CN107488651A - 一种回收利用酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种回收利用酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法，包括如下步骤：1)将木质纤维原料或者是预处理后的木质纤维原料与纤维素酶进行酶水解反应；2)将水解产物固液分离，得到含有纤维素酶的固体水解剩余物；3)向固体剩余物中添加非离子表面活性剂；4)将固体水解剩余物作为酶试剂重新添加到新鲜木质纤维原料或预处理后木质纤维原料的水解体系中进行水解反应。本发明可实现对水解剩余物上吸附的纤维素酶的回收利用，从而节约纤维素酶的用量，降低其制备生物能源和化学品的生产成本，且工艺简单，适于大规模操作，具有广阔的工业化前景。

Description

一种回收利用酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法
技术领域
本发明属于生物质回收利用的技术领域，具体涉及一种回收利用木质纤维原料酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法。
背景技术
燃料乙醇作为可再生液体燃料的代表之一，具有可替代化石燃料资源，降低石油资源对外依存度，减少温室气体排放等优点，近年来受到世界各国的广泛关注。利用富含纤维素和半纤维素的木质纤维原料生产燃料乙醇具有重大的现实意义，但是其生产成本，尤其是纤维素酶降解成本较高，严重限制了生物乙醇的工业化生产，据估计，酶制剂的成本约占据生物乙醇制备工艺总成本的25％以上。因此，迫切需要开发工艺对纤维素酶进行回收再利用，减少酶的使用量，从而降低生物乙醇的生产成本。
目前，对于纤维素酶的回收技术，研究较多的是酶水解液中的游离纤维素酶的回用，然而，除了水解液中，还有一部分纤维素酶吸附在水解剩余物中；并且固体水解剩余物中的纤维素酶依然具有较强的水解木质纤维原料的能力，基于此，本发明人提出了一种直接回收利用木质纤维原料固体水解剩余物中纤维素酶的方法，以提高纤维素酶的利用效率，从而降低生产成本。
发明内容
本发明的目的在于针对传统酶水解工艺吸附于固体水解剩余物中的纤维素酶未充分利用的问题，提供一种回收利用水解剩余物中纤维素酶的方法，以提高纤维素酶的利用率，降低生物乙醇生产过程中纤维素酶的成本。
本发明的技术解决方案是提供一种回收利用酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法，包括以下步骤：
步骤一：将木质纤维原料或者是预处理后的木质纤维原料与纤维素酶进行酶水解反应；
步骤二：将步骤一水解反应后的反应液进行固液分离，得到含有纤维素酶的固体水解剩余物；
步骤三：向步骤二得到的固体水解剩余物中添加非离子表面活性剂后，剩余物中的部分纤维素酶会被脱附到水溶液中，作为酶试剂重新添加到新鲜木质纤维原料或预处理后木质纤维原料的水解体系中进行酶水解反应。
优选地，上述非离子表面活性剂为吐温或聚乙二醇。
优选地，上述非离子表面活性剂在体系中浓度为1～2.5mg/mL。
优选地，上述木质纤维原料为玉米秸秆、玉米芯、甘蔗渣、麦秆、稻草类禾草科植物、杨木类阔叶材或云杉类针叶材。
优选地，经过稀酸、稀碱化学方法、粉碎研磨物理方法、蒸汽爆破或水热物理化学方法预处理木质纤维原料。
优选地，步骤一中纤维素酶用量为10-40FPU/g底物。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种回收利用酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法，可有效的避免吸附到固体水解剩余物中纤维素酶的浪费，极大地提高了纤维素酶的利用效率；
2、本发明通过添加助剂非离子表面活性剂来提高水解剩余物中纤维素酶的水解效率，避免了大量补加昂贵的纤维素酶制剂，极大地节约了酶制剂成本；
