CN105567761A - 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，该方法包括将含纤维素原料酶解，得到酶解产物，其中，在将含纤维素原料酶解之前，该方法还包括预混步骤，所述预混步骤包括：在搅拌和挤压下，先将含纤维素原料与pH值调节剂混合，调节所述含纤维素原料的pH值为4-6，然后将pH值为4-6的含纤维素原料与酶混合，所述含纤维素原料的干物质含量为15-50重量％。本发明增加了酶解步骤之前的预混步骤，通过先将含纤维素原料进行pH值的调节，再与部分酶的预混，而实现了含纤维素原料在酶解之前就具备了进行充分酶解的条件和状态，即，含纤维素原料的pH更均匀，并实现了与部分酶的充分预混而有效提高了酶的利用率和增强了酶混合效率。

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

现有技术的含纤维素原料的酶解工艺通常采用搅拌式间歇操作，在水的存在下，将含纤维素原料与酶同时加入酶解反应器中、在调节到适当的pH值下混合反应，维持反应条件酶解至终点。在酶解之前，需要将含纤维素原料进行预处理，使含纤维素原料中的纤维素裸露出来，以增加酶与纤维素的接触面积。

采用现有技术的方法对含纤维素原料进行预处理会给后续的酶解过程带来一系列的问题，例如，将经过预处理的，特别是经过蒸汽爆破预处理的物料一次性加入搅拌式反应器中与水充分混合后，加入酶进行酶解反应时，由于预处理后的含纤维素原料颗粒变小，物料间易粘连团聚，使得在酶解阶段，酶仅能够与粘连成团的物料的表面接触，而不能与团块状或者粒状物料的内部接触，使得酶很难与物料混合均匀，因而造成酶的利用效率低下，酶解效果差、产糖效率不高。此外，酶在不同温度下稳定性不同，酶在保存温度下半衰期较长，在较高的反应温度(如50℃)下半衰期会明显缩短，纤维素酶等酶在较高反应温度下半衰期的缩短，进一步加剧了酶反应效率的降低。再者，将经过酶解的酶解产物返混入一次性加入搅拌式酶解反应罐的经预处理后的物料(蒸汽爆破产物)中，并加入纤维素酶进行酶解的方法虽然可以在一定程度上提高酶解的效果，但是由于酶解产物出料量减少，酶解的相对周期会延长。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的含纤维素原料的酶解方法中，酶的利用效率低下，酶解效果差、产糖效率不高的缺陷，而提供一种含纤维素原料的酶解方法，该方法可以有效提升酶的利用率，提高酶解效率和单糖产量。

为了在酶解过程中达到提高酶解效率，即实现上述目的，本发明提供一种含纤维素原料的酶解方法，该方法包括将含纤维素原料酶解，得到酶解产物，其中，在将含纤维素原料酶解之前，该方法还包括预混步骤，所述预混步骤包括：在搅拌和挤压下，先将含纤维素原料与pH值调节剂混合，调节所述含纤维素原料的pH值为4-6，然后将pH值为4-6的含纤维素原料与酶混合，所述含纤维素原料的干物质含量为15-50重量％，优选为20-40％。

优选地，所述预混步骤在预混装置中进行，所述预混装置包括预混管道，所述预混管道的一端设置有进料口，另一端设置有出料口，且所述预混管道的内部设置有用以将物料从进料口向出料口连续推进的螺旋进给器，在靠近进料口一端的预混管道上设置有pH值调节剂入口，在靠近出料口一端的预混管道上设置有酶调配入口。

优选地，所述预混步骤包括：将含纤维素原料从进料口连续引入预混管道中，将pH值调节剂从pH值调节剂入口连续引入预混管道中，将酶从预混酶入口连续引入预混管道中，在螺旋进给器的搅拌和挤压下，将含纤维素原料先后与pH调节剂以及酶混合，并通过螺旋进给器将预混后的含纤维素原料从出料口连续排出预混管道，经过预混的含纤维素原料的干物质含量为15-50重量％，优选为20-40重量％。

在本发明提供的含纤维素原料的酶解方法中，增加了酶解步骤之前的预混步骤，通过先将含纤维素原料进行pH值的调节，再与部分酶的预混，而实现了含纤维素原料在酶解之前就具备了进行充分酶解的条件和状态，即，含纤维素原料的pH更均匀，并实现了与部分酶的充分预混而有效提高了酶的利用率和增强了酶混合效率。在本发明的一个优选的实施方案中，所述预混步骤在预混装置中进行，在螺旋进给器的挤压、搅拌和浸入混合的条件下，将pH值调节剂以及酶充分混合浸入含纤维素原料中，使含纤维素原料的pH值的调节更为均匀，而且进一步克服了现有酶解技术中，含纤维素原料与酶混合不充分的缺陷，从而达到更好的酶混合效果。此外，预混后的物料被连续排出后可以被直接引入连续进行的主酶解阶段的连续酶解装置中，增加了进料的方便性，实现了连续进、出料。

虽然本领域技术人员认为酶制剂的作用会实现物料黏度的降低，但是实现含纤维素原料的连续高效的黏度降低，并将含纤维素原料高效率的降解为微生物可利用的单糖是具有难度的；而本发明的发明人发现，物料的黏度与酶解的效率存在直接联系。

优选地，酶解体系中的水分在酶解混合物中的含量保持在50-85重量％，将含纤维素原料酶解的过程分多阶段进行，所述多阶段包括主酶解阶段和主酶解阶段以后的间歇酶解阶段，在主酶解阶段中，在搅拌下，间歇或者连续地，优选连续地将含纤维素原料与酶混合，使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中可溶性寡糖以最终降解为单糖含量计为10-150g/L，单糖的含量为10-100g/L，酶解产物的粘度为100-500cp，酶解产物的平均粒径为20-50μm。

优选地，所述主酶解阶段在主酶解装置中进行，所述主酶解装置包括罐体、包覆在罐体外周的设置有入口和出口的夹套和设置在所述罐体内的搅拌轴以及隔板，所述隔板沿着罐体高度方向上将罐体分隔成多个酶解空间，且隔板上具有能够使被隔板分隔的相邻两个酶解空间相连通的通孔，在被隔板分隔的每个酶解空间中的搅拌轴部分的长度方向上均设置有搅拌器，所述主酶解装置还包括与罐体相通的含纤维素原料入口、酶入口和物料出口。

优选地，所述主酶解阶段的酶解方法包括：将含纤维素原料连续引入罐体中以及将酶连续引入罐体中之前、同时或之后启动搅拌轴，使搅拌轴带动搅拌器转动，在搅拌下，使得含纤维素原料与酶的混合物沿罐体的高度方向从上到下依次从被隔板分隔的每个酶解空间经过，经过多阶段的连续酶解之后，将酶解产物从罐体中连续排出。

