的是，在酶解步骤（2）中将步骤（1）取样测试后剩余的蒸汽爆破产物一次全部加入到一个含水的酶解罐中，然后与纤维素酶混合均匀（全部蒸汽爆破产物与水的重量比为1.4：1，相对于每克纤维素原料的干重，纤维素酶的用量为10酶活力单位），酶解时间为88小时。并按照实施例1的方法和公式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

表1

从上表1中的数据可以看出，采用本发明的含纤维素原料的酶解方法得到的单糖的产率明显高于由参比方法，且酶解周期显著缩短。

Claims (11)

1.一种含纤维素原料的酶解方法，该方法包括在水的存在下，将含纤维素原料与酶混合，将含纤维素原料酶解，得到酶解产物，其特征在于，所述酶解分多阶段进行，所述多阶段包括连续进行的主酶解阶段以及主酶解阶段以后的间歇酶解阶段，在主酶解阶段中，向酶解罐中连续加入含纤维素原料以及酶，含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为50-100g/L，并使经过该主酶解阶段得到的酶解产物分别连续流入后续阶段的酶解罐中进行间歇酶解，直至后续阶段的各个酶解罐的酶解终点的酶解产物中单糖的含量为大于或等于105g/L。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为60-80g/L。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述多阶段包括主酶解阶段的依次串联的多个酶解阶段的酶解罐，以及与位于主酶解阶段末位的酶解罐连通的后续间歇酶解阶段的多个并联的酶解罐。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述主酶解阶段包括依次串联的2-3个酶解罐；将含纤维素原料连续加入主酶解阶段的第一酶解阶段的酶解罐中，将酶分别连续加入主酶解阶段的第一酶解阶段的酶解罐和与其串联的第二酶解阶段的酶解罐中。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述主酶解阶段以后的间歇酶解阶段包括并联的2-4个酶解罐。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，连续向主酶解阶段的第一酶解阶段的酶解罐加入的酶占酶总加入量的50-70%，连续向第二酶解阶段的酶解罐加入的酶占酶总加入量的30-50%。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的方法，其中，酶解使用的酶包括纤维素酶，以每克含纤维素原料的干重计，所述纤维素酶的用量为8-20酶活力单位。

8.根据权利要求1、2、4或6所述的方法，其中，酶解使用的酶还包括半纤维素酶，以每克含纤维素原料的干重计，所述半纤维素酶的用量为4.4-8.8酶活力单位。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述酶解的温度为45-55℃，所述酶解的pH值为4-6。

10.根据权利要求1、2或4所述的方法，其中，所述含纤维素原料为蒸汽爆破的含纤维素原料和/或酸处理的含纤维素原料。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述含纤维素原料为秸秆。