CN107916284A - 以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术 - Google Patents

以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，步骤为：将预处理的木质纤维素与酶解介质的按一定固液比进行混合，然后添加纤维素酶，进行酶解获得含有可发酵糖的水解液。本发明为了减少木质纤维素酶解糖化过程中水的消耗、且保持酶解糖化过程的传热、传质速度，本发明用聚乙二醇取代部分水，将聚乙二醇/水混合物作为酶解介质用于木质纤维素的酶解糖化过程中，既减少了水的用量、同时也使反应体积的粘度得到有效控制，体系传热传质得到有效保障，木质纤维素酶解效率未受影响，所获得木质纤维素酶水解液的还原糖浓度大幅度提高。

Description

以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术
技术领域
本发明属于木质纤维素酶水解技术领域，具体涉及一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭和环境污染的日益加剧，可再生清洁能源燃料乙醇的开发和利用受到了人们的广泛关注。传统的乙醇发酵以糖或淀粉为原料，二者都是食物的主要来源，以粮食为原料生产燃料乙醇已经对世界粮食安全构成了威胁，寻找其它原料替代粮食势在必行。木质纤维素作为自然界最为丰富且廉价的可再生资源，其主要成分纤维素半纤维素是潜在的燃料乙醇的生产原料，利用木质纤维素生产燃料乙醇成为世界各国研究的热点。木质纤维素原料酶解获得的可发酵糖浓度决定其后续发酵产乙醇的浓度，而乙醇浓度决定其蒸馏能耗，从而影响其工业化生产的可行性。
水是木质纤维素酶解发酵过程中必不可少的介质，然而水资源是不可再生的，由于其较低的沸点和易挥发性导致在纤维素乙醇生产过程中必然造成大量的消耗，而且分离低浓度的乙醇水溶液也会造成大量的能量消耗，如何节约水耗和能耗已经成为生产纤维素乙醇的主要技术瓶颈。选择高沸点且与纤维素酶、发酵微生物具有生物兼容性的化学物质全部或者部分替代水作为纤维素乙醇生产的酶解、发酵介质具有重要研究意义和工业价值。
文献(Biotechnology and Bioprocess Engineering 16:930-936(2011))将根据木质素对聚乙二醇的吸附原理将其作为添加剂(0.025g/g)应用于预处理的玉米秸秆的酶解过程，用于阻碍木质素对纤维素酶的无效吸附，可提高酶解效率17％，还原糖浓度提高7.0g/L。专利CA20130416058.X公开了聚乙二醇可以部分替代水作为发酵介质用于乙醇生产，由此可见聚乙二醇不仅具有沸点高、低挥发性的特点，还对很多生物催化剂具有较好的生物兼容性。如果能够用聚乙二醇部分取代水作为酶解介质用于木质纤维素的酶水解过程，不仅能够节约水耗，还能够提高葡萄糖在水中的浓度，对于产生的葡萄糖溶液用于后续生产乙醇的分离提纯过程中可有效减少蒸馏能耗、节约成本，且不减少乙醇产量。
发明内容
本发明的目的是针对木质纤维素酶解糖化过程中的水耗问题，提供一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术。
为了实现本发明目的，减少木质纤维素酶解糖化过程中水的消耗、且保持酶解糖化过程的传热、传质速度，本发明采用聚乙二醇/水混合物作为介质用于木质纤维素的酶解糖化过程中，在保持酶解效率不降低的前提下有效提高纯水中葡萄糖浓度。
一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，步骤为：
将预处理的木质纤维素与酶解介质的按一定固液比进行混合，然后添加纤维素酶，进行酶水解获得含有可发酵糖的水解液。
具体为：
将预处理的木质纤维素原料与酶解介质按照固液比5-50％g/ml进行混合，然后添加纤维素酶为10-80FPU/g木质纤维素原料，在PH为4.0-5.5、温度为40-60℃、转速为130-160rpm条件下，酶解2-120h。
所述的酶解介质为聚乙二醇与水的混合物，聚乙二醇与水的质量比为2％-50％。
所述的为聚乙二醇的分子量为200-8000；优选为200-1000。
所述的木质纤维素原料来自农业废弃物、林业废弃物、专门的能源作物或/和各种含纤维素的废弃物；
所述农业废弃物为小麦秸秆、玉米秸秆或/和稻草；
所述林业废弃物为伐木产生的枝叶、废弃木头或/和木屑；
所述专门的能源作物为甜高粱或/和柳枝程；
所述各种含纤维素的废弃物为城市固体垃圾、废纸或/和甘蔗渣。
本发明的有益效果：用聚乙二醇取代部分水做为发酵介质，不仅可以改善高固体含量木质纤维酶解的传热、传质效果；还可以在保持酶解效率的前提下提高葡萄糖在纯水中的浓度；而且根据已有的工作报道，以聚乙二醇/水混合物作为酶解介质，所获得的酶解液无需额外脱毒可直接用于发酵生产纤维素乙醇。
相对现有技术，本发明的优点在于：本发明通过采用聚乙二醇/水混合物作为酶解糖化介质，对预处理的纤维素底物可直接进行酶解糖化，在减少水用量的情况下使反应体积的粘度得到有效控制，体系传热传质未受影响。木质纤维素还原糖酶水解液的获得可提高后期乙醇发酵浓度并降低乙醇蒸馏能耗，从而降低纤维素燃料乙醇生产成本。