在本发明的另一优选的实施方案中，所述主酶解阶段是在主酶解装置中进行的，在上述主酶解装置中能够在酶解体系中水分含量保持一定范围内的情况下(即，在酶解过程中，只将经过预混合处理的含纤维素原料与酶混合，而无需加入水或者含水混合物)，实现干物料与酶的连续混合酶解，使得含纤维素原料与酶的混合物沿罐体的高度方向从上到下依次从被隔板分隔的每个酶解空间经过而进行多阶段酶解的过程中，酶解产物的粘度和平均粒径逐渐降低，解决了由于酶解过程的黏度过大造成的粘连、混合难的技术问题；同时，可溶性寡糖，如木寡糖、葡寡糖、纤维二糖；单糖，如葡萄糖、木糖的浓度逐渐上升，实现了在有效控制酶解产物的粘度、颗粒大小的前提下不断提高寡糖和单糖的含量，而进一步提高了产糖效率。在本发明中，酶、物料与酶解装置之间的交互作用是降低酶解产物黏度的主要因素。酶解工艺，特别是在优选的酶解装置中进行的实施方案，可以充分实现酶解装置与物料的相互作用，创造了黏度降低的环境，提高了酶解效率；相对于返混的工艺，缩短了周期；并能够实现含纤维素原料酶解过程的连续进出料，从而降低了在生产过程中的操作强度。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的预混装置1的结构示意图；

图2是本发明提供的主酶解装置2的结构示意图；

图3是本发明提供的酶解系统3的示意图。

附图标记说明

1预混装置11预混管道12进料口

13出料口14螺旋进给器15pH值调节剂入口

16预混酶入口；

2主酶解装置21罐体22搅拌轴

23隔板24涡轮式搅拌器

25旋桨式搅拌器26含纤维素原料入口27酶入口

28物料出口29补充酶入口；

4间歇酶解装置。

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。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”、“下”通常是指附图中所示的罐体21的高度方向的上和下；“内”、“外”是指酶解装置罐体21或者间歇酶解罐罐体的内部和外部；“轴向”指搅拌轴22的方向，“径向”指罐体的直径方向，即垂直于搅拌轴22的方向。

按照本发明，所述含纤维素原料的酶解方法包括将含纤维素原料酶解，得到酶解产物，其中，在将含纤维素原料酶解之前，该方法还包括预混步骤，所述预混步骤包括：在搅拌和挤压下，先将含纤维素原料与pH值调节剂混合，调节所述含纤维素原料的pH值为4-6，然后将pH值为4-6的含纤维素原料与酶混合，所述含纤维素原料的干物质含量为15-50重量％，优选为20-40重量％。

按照本发明，在酶解之前通常将含纤维素原料进行预处理，所述预处理的方法为本领域技术人员所公知，优选采用蒸汽爆破的方法对含纤维素原料进行预处理，因此，所述含纤维素原料优选为蒸汽爆破的含纤维素原料。由于根据蒸汽爆破工艺的不同，所述蒸汽爆破工艺又包括酸性蒸汽爆破、碱性蒸汽爆破和中性蒸汽爆破，即，在蒸汽爆破时分别加入酸、碱或者水，例如，在酸性蒸汽爆破时，在物料中加入酸或者酸性气体，如CO₂、SO₂；在碱性蒸汽气爆时加入碱，如氨水、氢氧化钠等，或者在中性蒸汽爆破时加入水。因此，在本发明中，所述预混步骤中pH值调节剂的种类可以根据蒸汽爆破工艺的不同如根据所得含纤维素原料的pH值，而进行适当选择用酸(例如，所述酸性物质可以是酸性气体，包括二氧化碳、二氧化硫以及硫酸、盐酸和磷酸中的一种或多种)或用碱(例如，所述碱性物质可以是氨水、氢氧化钠和/或氢氧化钾)进行调节，只要能够满足调节所述含纤维素原料的pH值为4-6即可。优选情况下，将含纤维素原料与pH值调节剂混合的条件包括：温度为50-60℃。在预混阶段将所述含纤维素原料进行pH值调节能够更好地使含纤维素原料的pH被调节地更为均匀，从而使物料在酶解之前就具备了进行充分酶解的条件和状态。

按照本发明，在预混步骤中，将经过调节pH值的含纤维素原料与部分酶的充分预混合，有效地提高了酶的利用率和增强了酶混合效率。优选情况下，将pH值为4-6的含纤维素原料与酶混合的条件包括：温度为50-60℃，酶的用量为预混步骤和酶解过程酶总加入量的10-30％，混合时间只要保证酶与上述经过pH值调节的含纤维素原料的充分混合即可，通常为0.5-2分钟。

按照本发明，所述预混步骤可以在本领域公知的各种混合设备中进行，优选情况下，如图1所示，所述预混步骤在预混装置1中进行，所述预混装置1包括预混管道11，所述预混管道11的一端设置有进料口12，另一端设置有出料口13，且所述预混管道11的内部设置有用以将物料从进料口12向出料口13连续推进的螺旋进给器14，在靠近进料口12一端的预混管道11上设置有pH值调节剂入口15，在靠近出料口13一端的预混管道11上设置有预混酶入口16。

按照本发明，所述螺旋进给器14的结构为本领域技术人员所公知，例如，所述螺旋进给器14通常包括驱动轴和设置在驱动轴上的螺旋叶片，所述螺旋叶片的外沿与预混管道11的内壁之间存在间隙，优选，所述螺旋叶片的螺距相等。此外，为了驱动所述螺旋进给器14的运动，在所述预混管道11的端部还设置有与所述驱动轴动力连接的驱动装置。进一步优选，所述螺旋进给器14的前部内周面上还设置有螺旋引导件(图中未示出)，该引导件设置在所述预混管道前部的内周面上，该引导件的螺旋方向与所述螺旋进给器叶片的螺旋方向相反。以阻碍物料随着驱动轴运动而导致的物料抱轴而不能前移，以保证物料与螺旋叶片的相对运动，以及物料与物料间也能够相对运动而起到推动旋转运动的物料前进。

按照本发明，为了方便对含纤维素原料的pH值的调节并保证所述含纤维素原料pH值的均匀性，所述pH值调节剂入口15设置在靠近预混管道11进料口的端部的管壁上。为了后续将经过pH值调节的含纤维素原料与部分酶的充分预混，所述预混酶入口16设置在预混管道的长度方向的后1/3段的预混管道11的管壁上，更优选在后1/3段的预混管道11的前端。

按照本发明，所述预混管道11的长度可以根据实际生产需要设定，通常可以为2-10米，预混管道的内径可以为0.2-0.6米。

优选情况下，所述预混步骤包括：将含纤维素原料从进料口12连续引入预混管道11中，将pH值调节剂从pH值调节剂入口15连续引入预混管道11中，将酶从预混酶入口16连续引入预混管道11中，通过驱动装置驱动螺旋进给器14运动，在螺旋叶片的搅拌和挤压下，将含纤维素原料先后与pH调节剂以及酶混合，并通过螺旋进给器14将预混后的含纤维素原料从出料口13连续排出预混管道11。所述预混步骤在预混装置1中进行，在螺旋进给器14的挤压、搅拌和浸入混合的条件下，将pH值调节剂以及酶先后、充分混合浸入含纤维素原料中，不但使含纤维素原料的pH值的调节更为均匀，而且进一步克服了现有酶解技术中，含纤维素原料与酶混合不充分的缺陷，从而达到更好的酶混合效果。此外，还实现了连续进、出料。