3、本发明的方法工艺简单、操作方便、成本低廉、适于大规模应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的描述，但不作为对本发明的限定。
实施例一
称取5g氨水预处理后的玉米秸秆置于三角瓶中，加入一定量的纤维素酶和木聚糖酶，加水，使底物浓度为6％(w/v)，其中w为底物的质量，v为加入水的体积，纤维素酶剂量为10FPU/g底物，木聚糖酶剂量为1000nkat/g底物，控制水解体系pH等于4.5，调节恒温振荡器的温度为45℃，将三角瓶置于恒温振荡器中振荡水解。水解48小时后，取出水解液，固液分离得到水解剩余物。在固体水解剩余物中加入一定量的水，4℃下脱吸60min，固液分离，得到上清液，对上清液中纤维素酶的活力进行分析。分析结果表明25％(相对于最初水解时加入的纤维素酶总量)的纤维素酶从水解剩余物中脱吸出来。
实施例二
称取5g稀酸预处理后的甘蔗渣置于三角瓶中，加入一定量的纤维素酶和木聚糖酶，加水，使底物浓度为6％(w/v)，其中w为底物的质量，v为加入水的体积，纤维素酶浓度为20FPU/g底物、木聚糖酶浓度为1000nkat/g底物，控制水解体系pH等于4.5，调节恒温振荡器的温度为50℃，将三角瓶置于恒温振荡器中振荡，持续进行水解。水解48小时后，取出水解液，固液分离得到水解剩余物。在固体水解剩余物中加入一定量的水以及新鲜的稀酸预处理后的甘蔗渣，使新鲜的稀酸预处理后的甘蔗渣的底物浓度为6％(w/v)，控制反应体系pH等于4.5，温度为50℃，于恒温振荡器中再次进行水解。水解48小时后，取出水解液，用沸水浴处理10分钟使纤维素酶失去活力，冷却后离心，取上清液，采用高效液相色谱法分析其中的葡萄糖和木糖含量。分析结果表明新添加的甘蔗渣中35％的纤维素的转化为了葡萄糖，25％的木聚糖转化为了木糖。
实施例三：
称取5g蒸汽爆破预处理后的杨木置于三角瓶中，加入一定量的纤维素酶和木聚糖酶，加水，使底物浓度为6％(w/v)，其中w为底物的质量，v为加入水的体积，纤维素酶浓度为40FPU/g底物、木聚糖酶浓度为1000nkat/g底物，控制水解体系pH等于5.0，调节恒温振荡器的温度为50℃，将三角瓶置于恒温振荡器中振荡，持续进行水解。水解48小时后，取出水解液，固液分离得到水解剩余物。在水解剩余物中加入一定量的水以及新鲜的蒸汽爆破预处理后的杨木，使新添加的蒸汽爆破预处理后的杨木的底物浓度为6％(w/v)，控制反应体系pH等于5.0，温度为45℃，于恒温振荡器中再次进行水解。水解48小时后，取出水解液，用沸水浴处理10分钟使纤维素酶失去活力，冷却后离心，取上清液，采用高效液相色谱法分析其中的葡萄糖和木糖含量。分析结果表明新添加的杨木中55％的纤维素的转化为了葡萄糖，45％的木聚糖转化为了木糖。
实施例四：
称取5g稀酸预处理后的云杉置于三角瓶中，加入一定量的纤维素酶和木聚糖酶，加水，使底物浓度为6％(w/v)，其中w为底物的质量，v为加入水的体积，纤维素酶浓度为20FPU/g底物、木聚糖酶浓度为1000nkat/g底物，控制水解体系pH等于5.0，调节恒温振荡器的温度为50℃，将三角瓶置于恒温振荡器中振荡水解。水解48小时后，取出水解液，固液分离得到水解剩余物。在水解剩余物中加入一定量的水、新鲜的稀酸预处理后的云杉以及纤维素酶以及助剂乙二醇4000，使新添加的预处理后的云杉的底物浓度为6％(w/v)、新添加纤维素酶浓度为10FPU/g底物、聚乙二醇4000浓度为2.5mg/mL，控制反应体系pH等于5.0，温度为50℃，于恒温振荡器中再次进行水解。水解48小时后，取出水解液，用沸水浴处理10分钟使纤维素酶失去活力，冷却后离心，取上清液，采用高效液相色谱法分析其中的葡萄糖和木糖含量。分析结果表明新添加的云杉中75％的纤维素的转化为了葡萄糖，65％的木聚糖转化为了木糖。
实施例五：
