CN105154494A

CN105154494A - 一种木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法

Info

Publication number: CN105154494A
Application number: CN201510636234.XA
Authority: CN
Inventors: 张晓阳; 王林风; 王奇; 张斐洋; 米锡耿; 吴静波
Original assignee: HENAN TIANGUAN CELLULOSIC ETHANOL CO Ltd
Current assignee: HENAN TIANGUAN CELLULOSIC ETHANOL CO Ltd
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: CN105154494B

Abstract

本发明属于纤维乙醇生产的技术领域。一种木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，按一定的投料比同时启动多个酶解罐，投料结束并酶解特定时间后开始分料，向一级酶解罐补加木质纤维素水解酶、物料和水，向二级酶解罐仅补加物料提高其固形物含量到设定值，维持高浓度连续酶解。本发明将传统间歇酶解发酵的方式转变为连续酶解，可充分发挥酶的催化活性，提高底物转化率，单位体积葡萄糖含量提高10~15%。

Description

一种木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法

技术领域

本发明属于纤维乙醇生产的技术领域，具体涉及一种木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法。

背景技术

木质纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。全世界每年通过光合作用产生的木质纤维生物质高达1000亿吨。我国是农业大国，具有丰富的生物质资源，仅农作物秸秆一项每年就有近8×10⁸吨（约合4亿吨标煤），占全国一次能源消耗总量的10~15%，加上数量巨大的林业纤维废料和工业纤维废渣，每年可利用的木质纤维原料总量可达20亿吨以上。木质纤维原料中纤维素约占干重的35~45％，半纤维素约占20~40％，采用适宜技术将它们水解成可发酵性糖，进一步发酵生产乙醇，充分利用这些生物质资源对缓解化石能源短缺压力，减轻环境污染，推动农业生态良性循环具有重要意义。

通常纤维乙醇的生产过程包括原料的预处理、酶水解、发酵和蒸馏，其中酶解是整个纤维乙醇生产的主要技术和经济瓶颈。高昂的纤维素酶应用成本是影响生物乙醇价格的主要因素之一，降低纤维素酶应用成本乃为生物乙醇生产的重中之重。为降低酶解成本，可从以下两方面入手：1）降低水解酶的生产成本，2）改进酶解工艺，最大化提高酶解效率。

纤维乙醇生产过程通常采用单罐间歇式酶解工艺，投入的酶难以循环利用，增加了整个生产成本。通过酶的循环利用，进行连续酶解糖化可大大减少酶用量，提高酶解效率，降低工艺成本。专利CN103789374A公开了一种含纤维素原料的酶解方法，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。但是消耗酶量较多，操作过程复杂，整体浓度不高，不便连续化进行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对单罐间歇式酶解工艺的不足，提供一种木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，在不增加设备投资成本的情况下，大幅提高设备利用率，增加产能，降低酶解成本，稳定产品质量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，按一定的投料比同时启动多个酶解罐，投料结束并酶解特定时间后开始分料，向一级酶解罐补加木质纤维素水解酶、物料和水，向二级酶解罐仅补加物料提高其固形物含量到设定值，维持高浓度连续酶解，具体包含以下步骤：

步骤1）：同时启动经空消处理的一级酶解罐和二级酶解罐，根据设定的底物浓度，将物料和水分别分批连续均匀投加进一级酶解罐和二级酶解罐中，同时分批连续均匀投加木质纤维素水解酶，进行酶解；

步骤2）：酶解进行一段时间T1后，开始从一级酶解罐向二级酶解罐中分料，从二级酶解罐向三级酶解罐中分料，分料进行的同时向一级酶解罐中连续均匀投加物料、木质纤维素水解酶和水，向二级酶解罐中连续均匀投加物料，待三级酶解罐中的葡萄糖质量百分数达10~12%，由三级酶解罐向发酵罐分料用于酒精发酵。

进一步的，步骤1）所述的物料为经过预处理的木质纤维素物料，可以为玉米秸秆、小麦秸秆或水稻秸秆；所述预处理步骤具体包括：首先将木质纤维素物料使用机械设备进行粉碎处理，使粒径达到0.15~35毫米，然后由皮带输送机传送入蒸汽爆破罐进行处理，再经板框压滤机压滤使物料含水量为40~60%。

进一步的，步骤1）所述设定的底物浓度为15~25%，所述将物料和水分别分批连续均匀投加进一级酶解罐和二级酶解罐中，同时分批连续均匀投加木质纤维素水解酶的具体方法是：初次投加物料的重量占总投加物料量的1/8~1/6，初次投加木质纤维素水解酶的量为总投加酶量的5/9~7/9，当一级酶解罐、二级酶解罐均完成总投加物料量的1/2~3/4时，一次加入剩余的酶量；