按照本发明，酶解体系中的水分在酶解混合物中的含量保持在50-85重量％，也即，将含纤维素原料酶解的过程在不额外加入水的条件下进行，将含纤维素原料酶解的过程分多阶段进行，所述多阶段包括连续进行的主酶解阶段和主酶解阶段以后的间歇酶解阶段，在主酶解阶段中，在搅拌下，间歇或者连续地，优选连续地将含纤维素原料与酶混合，使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中可溶性寡糖以最终降解为单糖含量计为10-150g/L，单糖的含量为10-100g/L，酶解产物的粘度为100-500cp，酶解产物的平均粒径为20-50μm。

其中，不额外加水的描述应理解为，含纤维素原料的酶解可以直接在将含纤维素原料与酶混合后进行酶解过程，保证了经预混合的含纤维素原料至少在排除另外添加混入水分的情形，如直接添加水、含水的溶液或含水的混合物等。不额外加水是为了尽可能的维持含纤维素原料的干固浓度，从而维持酶解结束时较高的糖浓度；此外，不引入含水的混合物，如干物质浓度相同但可溶性糖含量较高低粘度酶解液，是为了保证酶不会被溶剂稀释而影响总体酶解的效率，从而利于优化酶解周期。

其中，所述可溶性寡糖包括可溶性木寡糖和可溶性葡寡糖，可溶性木寡糖以最终降解为木糖含量计为10-50g/L，可溶性葡寡糖以最终降解为葡萄糖含量计为25-100g/L；所述单糖包括葡萄糖、木糖以及阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖，具体来说，其中，葡萄糖含量可以为5-60g/L、木糖含量可以为10-60g/L，阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖的总含量可以为1-10g/L。

按照本发明，所述主酶解阶段优选为连续进行酶解的阶段，在该主酶解阶段中，连续将具有干物质含量为15-50重量％，优选为20-40重量％的含纤维素原料与酶混合。

优选情况下，如图2所示，所述主酶解阶段在主酶解装置2中进行，所述主酶解装置2包括罐体21、包覆在罐体21外周的设置有入口和出口的夹套(图中未示出)和设置在所述罐体21内的搅拌轴22以及隔板23，所述隔板23沿着罐体21高度方向上将罐体21分隔成多个酶解空间，且隔板23上具有能够使被隔板23分隔的相邻两个酶解空间相连通的通孔，在被隔板23分隔的每个酶解空间中的搅拌轴22部分的长度方向上均设置有搅拌器，所述主酶解装置2还包括与罐体21相通的含纤维素原料入口26、酶入口27和物料出口28。

优选情况下，所述主酶解阶段的酶解方法包括：将含纤维素原料间歇或连续地，优选连续地引入罐体21中以及将酶间歇或连续地，优选连续地引入罐体21中之前、同时或之后启动搅拌轴22，使搅拌轴22带动搅拌器转动，在搅拌下，使得含纤维素原料与酶的混合物沿罐体1的高度方向从上到下依次从被隔板23分隔的每个酶解空间经过，经过多阶段的酶解之后，将酶解产物从罐体21中排出。在本发明中，被引入罐体21中的含纤维素原料为经过预混步骤的从预混装置1的出料口13被引出的经过预混的含纤维素原料。

在所述主酶解装置2中能够更好地实现在不额外加水的情况下，优选为连续进行的酶解的顺利完成，从而进一步保证酶的利用效率，并提高产糖效率。其中，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10-350千克/小时。

按照本发明，所述隔板23的数量可以根据生产能力以及酶解效果而定，例如，所述隔板的数量可以为2-5个，即将罐体21分隔成3-6个相互连通的酶解空间。且被隔板23分隔的相邻两个酶解空间的容积比为0.5-2.5，优选，相邻两个酶解空间的容积比为1.3-1.8，以进一步保证物料在每个空间中的停留时间而达到充分酶解的目的。其中，所述隔板23的形状可以为各种适合的形状，只要能够满足沿着罐体21高度方向上将罐体21分隔成多个酶解空间，并具有能够使被隔板23分隔的相邻两个空间相连通的通孔可以实现将物料卸下即可，通常可以为平板。优选情况下，如图2所示，所述隔板23为倒置的锥板，更优选，该锥板的锥角α为大于或等于60°至小于180°，优选为60-150°。其中，所述锥板的设置在于增强物料、酶与酶解装置间的相互作用。

优选情况下，为了便于安装，每个隔板23的中心部分均设置有通孔，使得搅拌轴22可以穿过通孔，沿着罐体21的轴向方向延伸至罐体21的底部，且隔板23中心的通孔的孔径大于搅拌轴22的外直径，以保证搅拌轴22的顺利转动。隔板23上的用于卸料的通孔的分布没有特别限制，只要能够使物料在空间中有一定的停留时间并能够保证将物料卸下到下一层空间中即可，但是，按照本发明的一个优选的实施方式，为了保证当含纤维素的原料与酶的混合物的充分酶解，优选，同一隔板上分布的通孔大小相同，且沿着罐体21的高度方向由上向下分布的隔板23上的通孔孔径依次减小，且通孔以均匀分布的形式分布在整个隔板上。优选，隔板23上的通孔的孔隙率为10-90％，进一步优选为10-50％，孔直径大小为0.1-2毫米，进一步优选为0.1-0.8毫米。其中，所述通孔的形状可以为规则多边形，如正方形、长方形、菱形、梯形；不规则多边形、圆形、椭圆形等，可以是其中一种形状也可以是多种形状的组合，优选为圆形。

此外，隔板23的安装方法可以采用现有技术公知的方法，例如，通过焊接的方法将隔板23的外周壁固定在所述罐体21内壁上。

进一步优选，为了便于实现优选连续的主酶解阶段的酶解，所述含纤维素原料入口26和酶入口27设置在罐体21的顶部，所述物料出口28设置在罐体21的底部。

按照本发明，为了使得含纤维原料在被隔板23分隔的每个酶解空间中均能够充分与酶混合，在被隔板23分隔的每个酶解空间中的搅拌轴22部分的长度方向上均设置有搅拌器，优选情况下，设置在搅拌轴22下端的搅拌器为涡轮式搅拌器24，如斜叶圆盘涡轮式搅拌桨、后弯叶圆盘涡轮搅拌桨、六直叶开启涡轮搅拌桨或四斜叶开启涡轮式搅拌桨中的一种。设置在该涡轮式搅拌器上方的其它搅拌器为旋桨式搅拌器25，如锚式搅拌桨、锚框式搅拌桨或螺杆螺带桨。采用上述优选实施方式，可以实现针对不同粘度的物料来提供更佳的搅拌效果，以进一步提高酶解效率。

