CN111172200A - 一种利用振动强化高固酶解的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用振动的手段强化并提高在高固形物含量条件下的木质纤维素的酶解过程，其特征在于利用振动发生器的振动手段来促进酶解过程。该方法强化了高固条件下的酶解过程中酶、产物以及底物的混合均匀问题，尤其是酶及产物在微观尺度下的传递效率，在该手段下大大提升。这是一种新型的，具有良好利用价值的强化高固条件下酶解的传递效率进而提升酶解效率的新型方法措施。

Description

一种利用振动强化高固酶解的方法
技术领域
本发明属于木质纤维素废弃物综合利用领域，具体涉及一种在高固体系下利用振动来促进纤维素酶解过程的方法。
背景技术
随着社会的发展，作为不可再生的化石资源正被急剧消耗。面对能源的日益枯竭，寻找可再生的能源显得尤为重要。生物乙醇是以生物质作为原料进行酶解发酵所产生的能源产品，由于生物质储量丰富，这就使得生物乙醇在可再生能源领域具有重大的潜力和作用。
然而，目前用于生产生物乙醇的生物质，大多集中于粮食作物，如玉米等，这加剧了粮食的消耗，不仅使得成本较高，且这种利用粮食来生产能源物质的方式并不利于生物乙醇产业的长期发展。因此，利用秸秆等农作废弃物作为生产生物乙醇的材料，可以一方面解决秸秆低值化利用，另以方面避免了秸秆被焚烧、丢弃所造成的污染问题，此外，也降低了原料的成本，势必在未来会成为生产生物乙醇的主流趋势。
利用秸秆进行生物质乙醇的过程中，生产成本在整个生物质乙醇产业中至关重要。只有有效的降低成本，才能使得生物质乙醇产业具有实际意义。生物质乙醇的生产过程中包括原料采集、酶解、发酵以及下游提取等过程，其中乙醇的提取占有很大的比例，且提取的难度和成本随着发酵所蕴含的乙醇浓度成负相关。因此，要提高最终发酵产物的浓度的提高，必须要提高发酵底物的含量。
在提高固形物含量的过程中，随着固形物含量的增加，当增加到20％固形物含量左右以上，整个体系则不再表现出原有的液体流动性为主的体系，这种体系被称作为高固，高固是生物质纤维素进行高值转化的体系。高固(固形物含量20％以上)就是相对于传统的低固体系(5％固形物含量)极大减少水的用量，并因此提高了最终产物(乙醇)的浓度，因此降低了提取乙醇的难度的同时降低了提取乙醇过程的成本，最终极大提高了生物质乙醇的经济可行性，成为当前生物质炼制的重要的研究方向。
由于水是整个酶解体系中是主要的传递介质。由于高固条件下，水分稀少，几乎不具有流动水，这就使整个体系并不会表现出水的流动性，极大地增加了混合的难度，使得酶解体系的过程中传递效率低下。由于在高固条件下的，体系不表现出液体的流动性，使得混合工作极为困难，照搬原有的液体搅拌桨体系，不仅耗能巨大，且混合效果较差，最重要的是难以促进微团内的微观尺度下的混合情况。
因此，本专利旨在能够促进物料发生宏观混合的同时，又能够促进有效的微观。本专利主要是利用振动的手段，利用振动波的性质将振动效果在物料间传递，达到可以降低物料的粘性同时改变水分存在状态，最终使得水分可以在微观上达到较好的混合，同时也通过振动促进了物料的翻腾，进而促进了物料的宏观混合，最终强化高固体系下的混合过程。
发明内容
技术问题：本发明主要提供了一种利用振动强化高固酶解的新方法，解决了高固条件下酶液与底物的混合困难和缓解了局部产物浓度过高所导致的产物抑制效应，进而提高了生物质纤维素酶解效率，最终降低生物质乙醇的生产成本。
技术方案：本发明为一种利用振动的手段来进行强化高固酶解的方法，其特征在于用以下方法进行酶解：首先向湿润的秸秆里加入柠檬酸缓冲溶液(0.05M,PH4.8)与纤维素酶(25FPU/g)，使得最终达到20％固形物或者以上。然后将该酶解体系稍作挤压处理使得物料敦实一点后置于空气振动器中，调节振动频率为25kHz-35Hz范围内,振动力在132-355N范围内，起初作用时间为5分钟，随后半小时内，每间隔10分钟振动1分钟，其余时间内，每隔2小时振动半分钟，总共酶解时长为24小时，得到酶解产物。