附图说明
图1聚乙二醇/水中汽爆速生杨的酶解效率；
图2聚乙二醇/水中汽爆速生杨产葡萄糖浓度；
图3聚乙二醇/水中低固含量汽爆速生杨酶解效率；
图4聚乙二醇/水中低固含量汽爆速生杨产葡萄糖浓度；
图5聚乙二醇/水中沃特曼滤纸酶解效率；
图6聚乙二醇/水中沃特曼滤纸酶解产葡萄糖浓度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围不受实施例的限制，下述实施例和说明书中描述的内容只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
另外，值得说明的是，以下各实施例中发酵液中各组分的含量测定采用高效液相色谱仪(Agilent 1260)，依据木质纤维素底物的投料量计算其酶解率，依据发酵液中葡萄糖质量、发酵介质体积计算葡萄糖浓度。
色谱条件为：离子交换柱，柱温为65℃，视差折光检测器，检测器为50℃；流动相：5Mm H2SO4，流速0.6ml/min，进样量25uL。
实施例1
将汽爆法预处理的速生杨原料(1.5g)与酶解介质按照固液比15％(g/ml)混合，酶解介质为聚乙二醇-1000(1.5克)/水(8.5ml)的混合物，然后添加15FPU/g底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃，转速为130-160rpm条件下条件下酶水解，酶解率及葡萄糖浓度如图1及图2所示,从图中数据可以看出，当用1.5克聚乙二醇取代部分去离子水作为媒介介质，从0小时到96小时的酶解终点，酶解率与葡萄糖浓度始终高于对比实施例1，而酶解96小时时葡萄糖浓度从50g/升提高到65g/L。
对比实施例1
将汽爆法预处理的速生杨原料(1.5g)与酶解介质按照固液比15％(g/ml)混合，酶解介质为去离子水(10ml，然后添加15FPU/g底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃，转速为130-160rpm条件下下酶水解，酶解率及葡萄糖浓度如图1及图2所示,从图中数据可以看出，当用去离子水作为媒介介质，葡萄糖浓度为50g/L。
实施例2
将汽爆法预处理的速生杨原料(1.5g)与酶解介质按照固液比10％(g/ml)混合，酶解介质为聚乙二醇-1000(1.5g)/水(8.5ml)的混合物，然后添加15FPU/g原料的纤维素酶，在pH为4.85、50℃，转速为130-160rpm条件下酶水解，酶解率及葡萄糖浓度如图3及图4所示,从图中数据可以看出，当用1.5克聚乙二醇取代部分去离子水作为媒介介质，酶解率没有下降，而葡萄糖浓度从35克/升提高到45克/L。
对比实施例2
将汽爆法预处理的速生杨原料(1.5g)与酶解介质按照固液比10％(g/ml)混合，酶解介质为去离子水(10ml)，然后添加15FPU/g原料的纤维素酶，在pH为4.85、50℃，转速为130-160rpm条件下酶水解，酶解率及葡萄糖浓度如图3及图4所示,从图中数据可以看出，当用1.5克去离子水作为媒介介质，葡萄糖浓度为35克/升。
实施例3
速生杨糠醛渣为原料(1.5克)与酶解介质按照固液比15％(g/ml)混合，酶解介质为聚乙二醇-1000(PEG-1000)1.5g与去离子水的混合物(10ml)，对比实施例1，改变纤维素酶用量，纤维素酶/木质纤维素原料为10FPU/g，在pH为4.85条件下酶水解，50℃，转速为130-160rpm条件下酶水解96小时，，酶解率及葡萄糖浓度如表1所示。
实施例4
速生杨糠醛渣为原料(1.5克)与酶解介质按照固液比15％(g/ml)混合，酶解介质为聚乙二醇-1000(PEG-1000)1.5g与去离子水的混合物(10ml)，对比实施例1，改变纤维素酶用量，纤维素酶/木质纤维素原料为30FPU/g，在pH为4.85条件下酶水解，50℃转速为130-160rpm条件下酶水解96小时，酶解率及葡萄糖浓度如表1所示。
实施例5
速生杨糠醛渣为原料(1.5克)与酶解介质按照固液比15％(g/ml)混合，酶解介质为聚乙二醇-1000(PEG-1000)1.5g与去离子水的混合物(10ml)，对比实施例1，改变纤维素酶用量，纤维素酶用量为为80FPU/g木质纤维素原料，在pH为4.85条件下酶水解，50℃条件下酶水解96小时，酶解率及葡萄糖浓度如表1所示。
表1.实施例3～5酶解率及葡萄糖浓度
由表1可以看出：随着纤维素酶用量增加酶解率及葡萄糖浓度均有提高。
实施例6
速生杨糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比15％(g/ml)混合，酶解介质为聚乙二醇-1000(PEG-1000)1.5g与去离子水的混合物(10毫升)，然后添加15FPU/g木质纤维素原料的纤维素酶，对比实施例1，降低酶解温度为40℃，在pH为4.85条件下酶解96小时酶解率及葡萄糖浓度如图表2所示，葡萄糖浓度为40克/升，仍然高于对比实施例1获得葡萄糖浓度35克/L.