优选情况下，所述主酶解装置2还包括设置在罐体21的侧部、分别与被隔板23分隔的每个酶解空间相连通的补充酶入口29。优选情况下，含纤维素原料从含纤维素原料入口26被连续引入罐体21中，优选，主酶解阶段酶用量的20-90％的酶从酶入口27被连续引入罐体21中，主酶解阶段酶用量的10-80％的酶从补充酶入口29被连续引入罐体21中，酶解产物从物料出口28被连续从罐体21中排出。

优选情况下，所述罐体21的高径比为1.75-4:1。

按照本发明，由于在该主酶解阶段是在不额外加入水的条件下进行的，为了使在酶解体系中的水分在酶解混合物中的含量保持在50-85重量％的情况下，更好地控制物料的粘度以及保证酶解产物中的糖含量，优选将酶分阶段连续与所述含纤维素酶混合。即，将酶从酶入口27和补充酶入口29连续引入罐体21中，即，向各层的酶解空间中分别连续加入酶，流加进入的酶在经过补充酶入口29时，更容易以液体形式流入下层空间，因此，在进行补充流加酶之前，低粘度液体中酶浓度相对于高粘度物料中酶浓度较高，因此，优选通过在不同酶解空间中均设置补充酶入口29，补充酶以维持高粘度物料的高酶解浓度，以增加各阶段酶的浓度，从而增强酶解效果，增加糖浓度，并使得含纤维素原料在所述连续酶解装置2中从上到下的各层酶解空间中依次经历的过程中，使得酶解产物的粘度和平均颗粒直径逐渐降低或者减小，最终达到使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中寡糖以最终降解为单糖含量计为10-150g/L，单糖的含量为10-100g/L，酶解产物的粘度为100-500cp，酶解产物的平均粒径为20-50μm的目的。

按照本发明，经过预混步骤的物料从罐体21顶部的含纤维素原料入口26、酶从酶入口27被引入罐体21的顶层，设置于第一层酶解空间中的搅拌器带动粘性物料翻滚运动，同时物料与搅拌器、罐体内壁以及隔板相互挤压、揉捻，在纤维素酶的作用下，产物粒度降低、粘度降低，当物料颗粒大小低于隔板的通孔大小时，由于重力的作用物料被挤压进入第二层酶解空间中，在该空间中进行同样的运动，使得物料粘度和粒度进一步降低，并连续进入后续的酶解空间中持续酶解，最终实现物料平均颗粒以及粘度的降低，单糖、寡糖浓度的上升，并连续出料。

按照本发明，所述主酶解阶段的酶解条件包括：酶解温度为30-60℃，优选为45-55℃，主酶解阶段中酶的用量为预混步骤和酶解过程酶总加入量的50-80％。主酶解阶段的酶解时间依赖于工艺中进料速度的设置、酶的特性、加酶量以及加酶策略匹配进料速度，并可以做相应调整，通常达到上述寡糖含量、单糖含量的主酶解阶段的酶解时间为2-8小时，优选为3-5小时。

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。经过主酶解阶段得到的酶解产物分别间歇或连续地，优选连续地引入间歇酶解阶段的多个酶解罐中进行间歇酶解，直至间歇酶解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80-240g/L。即，将从主酶解装置2的物料出口28被引出的酶解产物分别送入后续的间歇酶解阶段的各个酶解罐中进行间歇酶解。

按照本发明，在间歇酶解阶段，所述酶解罐的结构及酶解罐的并联方式都为本领域所公知，在此不再赘述。每个酶解罐中物料的装料量通常为每个酶解罐体积的70-80％左右。

按照本发明，在间歇酶解阶段，每个酶解罐可独立进行进料与卸料；进料的时候，设置阀门开关，分别将从主解罐装置的出料口引出的酶解产物连续引入间歇式酶解罐中以实现进一步的糖化酶解，达到最终的酶解糖浓度，通过开关阀门，进行间歇酶解的连续出料，从而缩短运行周期，降低生产成本。所述间歇酶解罐可以选用现有技术中公知的搅拌式酶解罐。

按照本发明，优选情况下，为了进一步提高最终得到的酶解产物中的单糖含量，该方法还包括在间歇酶解阶段，分别向间歇酶解阶段的每个酶解罐中加入酶，间歇酶解阶段中酶的用量为预混步骤和酶解过程酶总加入量的10-40％。此处所述间歇酶解阶段中酶的用量指每个酶解罐所加酶的总和(由于间歇阶段的每个酶解罐的体积和装料量基本相同，因此，酶的用量可以平均分配，从而计算出每个酶解罐酶的用量)。所述间歇酶解阶段的酶解条件包括：酶解温度为30-60℃，优选为45-55℃。间歇酶解的酶解时间只要保证酶解终点的酶解产物中单糖的含量为80-240g/L即可，通常达到上述单糖含量的间歇酶解的酶解时间为24-72小时。

按照本发明，在预混阶段以及酶解过程的主酶解阶段和后续的间歇酶解阶段使用的酶包括纤维素酶，以含纤维素原料中的每克纤维素计，所述纤维素酶的用量为6-20酶活力单位。

按照本发明，在预混阶段以及酶解过程的主酶解阶段和后续的间歇酶解阶段使用的酶还包括半纤维素酶、果胶酶和蛋白酶中的一种或多种，以添加的纤维素酶的重量含量计，半纤维素酶、果胶酶和蛋白酶的总重量与纤维素酶重量之比为1:1-100，优选为1:1-10。

按照本发明，在本发明中，对预混步骤、主酶解阶段以及间歇酶解阶段的酶的用量比例进行了限定。进一步地，对相对于含纤维素原料中的每克纤维素计，以酶活力单位计的酶的用量进行了定义，因此，根据含纤维素原料的进料速度、进料量可以计算出酶的总用量，并根据每个阶段酶的分配比例计算出酶在各个阶段的用量。

具体来说，例如，当所述含纤维素原料的加入量为300千克/小时，其中，纤维素的含量以50重量％计算，以含纤维素原料中的每克纤维素计，所述纤维素酶的用量为6-20酶活力单位。

在该具体实施方式中，所述纤维素酶的加入总量为9×10⁵-3×10⁶酶活力单位/小时。

主酶解阶段中酶的用量为预混步骤和酶解过程酶总加入量的50-80％，因此，在主酶解过程中，所述纤维素酶的总加入量为4.5×10⁵-2.4×10⁶酶活力单位/小时。

预混步骤，酶的用量为预混步骤和酶解过程酶总加入量的10-30％，因此，在预混步骤中，所述纤维素酶的加入总量为0.9×10⁵-9×10⁵酶活力单位/小时。

间歇酶解阶段，酶的用量为预混步骤和酶解过程酶总加入量的10-40％。因此，在间歇酶解阶段，所述纤维素酶的加入总量为0.9×10⁵-1.2×10⁶酶活力单位/小时。

优选情况下，在所述主酶解阶段中，所述罐体21被2个隔板分隔成三个连续的酶解空间，分别连续向第一层、第二层和第三层酶解空间中加入的酶的量分别占该主酶解阶段纤维素酶的总加入量的20-60％、20-40％和20-40％，优选分别连续向第一层、第二层和第三层酶解空间中加入的酶的量分别占该主酶解阶段纤维素酶的总加入量的30-50％、25-40％和25-40％。因此，在上述含纤维素原料的加料量的前提下，分别连续向主酶解阶段的第一层、第二层和第三层酶解空间中加入的纤维素酶的加入量优选为1.35×10⁵-1.2×10⁶酶活力单位/小时、1.12×10⁵-9.6×10⁵酶活力单位/小时和1.12×10⁵-9.6×10⁵酶活力单位/小时。