本发明具有如下优点：高固酶解体系下，传统的搅拌桨作用范围较小，无法达到全局的有效混合，同时能耗较高。秸秆是一种多孔性介质，大量的水分存在与秸秆的孔隙中，通过振动作用可以强化这部分水的传递，从而使得孔隙中的水分具有局部的运动性能，进而提高酶解过程的混合效果。此外，使用空气作为动力源的振动器具有节能的特点，通过振动器中的空气仍然具有动能可以用于其它需要空气动力的设备利用。这一新方法为高固酶解混合提供了新的方法，同时所需要的设备简单，投资费用低且节能，具有良好的实用价值。
具体实施方式
下面通过实施案例对本发明做进一步说明。
实施例1
(1)原料的预处理：
首先将秸秆洗净，去除秸秆表面的灰尘等等杂质；将秸秆用闸刀分割在5cm左右，均匀喷洒添加质量百分比30％的蒸馏水，在30℃进行复水2小时；将复水完毕的秸秆置于蒸汽爆破罐中，调节参数为10分钟，1.0Mpa进行汽爆处理。处理后的物料需要进行用2倍物料体积的水冲洗3遍，晾干备用。使得秸秆维持在较低的水分含量，以备酶解。
(2)振动酶解
用柠檬酸缓冲溶液(0.05M,PH4.8)调节含水量为20％左右，加入25FPU/g的纤维素酶，利用重物对混合后的物料稍作挤压，使得物料颗粒之间充分接触后，使得压缩物料在0.3kg/m3，放置于空气振动器装置下。并将该装置放置与45℃水浴锅中，将空气振动器的空气源设定为0.1Mpa，起初施加振动15分钟，随后每间隔1小时进行振动2分钟，进行酶解24小时。最终获得酶解产物。
实施例2
(1)原料的预处理：
首先将秸秆洗净，去除秸秆表面的灰尘等等杂质；将秸秆用闸刀分割在5cm左右，均匀喷洒添加质量百分比30％的蒸馏水，在50℃进行复水2小时；将复水完毕的秸秆置于蒸汽爆破罐中，调节参数为10分钟，1.0Mpa进行汽爆处理。处理后的物料需要进行用1倍物料体积的水冲洗4遍，晾干备用。使得秸秆维持在较低的水分含量，以备酶解。
(2)振动酶解
用柠檬酸缓冲溶液(0.05M,PH4.8)调节含水量为20％左右，加入25FPU/g的纤维素酶，利用重物对混合后的物料稍作挤压，使得物料颗粒之间充分接触后，使得压缩物料在0.6kg/m3放置于空气振动器装置下。并将该装置放置与50℃水浴锅中，将空气振动器的空气源设定为0.3Mpa，起初施加振动5分钟，随后每间隔1小时进行振动1分钟，进行酶解24小时。最终获得酶解产物。
实施例3
(1)原料的预处理：
首先将秸秆洗净，去除秸秆表面的灰尘等等杂质；将秸秆用闸刀分割在5cm左右，均匀喷洒添加质量百分比30％的蒸馏水，在30℃进行复水2小时；将复水完毕的秸秆置于蒸汽爆破罐中，调节参数为10分钟，1.0Mpa进行汽爆处理。处理后的物料需要进行用2倍物料体积的水冲洗3遍，晾干备用。使得秸秆维持在较低的水分含量，以备酶解。
(2)振动酶解
用柠檬酸缓冲溶液(0.05M,PH4.8)调节含水量为20％左右，加入25FPU/g的纤维素酶，利用重物对混合后的物料稍作挤压，使得物料颗粒之间充分接触后使得压缩物料在0.9kg/m3，放置于空气振动器装置下。并将该装置放置与50℃水浴锅中，将空气振动器的空气源设定为0.3Mpa，起初施加振动10分钟，随后每间隔1小时进行振动2分钟，进行酶解24小时。最终获得酶解产物。
实施例4
(1)原料的预处理：
首先将秸秆洗净，去除秸秆表面的灰尘等等杂质；将秸秆用闸刀分割在5cm左右，均匀喷洒添加质量百分比30％的蒸馏水，在30℃进行复水2小时；将复水完毕的秸秆置于蒸汽爆破罐中，调节参数为10分钟，1.0Mpa进行汽爆处理。处理后的物料需要进行用4倍物料体积的水冲洗4遍，晾干备用。使得秸秆维持在较低的水分含量，以备酶解。