称取5g稀碱预处理后的小麦秸秆置于三角瓶中，加入一定量的纤维素酶和木聚糖酶，加水，使底物浓度为6％(w/v)，其中w为底物的质量，v为加入水的体积，纤维素酶浓度为20FPU/g底物、木聚糖酶浓度为500nkat/g底物，控制水解体系pH等于5.0，温度为50℃，于恒温振荡器中持续进行水解。水解48小时后，取出水解液，固液分离得到固体水解剩余物。在水解剩余物中加入一定量的水、新鲜的稀碱预处理后的小麦秸秆、纤维素酶以及助剂吐温80，使新添加的稀碱预处理后的小麦秸秆浓度为6％(w/v)、新添加纤维素酶浓度为10FPU/g底物、吐温80浓度为2.5mg/mL，控制反应体系pH等于5.0，温度为50℃，于恒温振荡器中再次进行水解。水解48小时后，取出水解液，用沸水浴处理10分钟使纤维素酶失去活力，冷却后离心，取上清液，采用高效液相色谱法分析其中的葡萄糖和木糖含量。分析结果表明新添加的小麦秸秆中85％的纤维素的转化为了葡萄糖，80％的木聚糖转化为了木糖。
实施例六：
称取5g稀酸预处理后的甘蔗渣置于三角瓶中，加入一定量的纤维素酶和木聚糖酶，加水，使底物浓度为6％(w/v)，其中w为底物的质量，v为加入水的体积，纤维素酶浓度为20FPU/g底物、木聚糖酶浓度为1000nkat/g底物，控制水解体系pH等于4.5，调节恒温振荡器的温度为50℃，将三角瓶置于恒温振荡器中振荡，持续进行水解。水解48小时后，取出水解液，固液分离得到水解剩余物。在水解剩余物中加入一定量的水、新鲜的稀酸预处理后的甘蔗渣、吐温80，使新鲜的稀酸预处理后的甘蔗渣的底物浓度为6％(w/v)，吐温80浓度为1mg/mL，控制反应体系pH等于4.5，温度为50℃，于恒温振荡器中再次进行水解。水解48小时后，取出水解液，用沸水浴处理10分钟使纤维素酶失去活力，冷却后离心，取上清液，采用高效液相色谱法分析其中的葡萄糖和木糖含量。分析结果表明新添加的甘蔗渣中45％的纤维素的转化为了葡萄糖，30％的木聚糖转化为了木糖。

Claims (6)

1.一种回收利用酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将木质纤维原料或者是预处理后的木质纤维原料与纤维素酶进行酶水解反应；
步骤二：将步骤一水解反应后的反应液进行固液分离，得到含有纤维素酶的固体水解剩余物；
步骤三：向步骤二得到的固体水解剩余物中添加非离子表面活性剂后，作为酶试剂重新添加到新鲜木质纤维原料或预处理后木质纤维原料的水解体系中进行酶水解反应。
2.根据权利要求1所述的一种回收利用酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法，其特征在于：所述非离子表面活性剂为吐温或聚乙二醇。
3.根据权利要求2所述的一种回收利用酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法，其特征在于：所述非离子表面活性剂在体系中浓度为1～2.5mg/mL。
4.根据权利要求2所述的一种回收利用酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法，其特征在于：所述木质纤维原料为玉米秸秆、玉米芯、甘蔗渣、麦秆、稻草类禾草科植物、杨木类阔叶材或云杉类针叶材。
5.根据权利要求4所述的一种回收利用酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法，其特征在于：经过稀酸、稀碱化学方法、粉碎研磨物理方法、蒸汽爆破或水热物理化学方法预处理木质纤维原料。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种回收利用酶水解固体剩余物中纤维素酶的方法，其特征在于：步骤一中纤维素酶用量为10-40FPU/g底物。
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