每克绝干物料添加木质纤维素水解酶30~60FPU。

进一步的，步骤1）所述酶解的工艺参数为：酶解温度为48~52℃、酶解时间为48~72h，pH4.8~5.2，搅拌转速120~500r/min。

进一步的，步骤2）所述一段时间T1为20~25h。

进一步的，步骤2）所述从一级酶解罐向二级酶解罐中分料的分料速率为每小时分料量为一级酶解罐酶解液体积的1/14~1/10；所述从二级酶解罐向三级酶解罐中分料的分料速率为每小时分料量为二级酶解罐酶解液体积的1/14~1/10；

所述向一级酶解罐中连续均匀投加物料的量使一级酶解罐中底物浓度保持在15~25%；所述向二级酶解罐中连续均匀投加物料的量使二级酶解罐中最终底物浓度值达到28~32%。

进一步的，步骤2）所述的向一级酶解罐中加入木质纤维素水解酶的量包括降解一级酶解罐中新加入物料所需的木质纤维素水解酶量和使二级酶解罐中底物浓度由15~25%达到28~32%所需物料对应的木质纤维素水解酶量。

进一步的，所述的一级酶解罐的上方设置加酶管道和主进料管道；所述二级酶解罐的上方只设置辅助进料管道，通过所述辅助进料管道投加的物料仅用于将二级酶解罐中的底物浓度由15~25%提高至28~32%，三级酶解罐中的酶解液分料导入发酵罐，接种进行发酵。

本发明一种木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，采用多级罐串联，以蒸汽爆破处理后的物料为底物，完成连续酶解过程，与传统技术相比，具有以下优势：

1）可以改变传统纤维乙醇生产中间歇酶解发酵的方式转变为连续酶解，减少了对发酵罐进行灭菌的流程，降低了物料输送的难度和人工成本，提高了酶解工艺效率。

2）连续酶解工艺可使物料在更高浓度下快速酶解，提高糖醇转化率，节省精馏和蒸馏等工序成本。

3）可充分发挥酶的催化活性，提高底物转化率，单位体积葡萄糖含量提高10~15%。

4）连续化操作，降低了产物对酶的反馈抑制，有效提高酶解率。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

本发明提供了一种木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，按一定的投料比同时启动多个酶解罐，投料结束并酶解特定时间后开始分料，向一级酶解罐补加木质纤维素水解酶、物料和水，向二级酶解罐仅补加物料提高其固形物含量到设定值，维持高浓度连续酶解，具体包含以下步骤：

步骤1）：同时启动经空消处理的一级酶解罐和二级酶解罐，将物料和水分别分批连续均匀投加进一级酶解罐和二级酶解罐中，同时分批连续均匀投加木质纤维素水解酶，进行酶解；

此步骤中，所述空消指在投料前，对一级酶解罐和二级酶解罐进行蒸汽灭菌处理，消除所有死角的杂物。

所述物料优选为经过预处理的木质纤维素物料，可以为玉米秸秆、小麦秸秆或水稻秸秆；所述预处理步骤具体包括：首先将木质纤维素物料使用机械设备进行粉碎处理，使粒径达到0.15~35毫米，然后由皮带输送机传送入蒸汽爆破罐进行处理，再经板框压滤机压滤使物料含水量为40~60%。该预处理步骤中，物料的粒径和含水量为重要控制参数，影响物料的酶解效率。本发明中，无特别说明的地方，所述物料均为采用上述预处理方法进行处理的物料，例如玉米秸秆、小麦秸秆或水稻秸秆。

所述将物料和水分别分批连续均匀投加进一级酶解罐和二级酶解罐中，同时分批连续均匀投加木质纤维素水解酶的具体操作方法是：控制初次投加物料的重量占总投加物料量的1/8~1/6，初次投加木质纤维素水解酶的重为总投加酶量的5/9~7/9，当一级酶解罐、二级酶解罐均完成总投加物料量的1/2~3/4时，一次加入剩余的酶量。

每克绝干物料添加木质纤维素水解酶30~60FPU。其中，木质纤维素水解酶的配制方法为：将纤维素酶、木聚糖酶、纤维二糖酶按比例混合，并加入1体积‰PEG4000混匀，制得。本发明中，所用木质纤维素水解酶的滤纸酶活（FPU）为800FPU/mL。酶活定义为国际单位（IU），即1min产生1μmol葡萄糖所需酶量为1酶活单位。