由于本发明仅涉及对预混步骤以及优选在主酶解阶段采用的酶解装置进行酶解的改进，因此对用含纤维素的原料制备单糖方法中的其它步骤没有特别的限制。

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(NationalRenewableEnergyLaboratory，NREL)提供的标准方法——纤维素酶活力测定NRELLAP-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WhatmanNo.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，至少包括了内切型纤维素酶、外切型纤维素酶以及纤维二糖酶。内切型纤维素酶可以作用于非结晶纤维素分子内部β-1,4糖苷键，生成纤维糊精以及纤维二糖；外切型纤维素酶可以从纤维素分子非还原端作用于β-1,4糖苷键，将纤维素酶切降解为葡萄糖；纤维二糖酶可以作用于纤维二糖，将纤维二糖降解为葡萄糖。

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。

所述酶解周期指在酶解过程中，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。

所述含纤维素原料的前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，经过前处理可以将含纤维素原料中的纤维素、半纤维素、木质素进行分离利用，从而增强酶与纤维素原料成分的接触效果。如本发明上文中所述，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，本发明优选采用蒸汽爆破的方法。所述蒸汽爆破的方法包括：中性蒸汽爆破，如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通入蒸汽对原料进行蒸煮。或者，将原物料进行酸浸泡或者喷酸处理，再进入蒸汽爆破装置中，同时通入蒸汽进行蒸煮，泄压爆破；其中酸优选为硫酸或者磷酸。另一种方式为碱性爆破，先将氨水通入蒸汽爆破装置中，在碱性条件下进行蒸汽爆破。在本发明中，只要保证所述预处理阶段含纤维原料的干物质含量和含水量达到本发明的要求即可。

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。

所述含纤维素的原料可以为现有农业残留物，如农作物秸秆、农业草本植物，包括玉米秸秆、玉米芯、草、纸、大麦秆、小麦杆、稻草、纸张等；也可以为林园残留物，如硬木、软木、坚果壳、树叶、棉籽絮、柳枝、燕麦壳等，能源作物，如柳枝稷、能源草。由于国内种植分布与种植特点，优选以秸秆，如玉米秸秆、麦草为酶解原料。

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，还可以包括在蒸汽爆破之前对含纤维素原料进行收储、打包、除杂、切分、粉碎的步骤。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。

下面根据图3，对本发明的一种优选的酶解含纤维素原料的方法进行具体说明。

如图3所示，所述含纤维素原料的酶解优选在本发明提供的酶解系统3中进行。该酶解系统3包括预混装置1、主酶解装置2和间歇酶解装置4。

所述预混装置1包括预混管道11，所述预混管道11的一端设置有进料口12，另一端设置有出料口13，且所述预混管道11的内部设置有用以将物料从进料口12向出料口13连续推进的螺旋进给器14，在靠近进料口12一端的预混管道11上设置有pH值调节剂入口15，所述预混酶入口16设置在预混管道的长度方向的后1/3段的预混管道11的前端。

所述连续酶解装置2包括罐体21和设置在所述罐体21内的搅拌轴22以及3个倒置的圆锥形隔板23，所述隔板23沿着罐体21高度方向上将罐体21分隔成四个酶解空间，且隔板23上具有能够使被隔板23分隔的相邻两个酶解空间相连通的通孔(隔板23的中心具有通孔，且通孔的孔径大于搅拌轴22的外直径，以保证搅拌轴22的顺利转动。此外，隔板23上还平均分布有用于卸料的通孔)，在被隔板23分隔的每个酶解空间中的搅拌轴22部分的长度方向上均设置有搅拌器(搅拌轴下端的搅拌器为涡轮式搅拌器24，设置在该涡轮式搅拌器上方的其他三个搅拌器为旋桨式搅拌器25)，所述主酶解装置2还包括与罐体21相通的分别设置在罐体21顶部的含纤维素原料入口26和酶入口27，以及设置在罐体21底部的物料出口28。所述主酶解装置2还包括设置在罐体21的侧部、分别与被隔板23分隔的四个酶解空间相连通的四个补充酶入口29。

所述间歇酶解装置4包括四个并联的间歇酶解罐(顶部设置有入口，底部设置有出口)。

预混装置1的出料口13与主酶解装置2的罐体21顶部的含纤维素原料入口26连通，罐体21底部的物料出口28分别通过管道与间歇酶解装置4中的四个间歇酶解罐的顶部入口连通。

在预混步骤，将蒸汽爆破的含纤维素原料从进料口12连续引入预混管道11中，将pH值调节剂从pH值调节剂入口15连续引入预混管道11中，将酶从预混酶入口16连续引入预混管道11中，通过驱动装置驱动螺旋进给器14运动，在螺旋叶片的搅拌和挤压下，将含纤维素原料先后与pH调节剂以及酶混合，并通过螺旋进给器14将预混后的含纤维素原料从出料口13连续排出预混管道11，并通过罐体21顶部的含纤维素原料入口26连续送入主酶解阶段的主酶解装置2中，将酶从罐体21顶部的酶入口27和/或罐体21侧部的补充酶入口29被连续引入罐体21中，使得含纤维素原料与酶的混合物沿罐体21的高度方向从上到下依次从被隔板23分隔的每个酶解空间经过，经过多阶段的连续酶解之后，酶解产物从物料出口28被连续从罐体21中排出，并连续引入间歇酶解装置4的每个酶解罐中进行间歇酶解，直至酶解终点。

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，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。

按照本发明的一种优选的实施方式，以下实施例中采用上述的如图3所示的酶解系统进行含纤维素原料的酶解。其中，所述预混装置1的预混管道11的长度为8米，内径为0.5米；螺旋进给器14包括轴和设置在轴上的螺旋叶片，所述螺旋叶片的外沿与预混管道11的内壁之间存在间隙，所述螺旋叶片的螺距相等。在所述预混管道11的端部还设置有与所述螺旋叶片动力连接的驱动装置。主酶解阶段所用的主酶解装置2的罐体21的高径比为3:1，设置在所述罐体21内的3个倒置的圆锥形隔板23的锥角α为120°；隔板23的中心具有通孔，且通孔的孔径大于搅拌轴22的外直径，以保证搅拌轴22的顺利转动，隔板23上还平均分布有用于卸料的通孔，隔板23上的通孔的孔隙率为50％，孔直径大小为1mm。且被隔板23分隔的相邻两个酶解空间的容积比为1.5。间歇酶解阶段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(罐体顶部具有进料口，罐体的下部具有出料口)。