(2)振动酶解
用柠檬酸缓冲溶液(0.05M,PH4.8)调节含水量为35％左右，加入25FPU/g的纤维素酶，利用重物对混合后的物料稍作挤压，使得物料颗粒之间充分接触后，使得压缩物料在1.0kg/m3放置于空气振动器装置下。并将该装置放置与50℃水浴锅中，将空气振动器的空气源设定为0.3Mpa，起初施加振动10分钟，随后每间隔1小时进行振动2分钟，进行酶解24小时。最终获得酶解产物。
实施例5
(1)原料的预处理：
首先将秸秆洗净，去除秸秆表面的灰尘等等杂质；将秸秆用闸刀分割在5cm左右，均匀喷洒添加质量百分比30％的蒸馏水，在30℃进行复水2小时；将复水完毕的秸秆置于蒸汽爆破罐中，调节参数为10分钟，1.0Mpa进行汽爆处理。处理后的物料需要进行用2倍物料体积的水冲洗3遍，晾干备用。使得秸秆维持在较低的水分含量，以备酶解。
(2)振动酶解
用柠檬酸缓冲溶液(0.05M,PH4.8)调节含水量为25％左右，加入25FPU/g的纤维素酶，利用重物对混合后的物料稍作挤压，使得物料颗粒之间充分接触后使得压缩物料在1.1kg/m3，放置于空气振动器装置下。并将该装置放置与55℃水浴锅中，将空气振动器的空气源设定为0.4Mpa，起初施加振动10分钟，随后每间隔1小时进行振动2分钟，进行酶解24小时。最终获得酶解产物。
实施例6
(1)原料的预处理：
首先将秸秆洗净，去除秸秆表面的灰尘等等杂质；将秸秆用闸刀分割在5cm左右，均匀喷洒添加质量百分比30％的蒸馏水，在30℃进行复水2小时；将复水完毕的秸秆置于蒸汽爆破罐中，调节参数为10分钟，1.0Mpa进行汽爆处理。处理后的物料需要进行用2倍物料体积的水冲洗3遍，晾干备用。使得秸秆维持在较低的水分含量，以备酶解。
(2)振动酶解
用柠檬酸缓冲溶液(0.05M,PH4.8)调节含水量为20％左右，加入25FPU/g的纤维素酶，利用重物对混合后的物料稍作挤压，使得物料颗粒之间充分接触后使得压缩物料在0.5kg/m3，放置于空气振动器装置下。并将该装置放置与50℃水浴锅中，将空气振动器的空气源设定为0.3Mpa，起初施加振动10分钟，随后每间隔1小时进行振动2分钟，进行酶解24小时。最终获得酶解产物。

Claims (6)

1.一种利用振动强化高固酶解的方法，其特征在于该方法为：
(1)使用蒸汽爆破处理后的玉米秸秆为酶解底物，且蒸汽爆破后需要经过1-5倍物料体积的清水冲洗2-4遍。
(2)利用的是复合纤维素酶在40-60℃、pH 4.4-Ph5.8范围内的柠檬酸缓冲溶液(0.01M-0.2M)，原来的固形物含量大于20％-50％的条件下进行酶解。
(3)振动前需要将物料稍微挤压，使得物料颗粒之间充分接触，维持密度在0.3kg/m3-1.3kg/m3范围内。
(4)利用空气振动器或混凝土振动器作为振动的动力源来促进酶解过程。
2.根据权利要求1所述的一种利用振动强化高固酶解的新方法，其特征在于利用的振动发生器为空气振动器、混凝土振动器。
3.根据权利要求1所述的一种利用振动强化高固酶解的新方法，其特征在于第一次振动前需要将物料挤压使得颗粒之间充分接触，使得压缩物料在0.3kg/m3-1.3kg/m3范围内。
4.根据权利要求1所述的一种利用振动强化高固酶解的新方法，其特征在于使用振动的频率为第一次振动时间5-20分钟，随后每隔一定时间进行振动较短时间0.5-5分钟。
5.根据权利要求1所述的一种利用振动强化高固酶解的新方法，其特征在于在高固体系下对秸秆进行纤维素酶解，固形物含量在15％-35％之间。
6.根据权利要求1所述的一种利用振动强化高固酶解的新方法，其特征在于使用蒸汽爆破处理后的玉米秸秆为原料，要经过1-5倍物料体积清水清洗2-4遍。
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