实施例7
速生杨糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比15％(g/ml)混合，酶解介质为聚乙二醇-1000(PEG-1000)1.5g与去离子水的混合物(10毫升)，然后添加15FPU/g木质纤维素原料的纤维素酶，对比实施例1，改变酶解温度和酶解时间，在pH为4.85，60℃条件下酶水解96小时条件下酶水解，酶解率及葡萄糖浓度如图表2所示。由表2数据可以看出，提高温度可以提高葡萄糖浓度。
表2 实施例6、7酶解率及葡萄糖浓度
实施例8
速生杨糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比15％(g/ml)混合，对比实施例1，调整酶解介质为聚乙二醇-1000(PEG-1000)0.2g，与去离子水的混合物(10ml)，然后添加15FPU/g原料的纤维素酶，在pH为4.85，50℃条件下酶水解96小时，酶解率及葡萄糖浓度如图表3所示。
实施例9
速生杨糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比15％(g/ml)混合，对比实施例1，调整酶解介质为聚乙二醇-1000(PEG-1000)3g与去离子水的混合物(10ml)，然后添加15FPU/g原料的纤维素酶，在pH为4.85，50℃条件下酶水解96小时，，酶解率及葡萄糖浓度如图表3所示。
实施例10
速生杨糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比15％(g/ml)混合，对比实施例1，调整酶解介质为聚乙二醇-1000(PEG-1000)5.0g，与去离子水的混合物(10ml)，然后添加15FPU/g原料的纤维素酶，在pH为4.85，50℃条件下酶水解96小时，酶解率及葡萄糖浓度如表3所示。
表3.实施例8～10酶解率及葡萄糖浓度表
由表3数据可以看出，即使减小聚乙二醇用量，对比实施例1，酶解效率及葡萄糖浓度仍然被提高，为了获得理想的酶解结果，聚乙二醇用量可根据具体实验条件进行优化。
实施例11
玉米秸秆糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比20％g/ml混合，酶解介质为聚乙二醇-200(PEG-200)(1.5g)与去离子水(8.5ml)的混合物，然后添加30FPU/g木质纤维素底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃条件下酶水解48小时，酶解率及葡萄糖浓度如图表4所示。
实施例12
玉米秸秆糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比20％g/ml混合，酶解介质为聚乙二醇-400(PEG-400)(1.5g)与去离子水(8.5ml)的混合物，然后添加50FPU/g木质纤维素底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃条件下酶水解48小时，酶解率及葡萄糖浓度如图表4所示。
实施例13
玉米秸秆糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比30％g/ml混合，酶解介质为聚乙二醇-2000(PEG-2000)(1.5g)与去离子水(8.5ml)的混合物，然后添加30FPU/g木质纤维素底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃条件下酶水解48小时，酶解率及葡萄糖浓度如图表4所示。
实施例14
玉米秸秆糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比30％g/ml混合，酶解介质为聚乙二醇-4000(PEG-4000)(1.5g)与去离子水(8.5ml)的混合物，然后添加80FPU/g木质纤维素底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃条件下酶水解48小时，酶解率及葡萄糖浓度如图表4所示。
实施例15
玉米秸秆糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比50％g/ml混合，酶解介质为聚乙二醇-2000(PEG-2000)(1.5g)与去离子水(8ml)的混合物，然后添加50FPU/g木质纤维素底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃条件下酶水解48小时，酶解率及葡萄糖浓度如图表4所示。
实施例16
玉米秸秆糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比50％g/ml混合，酶解介质为聚乙二醇-2000(PEG-2000)(1.5g)与去离子水(8ml)的混合物，然后添加80FPU/g木质纤维素底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃条件下酶水解48小时，酶解率及葡萄糖浓度如图表4所示。
实施例17
玉米秸秆糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比20％g/ml混合，酶解介质为聚乙二醇-8000(PEG-8000)(1.5g)与去离子水(8ml)的混合物，然后添加30FPU/g木质纤维素底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃条件下酶水解48小时，酶解率及葡萄糖浓度如图表4所示。