黏度的测定:用粘度仪测定样品的黏度。将主酶解阶段取样获得的酶解产物，用粘度仪进行测验。具体方法参见国家标准GB/T10247-2008中有关旋转法的规定。

平均粒径的测定:用激光衍射法检测样品平均粒度的检测。将主酶解阶段取样获得的酶解产物，采用马尔文Mastersizer2000或300粒度仪进行样品平均直径的分析。

寡糖的测定方法：样品离心取上清，取其中10ml样品用质量分数为72％的硫酸，得到质量终浓度为4％的硫酸混合液，在120℃条件下酸解1h，得到酸解液，并配置糖回收率标准液，加质量浓度为72％的硫酸，得到质量终浓度为4％的硫酸混合液在120℃条件下酸解1h，作为对照。水解后用液相法分析单糖浓度，并减去初始样品中单糖浓度，获得折算糖浓度的寡糖浓度。具体参见NERL/TP-510-42623。

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)含纤维素原料的前处理

将2222千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4000千克蒸汽爆破产物(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BioradAminexHPX-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4000千克蒸汽爆破产物中共含纤维素808千克。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4000千克蒸汽爆破产物中共含半纤维素192千克。

(2)含纤维素原料的预混合

如图3所示，在预混步骤，在60℃下，将4000千克蒸汽爆破的含纤维素原料从进料口12连续引入预混装置1的预混管道11中(进料速度为300千克/小时)，将pH值调节剂质量含量为40％的氢氧化钠溶液，从pH值调节剂入口15连续引入预混管道11中，通过驱动装置驱动螺旋进给器14，在螺旋进给器14的螺旋叶片的搅拌和挤压下，将pH调节剂充分浸入蒸汽爆破的含纤维素原料，并搅拌混合，调节氢氧化钠溶液流入的速度，使得所述含纤维素原料的pH值为5.5。将纤维素酶从预混酶入口16连续引入预混管道11中，预混阶段纤维素酶的加入量为预混阶段和酶解阶段纤维素酶总用量的10％(预混阶段纤维素酶的加入总量为1.62×10⁶酶活力单位)，因此，纤维素酶的加入量为1.2×10⁵酶活力单位/小时，继续在螺旋叶片的搅拌和挤压下，将pH值为5.5的蒸汽爆破的含纤维素原料与所述纤维素酶混合，混合时间为0.5分钟，并通过螺旋进给器14将预混后的混合物从出料口13连续排出预混管道11。

(3)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。如图3所示，所述主酶解阶段在主酶解装置2中进行，经从预混装置1的出料口13连续排出的预混后的混合物通过主酶解装置2罐体21顶部的含纤维素原料入口26连续送入主酶解阶段的主酶解装置2中，将纤维素酶和半纤维素酶从罐体21顶部的酶入口27连续引入罐体21中，使得经预混的含纤维素原料与酶的混合物沿罐体21的高度方向从上到下依次从被隔板23分隔的四个酶解空间经过。主酶解装置2中的温度为50℃，所述经预混的含纤维素原料的加入量为300千克/小时。以含纤维素原料中的每克纤维素计，所述纤维素酶的用量为20酶活力单位，半纤维素酶的加入量为加入纤维素酶总重量的10％。所述连续酶解阶段，酶的加入量为预混步骤和酶解过程酶的总用量的80％(主酶解阶段总酶用量为1.3×10⁷酶活力单位)。因此，连续加入主酶解装置2中的纤维素酶的加入量为9.6×10⁵酶活力单位/小时。经过多阶段的连续酶解之后，酶解产物从物料出口28被连续从罐体21中排出，将主酶解阶段的酶解产物取样(主酶解阶段的酶解时间为3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，离心收集上层清液。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酶解产物中，单糖含量为87g/L，其中葡萄糖含量为45g/L，木糖含量为30g/L，阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖总含量为12g/L；以最终降解为葡萄糖含量计，可溶性葡聚糖含量为70g/L；以最终降解为木糖含量，可溶性木聚糖含量为18g/L；粘度为400cp，平均粒径为50μm。

将由所述主酶解阶段的酶解产物从物料出口28被连续从罐体21中排出，分别依次连续送入与其连通的间歇酶解装置4的4个并联的酶解罐中进行间歇酶解，并在每个酶解罐中加入纤维素酶，酶的加入量为预混步骤和酶解过程酶的总用量的10％，因此，在间歇酶解阶段纤维素酶的总量为1.6×10⁶酶活力单位(每个间歇酶解装置中纤维素酶的用量为0.4×10⁶酶活力单位)。并在在上述酶解条件下保温混合66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204克/升，葡萄糖总量为共720千克，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647千克，测定并计算出酶解产物中的木糖共187千克，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164千克。按照下式计算纤维素、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/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的方法进行含纤维素原料的酶解，不同的是，在主酶解步骤中，将经过预混合的物料一次全部加入到一个含黏度为200cp酶解液的酶解罐中，然后与纤维素酶和半纤维素酶混合均匀(全部蒸汽爆破产物与酶解液的重量比为1.4:1，pH值为5.5，酶解温度为50℃，相对于每克纤维素原料的干重，纤维素酶的用量为20酶活力单位，半纤维素酶的用量为纤维素酶重量的10％)，纤维素酶和半纤维素酶的用量与实施例1相同，酶解时间为72小时。其中，黏度为200cp酶解液的糖浓度含量为：葡萄糖含量80g/L，木糖含量50g/L，其他成分在本实施例中不计入计算；酶解结束以后，按含糖总量减去原酶解液中的糖含量与体积，并按照实施例1的方法和公式计算纤维素、半纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

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，不包括预混步骤(2)，在酶解步骤(3)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含黏度为200cp酶解液的酶解罐中，然后与纤维素酶和半纤维素酶混合均匀(全部蒸汽爆破产物与水的重量比为1.4:1，pH值为5.5，酶解温度为50℃，相对于每克纤维素原料的干重，纤维素酶的用量为20酶活力单位，半纤维素酶的用量为纤维素酶重量的10％)，纤维素酶(包括实施例1中预混部分所用酶的量)和半纤维素酶的用量与实施例1相同，酶解时间为72小时。并按照实施例1的方法和公式计算纤维素、半纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

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的方法进行含纤维素原料的酶解，不同的是：

步骤(2)的预混步骤中，在60℃下，将4000千克蒸汽爆破的含纤维素原料从进料口12连续引入预混装置1的预混管道11中(进料速度为320千克/小时)，将pH值调节剂质量含量为40％的氢氧化钠溶液，从pH值调节剂入口15连续引入预混管道11中，通过驱动装置驱动螺旋进给器14，在螺旋进给器14的螺旋叶片的搅拌和挤压下，将pH调节剂充分浸入蒸汽爆破的含纤维素原料，并搅拌混合，调节氢氧化钠溶液流入的速度，使得所述含纤维素原料的pH值为4。将纤维素酶从预混酶入口16连续引入预混管道11中，预混阶段纤维素酶的加入量为预混阶段和酶解阶段纤维素酶总用量的30％(预混阶段总酶用量为2.4×10⁶酶活力单位)，因此，预混阶段纤维素酶的加入量为1.92×10⁵酶活力单位/小时，继续在螺旋叶片的搅拌和挤压下，将pH值为4的蒸汽爆破的含纤维素原料与所述纤维素酶混合，混合时间为2分钟，并通过螺旋进给器14将预混后的混合物从出料口13连续排出预混管道11。