所述酶解的工艺参数为：酶解温度为48~52℃、酶解时间为48~72h，pH4.8~5.2，搅拌转速120~500r/min。

步骤2）：酶解进行一段时间T1后，开始从一级酶解罐向二级酶解罐中分料，从二级酶解罐向三级酶解罐中分料，此时进入连续酶解阶段，分料进行的同时向一级酶解罐中连续均匀投加物料、木质纤维素水解酶和水，向二级酶解罐中连续均匀投加物料，待三级酶解罐中的葡萄糖质量百分数达10~12%，由三级酶解罐向发酵罐分料用于酒精发酵。

该步骤中，所述一段时间T1为20~25h。

所述从一级酶解罐向二级酶解罐中分料的分料速率为每小时分料量为一级酶解罐酶解液体积的1/14~1/10；所述从二级酶解罐向三级酶解罐中分料的分料速率为每小时分料量为二级酶解罐酶解液体积的1/14~1/10；

所述的向一级酶解罐中加入木质纤维素水解酶的量包括降解一级酶解罐中新加入物料所需的木质纤维素水解酶量和使二级酶解罐中底物浓度由15~25%达到28~32%所需物料对应的木质纤维素水解酶量。

所述的一级酶解罐的上方设置加酶管道和主进料管道；所述二级酶解罐的上方只设置辅助进料管道，通过所述辅助进料管道投加的物料仅用于将二级酶解罐中的底物浓度由15~25%提高至28~32%，三级酶解罐中的酶解液分料导入发酵罐，接种进行发酵。

下述实施例1~3中，为了表述上的简洁、清楚，使用M1表示一级酶解罐，M2表示二级酶解罐，M3表示三级酶解罐，且M1、M2、M3仅为代号，无特殊意义。

下述实施例1~3中，酶解罐中酶解液的密度按1.1kg/L计算（现场测定数值），水的密度按1.0kg/L计算。

实施例1

以50L酶解罐为例对本发明做进一步说明。

一种木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，按一定的投料比同时启动多个酶解罐，投料结束并酶解特定时间后开始分料，向一级酶解罐补加木质纤维素水解酶、物料和水，向二级酶解罐仅补加物料提高其固形物含量到设定值，维持高浓度连续酶解，可按以下步骤：

1）向空消处理后的50L酶解罐M1、M2分别加入自来水19.5L，开启搅拌，设定底物浓度均为25%（w/v），分别由投料口向M1、M2投入含水量为50%(w/w)的玉米秸秆3.33kg（1/6），待搅拌均匀后，加入木质纤维素水解酶0.33L（2/3），控制反应温度50℃，pH4.8，搅拌转速为120r/min，开始进入酶解过程；随后连续均匀进料，当进料量达12kg(3/5)时，一次加入剩余的0.17L木质纤维素水解酶，继续连续均匀投料，于开始投料后16h内补料至总量达20kg，投料结束；每克绝干物料添加木质纤维素水解酶40FPU；

2）待酶解至24h时，由M1向M2分料，由M2向M3分料，M1每小时分料量为M1总体积的1/12，同时M1每小时进料1.7kg，进酶61.875ml，加水1.21L，使M1中底物浓度保持在25%（w/v）；M2每小时分料量为M2总体积的1/12，M2每小时进料0.825kg，使M2中底物浓度提高至30%（w/v）；如此实现连续酶解，待M3中葡萄糖含量达10%（w/v），由M3向发酵罐分料用于酒精发酵。

经检测，本实施例与现有的间歇式酶解工艺相比，葡萄糖含量提高12%。

实施例2

以150m³酶解罐为例对本发明做进一步说明。

1）向空消处理后的150m³酶解罐M1、M2分别加入自来水58.5m³，开启搅拌，设定底物浓度均为25%（w/v），分别由投料口向M1、M2投入含水量为50%(w/w)的玉米秸秆10吨（1/6），待搅拌均匀后，加入木质纤维素水解酶1.0m³（2/3），控制反应温度50±1℃，pH5.0，搅拌转速为300r/min，开始进入酶解过程，随后连续均匀进料，当进料量达45吨(3/4)时，一次加入剩余的0.5m³木质纤维素水解酶，继续连续均匀投料，于开始投料后16h内补料总量达60吨，投料结束；每克绝干物料添加木质纤维素水解酶40FPU；