实施例18
玉米秸秆糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比20％g/ml混合，酶解介质为聚乙二醇-8000(PEG-8000)(1.5g)与去离子水(8ml)的混合物，然后添加50FPU/g木质纤维素底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃条件下酶水解48小时，酶解率及葡萄糖浓度如图表4所示。
实施例19
玉米秸秆糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比5％g/ml混合，酶解介质为聚乙二醇-1000(PEG-1000)(1.5g)与去离子水(8ml)的混合物，然后添加10FPU/g木质纤维素底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃条件下酶水解48小时，酶解率及葡萄糖浓度如图表4所示。
实施例20
玉米秸秆糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比5％g/ml混合，酶解介质为聚乙二醇-1000(PEG-1000)(1.5g)与去离子水(8ml)的混合物，然后添加15FPU/g木质纤维素底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃条件下酶水解48小时，酶解率及葡萄糖浓度如图表4所示。
表4.实施例11～20酶解率及葡萄糖浓度表
由表4数据可以看出，聚乙二醇的聚合度对木质纤维素材料的酶解效率影响不大；提高终点葡萄糖浓度要依靠较高的固液比。
对比实施例3
玉米秸秆糠醛渣为原料(1.5g)与酶解介质按照固液比5％g/ml混合，酶解介质为去离子水(9.5ml)的，然后添加10FPU/g木质纤维素底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃条件下酶水解48小时，酶解率及葡萄糖浓度分别为80％和18克/升。
对比实施例4
与实施例1及对比实施例1做比较，将沃特曼滤纸(0.7g)与酶解介质按照固液比7％(g/ml)混合，酶解介质分别为去离子水(10ml)或者聚乙二醇-1000(1.5g)/水(8.5ml)的混合物，然后添加30FPU/g底物的纤维素酶，在pH为4.85、50℃，转速为130-160rpm条件下条件下酶水解，酶解率及葡萄糖浓度如图5及图6所示,从图中数据可以看出，当用1.5g聚乙二醇取代部分去离子水作为媒介介质，沃特曼试纸的酶解率及所获得的葡萄糖浓度均有所下降。

Claims (12)

1.一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于步骤为：将预处理的木质纤维素与酶解介质的按一定固液比进行混合，然后添加纤维素酶，进行酶解获得含有可发酵糖的水解液。
2.按照权利要求1所述的一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于：所述的酶解介质为聚乙二醇与水的混合物，聚乙二醇与水的质量比为2％-50％。
3.按照权利要求1所述的一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于：所述聚乙二醇分子量为200～8000，优选为200-2000。
4.按照权利要求1所述的一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于：所述的预处理的木质纤维素与酶解介质的固液比为5-50％g/ml。
5.按照权利要求1所述的一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于：所述的纤维素酶的添加量为10-80FPU/g木质纤维素原料。
6.按照权利要求1所述的一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于：所述的预处理的木质纤维素在pH为4.0-5.5、温度为40-60℃，转速为130-160rpm条件下，酶解2-120小时。
7.按照权利要求1所述的一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于：所述的预处理的木质纤维素适用的预处理方法包括化学法、物理法、化学-物理法以及生物法。
8.按照权利要求1所述的一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于：所述的预处理的木质纤维素来自农业废弃物、林业废弃物、专门的能源作物或/和各种含纤维素的废弃物。
9.按照权利要求8所述的一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于：所述农业废弃物为小麦秸秆、玉米秸秆或/和稻草。
10.按照权利要求8所述的一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于：所述林业废弃物为伐木产生的枝叶、废弃木头或/和木屑。
11.按照权利要求8所述的一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于：所述专门的能源作物为甜高粱或/和柳枝程。
12.按照权利要求8所述的一种以聚乙二醇/水混合物为介质的木质纤维素酶解糖化技术，其特征在于：所述各种含纤维素的废弃物为城市固体垃圾、废纸或/和甘蔗渣。
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