步骤(3)的酶解步骤中，主酶解装置2中的温度为40℃，所述经预混的含纤维素原料的加入量为320千克/小时，以含纤维素原料中的每克纤维素计，所述纤维素酶的用量为10酶活力单位，所述连续酶解阶段，酶的加入量为预混步骤和酶解过程酶的总用量的70％(主酶解阶段总酶用量为5.7×10⁶酶活力单位)，因此，连续加入主酶解装置2中的纤维素酶的加入量为4.5×10⁵酶活力单位/小时，不加入半纤维素酶。设置在所述罐体21内的为2个倒置的圆锥形隔板23的锥角α为120°，将罐体21分隔成3个酶解空间，将酶从罐体21顶部的酶入口27和/或罐体21侧部的补充酶入口29被连续引入罐体21中，分别连续向第一层、第二层和第三层酶解空间中加入的酶的量分别占该主酶解阶段纤维素酶的总加入量的40％、30％和30％。经过多阶段的连续酶解之后，酶解产物从物料出口28被连续从罐体21中排出，将主酶解阶段的酶解产物取样(主酶解阶段的酶解时间为3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，离心收集上层清液。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酶解产物中，单糖含量为57g/L，其中葡萄糖含量为26g/L，木糖含量为25g/L，阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖总含量为6g/L；以最终降解为葡萄糖含量计，可溶性葡聚糖含量为55g/L；以最终降解为木糖含量，可溶性木聚糖含量为40g/L；粘度为487cp，平均粒径为44μm。

将由所述主酶解阶段的酶解产物从物料出口28被连续从罐体21中排出，分别依次连续送入与其连通的间歇酶解装置4的4个并联的酶解罐中进行间歇酶解，并在在上述酶解条件下保温混合66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108克/升，葡萄糖总量为共404千克。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364千克，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。

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的方法进行含纤维素原料的酶解，不同的是，在步骤(1)中，将1333千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160℃下维持1.0兆帕的压力4分钟，然后泄压，完成蒸汽爆破。共得到4000千克蒸汽爆破产物(含水量为70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5克所述水洗后的蒸汽爆破产物在45℃下烘干至恒重1.5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℃水浴中加热60分钟，每隔5分钟用搅拌一次以确保均匀水解。水浴结束后，用去离子水使硫酸的浓度稀释到4重量％。用布氏漏斗过滤所述稀释后的蒸汽爆破产物酸水解液，共得到滤液84毫升。将20毫升滤液转移至干燥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。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，所得上层清液的滤液用BioradAminexHPX-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1.77毫克/毫升，计算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为0.117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的重量的1.11倍，即1克所述水洗后的蒸汽爆破产物中含纤维素0.105克，则4000千克蒸汽爆破产物中共含纤维素420千克。HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中木糖浓度为0.49毫克/毫升，计算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为0.041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中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的重量的1.14倍，即1克蒸汽爆破产物中含半纤维素0.036克，则4000千克蒸汽爆破产物中共含半纤维素144千克。

并按照实施例1的步骤(2)的方法进行含纤维素原料的预混合和步骤(3)的酶解，得出由主酶解阶段的酶解产物中，单糖含量为45g/L，其中葡萄糖含量为18g/L，木糖含量为20g/L，阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖总含量为7g/L；以最终降解为葡萄糖含量计，可溶性葡聚糖含量为32g/L；以最终降解为木糖含量，可溶性木聚糖含量为15g/L；粘度为100cp，平均粒径为25μm。

酶解终点的酶解产物中葡萄糖为64克/升，葡萄糖总量为共421千克。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378千克，酶解终点的酶解产物中的木糖共148千克，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130千克，并按照实施例1的方法和公式计算纤维素、半纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

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。

按照实施例1的方法进行含纤维素原料的酶解，不同的是，在步骤(3)的酶解步骤中，在连续酶解阶段，将纤维素酶和半纤维素酶从罐体21顶部的酶入口27和罐体21侧部的三个补充酶入口29连续引入罐体21中，分别连续向第一层、第二层、第三层和第四层酶解空间中加入的酶的量分别占该主酶解阶段纤维素酶的总加入量的30％、25％、25％和20％。得出由主酶解阶段的酶解产物中，单糖含量为100g/L，其中葡萄糖含量为52g/L，木糖含量为33g/L，阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖总含量为15g/L；以最终降解为葡萄糖含量计，可溶性葡聚糖含量为102g/L；以最终降解为木糖含量，可溶性木聚糖含量为24g/L；粘度为100cp，平均粒径为40μm。

酶解终点的酶解产物中葡萄糖为210克/升，葡萄糖总量为共762千克。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687千克，酶解终点的酶解产物中木糖共197千克，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172千克；并按照实施例1的方法和公式计算纤维素、半纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

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的方法进行含纤维素原料的酶解，不同的是，在步骤(3)的酶解步骤中，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，半纤维素酶的加入量为加入纤维素酶总重量的10％。

酶解终点的酶解产物中葡萄糖为183克/升，葡萄糖总量为共628千克。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566千克，酶解终点的酶解产物中的木糖共175千克，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154千克，并按照实施例1的方法和公式计算纤维素、半纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。

表1

由上表1中对比例1与实施例2的数据比较可知，在将含纤维素原料进行酶解之前，增加预混步骤能够显著提高酶解效率，即在相同酶解周期下，可以有效提升酶的利用率，表现在显著提高了纤维素的转化率、半纤维素的转化率和单糖产率。此外，由实施例1的数据可知，采用本发明的优选的酶解方法能够在酶解体系中干物含量保持一定范围内的情况下，实现干物料与酶的连续混合酶解，使得含纤维素原料与酶的混合物沿罐体的高度方向从上到下依次从被隔板分隔的每个酶解空间经过而进行多阶段酶解的过程中，酶解产物的粘度和平均粒径逐渐降低，解决了由于酶解过程的黏度过大造成的粘连、混合难的技术问题，同时，可溶性寡糖，如木寡糖、葡寡糖、纤维二糖；单糖，如葡萄糖、木糖的浓度逐渐上升，实现了在有效控制酶解产物的粘度、颗粒大小的前提下不断提高寡糖和单糖的含量，而进一步提高了产糖效率。进一步地，由实施例5与实施例1的数据比较可知，优化酶的加入方式，能够进一步提高酶解效率。

Claims (23)

1.一种含纤维素原料的酶解方法，该方法包括将含纤维素原料酶解，得到酶解产物，其特征在于，在将含纤维素原料酶解之前，该方法还包括预混步骤，所述预混步骤包括：在搅拌和挤压下，先将含纤维素原料与pH值调节剂混合，调节所述含纤维素原料的pH值为4-6，然后将pH值为4-6的含纤维素原料与酶混合，所述含纤维素原料的干物质含量为15-50重量％。