2）待酶解至24h时，由M1向M2分料，由M2向M3分料，M1每小时分料量为M1总体积的1/10，同时M1每小时进料6吨，进酶0.165m³，加水5.835m³，M1中底物浓度保持在25%（w/v）；M2每小时分料量为M2总体积的1/10，M2每小时进料0.6吨，使M2底物浓度提升至30%（w/v）；如此实现连续酶解，待M3葡萄糖含量达12%（w/v），由M3向发酵罐分料用于酒精发酵。

经检测，本实施例与现有的间歇式酶解工艺相比，葡萄糖含量提高15%。

实施例3

以150m³酶解罐为例对本发明做进一步说明。

1）向空消处理后的150m³酶解罐M1、M2分别加入自来水58.5m³，开启搅拌，设定底物浓度均为25%（w/v），分别由投料口向M1、M2投入含水量为50%(w/w)的玉米秸秆7.5吨（1/8），待搅拌均匀后，加入木质纤维素水解酶1.0m³（2/3），控制反应温度50±1℃，pH5.2，搅拌转速为500r/min，开始进入酶解过程，随后连续均匀进料，当进料量达40吨(2/3)时，一次加入剩余的0.5m³木质纤维素水解酶，继续连续均匀投料，于开始投料后16h内补料总量达60吨，投料结束；每克绝干物料添加木质纤维素水解酶40FPU；

2）待酶解至24h时，由M1向M2分料，由M2向M3分料，M1每小时分料量为M1总体积的1/12，同时M1每小时进料5吨，进酶0.14m³，加水4.86m³，使M1中底物浓度保持在25%（w/v）；M2每小时分料量为M2总体积的1/12，M2每小时进料0.5吨，使M2底物浓度提高至30%（w/v）；如此实现连续酶解，待M3葡萄糖含量达12%（w/v），由M3向发酵罐分料用于酒精发酵。

Claims

1.一种木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，其特征在于，具体包含以下步骤：

2.如权利要求1所述的木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，其特征在于：步骤1）所述的物料为经过预处理的木质纤维素物料，所述预处理步骤具体包括：首先将木质纤维素物料使用机械设备进行粉碎处理，使粒径达到0.15~35毫米，然后由皮带输送机传送入蒸汽爆破罐进行处理，再经板框压滤机压滤使物料含水量为40~60%。

3.如权利要求1所述的木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，其特征在于：步骤1）所述设定的底物浓度为15~25%，所述将物料和水分别分批连续均匀投加进一级酶解罐和二级酶解罐中，同时分批连续均匀投加木质纤维素水解酶的具体方法是：初次投加物料的重量占总投加物料量的1/8~1/6，初次投加木质纤维素水解酶的量为总投加酶量的5/9~7/9，当一级酶解罐、二级酶解罐均完成总投加物料量的1/2~3/4时，一次加入剩余的酶量；每克绝干物料添加木质纤维素水解酶30~60FPU。

4.如权利要求1所述的木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，其特征在于：步骤1）所述酶解的工艺参数为：酶解温度为48~52℃、酶解时间为48~72h，pH4.8~5.2，搅拌转速120~500r/min。

5.如权利要求1所述的木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，其特征在于：步骤2）所述一段时间T1为20~25h。

6.如权利要求1所述的木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，其特征在于：步骤2）所述从一级酶解罐向二级酶解罐中分料的分料速率为每小时分料量为一级酶解罐酶解液体积的1/14~1/10；所述从二级酶解罐向三级酶解罐中分料的分料速率为每小时分料量为二级酶解罐酶解液体积的1/14~1/10；所述向一级酶解罐中连续均匀投加物料的量使一级酶解罐中底物浓度保持在15~25%；所述向二级酶解罐中连续均匀投加物料的量使二级酶解罐中最终底物浓度值达到28~32%。

7.如权利要求1所述的木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，其特征在于：步骤2）所述的向一级酶解罐中加入木质纤维素水解酶的量包括降解一级酶解罐中新加入物料所需的木质纤维素水解酶量和使二级酶解罐中底物浓度由15~25%达到28~32%所需物料对应的木质纤维素水解酶量。

8.如权利要求1所述的木质纤维素连续酶解提高糖浓度的方法，其特征在于：所述的一级酶解罐的上方设置加酶管道和主进料管道；所述二级酶解罐的上方只设置辅助进料管道，通过所述辅助进料管道投加的物料仅用于将二级酶解罐中的底物浓度由15~25%提高至28~32%，三级酶解罐中的酶解液分料导入发酵罐，接种进行发酵。