2.根据权利要求1所述的酶解方法，其中，将含纤维素原料与pH值调节剂混合的条件包括：温度为50-60℃。

3.根据权利要求1所述的酶解方法，其中，将pH值为4-6的含纤维素原料与酶混合的条件包括：温度为50-60℃，酶的用量为预混步骤和酶解过程酶总加入量的10-30％。

4.根据权利要求1所述的酶解方法，其中，所述含纤维素原料的干物质含量为20-40重量％。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的酶解方法，其中，所述预混步骤在预混装置(1)中进行，所述预混装置(1)包括预混管道(11)，所述预混管道(11)的一端设置有进料口(12)，另一端设置有出料口(13)，且所述预混管道(11)的内部设置有用以将物料从进料口(12)向出料口(13)连续推进的螺旋进给器(14)，在靠近进料口(12)一端的预混管道(11)上设置有pH值调节剂入口(15)，在靠近出料口(13)一端的预混管道(11)上设置有预混酶入口(16)。

6.根据权利要求5所述的酶解方法，其中，所述预混步骤包括：将含纤维素原料从进料口(12)连续引入预混管道(11)中，将pH值调节剂从pH值调节剂入口(15)连续引入预混管道(11)中，将酶从预混酶入口(16)连续引入预混管道(11)中，在螺旋进给器(14)的搅拌和挤压下，将含纤维素原料先后与pH调节剂以及酶混合，并通过螺旋进给器(14)将预混后的含纤维素原料从出料口(13)连续排出预混管道(11)，经过预混的含纤维素原料的干物质含量为15-50重量％，优选为20-40重量％。

7.根据权利要求1所述的酶解方法，其中，酶解体系中的水分在酶解混合物中的含量保持在50-85重量％，将含纤维素原料酶解的过程分多阶段进行，所述多阶段包括主酶解阶段和主酶解阶段以后的间歇酶解阶段，在主酶解阶段中，在搅拌下，间歇或者连续地，优选连续地将含纤维素原料与酶混合，使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中可溶性寡糖以最终降解为单糖含量计为10-150g/L，单糖的含量为10-100g/L，酶解产物的粘度为100-500cp，酶解产物的平均粒径为20-50μm。

8.根据权利要求7所述的酶解方法，其中，所述主酶解阶段在主酶解装置(2)中进行，所述主酶解装置(2)包括罐体(21)、包覆在罐体(21)外周的设置有入口和出口的夹套和设置在所述罐体(21)内的搅拌轴(22)以及隔板(23)，所述隔板(23)沿着罐体(21)高度方向上将罐体(21)分隔成多个酶解空间，且隔板(23)上具有能够使被隔板(23)分隔的相邻两个酶解空间相连通的通孔，在被隔板(23)分隔的每个酶解空间中的搅拌轴(22)部分的长度方向上均设置有搅拌器，所述主酶解装置(2)还包括与罐体(21)相通的含纤维素原料入口(26)、酶入口(27)和物料出口(28)。

9.根据权利要求8所述的酶解方法，其中，所述隔板(23)的数量为2-5个，且被隔板(23)分隔的相邻两个酶解空间的容积比为0.5-2.5，优选相邻两个酶解空间的容积比为1.3-1.8。

10.根据权利要求8或9所述的酶解方法，其中，所述隔板(23)为平板或者倒置的锥板，优选为倒置的锥板，该锥板的锥角为大于或等于60至小于180°，优选为60-150°。

11.根据权利要求8或9所述的酶解方法，其中，同一隔板上分布的通孔大小相同，且沿着罐体(21)的高度方向由上向下分布的隔板(23)上的通孔孔径依次减小，隔板(23)上的通孔的孔隙率为10-90％，优选为40-90％，孔直径大小为0.1-10毫米。

12.根据权利要求8所述的酶解方法，其中，所述含纤维素原料入口(26)和酶入口(27)设置在罐体(21)的顶部，所述物料出口(28)设置在罐体(21)的底部。

13.根据权利要求8所述的酶解方法，其中，设置在搅拌轴(22)下端的搅拌器为涡轮式搅拌器(24)，设置在该涡轮式搅拌器上方的其它搅拌器为旋桨式搅拌器(25)。

14.根据权利要求8所述的酶解方法，其中，所述主酶解装置(2)还包括设置在罐体(21)的侧部、分别与被隔板(23)分隔的空间相连通的补充酶入口(29)。

15.根据权利要求8-14中任意一项所述的酶解方法，其中，所述主酶解阶段的酶解方法包括：将含纤维素原料间歇或连续地，优选连续地引入罐体(21)中以及将酶间歇或连续地，优选连续地引入罐体(21)中之前、同时或之后启动搅拌轴(22)，使搅拌轴(22)带动搅拌器转动，在搅拌下，使得含纤维素原料与酶的混合物沿罐体(1)的高度方向从上到下依次从被隔板(23)分隔的每个酶解空间经过，经过多阶段的酶解之后，将酶解产物从罐体(21)中排出。

16.根据权利要求15所述的酶解方法，其中，含纤维素原料从含纤维素原料入口(26)被连续引入罐体(21)中，酶从酶入口(27)和/或补充酶入口(29)被连续引入罐体(21)中，优选，主酶解阶段酶用量的20-90％的酶从酶入口(27)被连续引入罐体(21)中，主酶解阶段酶用量的10-80％的酶从补充酶入口(29)被连续引入罐体(21)中，酶解产物从物料出口(28)被从罐体(21)中连续排出。

17.根据权利要求15所述的酶解方法，其中，所述主酶解阶段的酶解条件包括：酶解温度为30-60℃，优选为45-55℃，主酶解阶段中酶的用量为预混步骤和酶解过程酶总加入量的50-80％。

18.根据权利要求7所述的酶解方法，其中，所述间歇酶解阶段包括多个，优选为2-4个并联的酶解罐，经过主酶解阶段得到的酶解产物分别间歇或连续地，优选连续地引入间歇酶解阶段的多个酶解罐中进行间歇酶解，直至间歇酶解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80-240g/L。

19.根据权利要求18所述的酶解方法，其中，该方法还包括在间歇酶解阶段，分别向间歇酶解阶段的每个酶解罐中加入酶，所述间歇酶解阶段的酶解条件包括：酶解温度为30-60℃，优选为45-55℃，间歇酶解阶段中酶的用量为预混步骤和酶解过程酶总加入量的10-40％。

20.根据权利要求3、7、17、18和19中任意一项所述的酶解方法，其中，酶解使用的酶包括纤维素酶，以含纤维素原料中的每克纤维素计，所述纤维素酶的用量为6-20酶活力单位。

21.根据权利要求3、7、17、18和19中任意一项所述的酶解方法，其中，酶解使用的酶还包括半纤维素酶、果胶酶和蛋白酶中的一种或多种，以纤维素酶的重量含量计，半纤维素酶、果胶酶和蛋白酶的总重量与纤维素酶重量之比为1:1-100，优选为1:1-10。

22.根据权利要求1-4和7中任意一项所述的方法，其中，所述含纤维素原料为蒸汽爆破的含纤维素原料。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述含纤维素原料为秸秆和/或麦草。