CN201381313Y - 一种纤维素原料酶解装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种纤维素原料酶解装置，包含以下部分构成，罐体(1)，无级变速电机(2)，支架(3)，内置搅拌叶片(4)。将经过预处理后的纤维素原料，纤维素水解酶，以相应固液比加入罐内，通过无级变速电机带动罐体在恒温水浴锅内转动，物料在罐体内混合酶解。该装置的优点在于，具有设备简单，操作方便，原料可以任意固液比混合，适用于固定化酶与游离酶进行纤维质原料的酶解。

Description

一种纤维素原料酶解装置
技术领域
本实用新型属于生物化工技术领域，特别涉及一种纤维素原料酶解装置。
背景技术
纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。植物每年通过光合作用，可以产生1.5～2.0×1011t的纤维素类物质，其中纤维素、半纤维素占1/2以上，但其中只有极少部分为人们所利用。随着石油和煤炭资源的日渐枯竭，纤维素的水解和利用越来越受到人们的重视，逐渐形成了和石油炼制相对应的生物炼制概念。和以前的生物质利用不同，当前的生物炼制必须基于利用植物所有部分，才能保证利用效率，同时避免新的环境污染。很显然，要达到这一目标必须依靠多学科的交叉，尤其是生物学、化学及化学工程各领域的整合。
纤维素的糖化是植物纤维原料进行生物炼制的关键，经过预处理过程和酶解过程将纤维素物质转化为微生物可利用的糖类物质，通过发酵过程将糖类转化为其他各种化学品。目前，其工艺主要有稀酸解法和酶解法两种工艺。
稀酸水解过程是最古老的纤维素糖化方法为多相水解反应，硫酸浓度一般为0.5～2.0％，温度为180℃～240℃，反应时间为几分钟到几小时。稀酸处理的优点在于半纤维素水解得到的糖量大，催化剂成本低，易于中和。但酸水解存在很多问题：酸水解对设备有很强的腐蚀作用；酸水解条件苛刻，需要较高的温度和压力；酸水解后需要中和，并产生大量的酸废水；会生成毒害微生物的发酵产物如糖醛、甲酸、乙酸、酚类物质，有时水解产物需进一步分离方能用作微生物培养基；产糖率低，仅为理论值的50～60％。对于农作物秸秆含有来自土壤的二氧化硅及碱性化合物，酸的需要量达到原料重的5～7％，由于上述原因，限制了酸水解的发展和应用。
酶水解工艺因其反应条件温和、水解副产物少、糖化得率高以及对环境危害小等优点，所以得到了更为普遍的认可和推崇，目前被大多研究者所广泛采用。纤维素酶是指能够水解纤维素β-1，4葡萄糖苷键生成葡萄糖的一组酶的总称。大量的真菌纤维素酶体系的分离纯化研究证明纤维素酶是一种多组分的复合酶系，包括内切型β-葡聚糖酶(也称Cx酶、CMC酶、EG)、外切型β-葡聚糖酶(也称C1酶、纤维二糖水解酶或CBH)和纤维二糖酶(也称β-葡萄糖苷酶或CB)等3种主要组分；在酶解过程中这三个组分协同作用，首先由内切型葡聚糖酶(Cx酶)在纤维素聚合物的内部起作用，在纤维素的非结晶部位进行切割，产生新的末端然后再由外切型葡聚糖酶(C1酶)以纤维二糖为单位由末端进行水解，最后由纤维二糖酶将纤维二糖水解为葡萄糖。
但由于木质纤维原料致密复杂的结构及纤维素分子高度结晶特性，需要进行适当的预处理，以降低纤维素的结晶度，增加纤维原料的多孔性，脱除木质素的保护作用，增加酶与底物的接触面积，从而提高酶解的效率。采用的预处理方法应满足以下要求：①有利于酶水解过程的糖化；②避免碳水化合物的降解或损失；③避免生成对后续水解或发酵有害的副产物；④经济可行。预处理方法归纳起来包括物理法、物理化学法、化学法和生物法。
影响纤维素酶水解主要有以下因素：
(1)底物因素，纤维底物结构上的特征在一定程度上决定了酶解的速度，这些结构特征包括纤维素酶可接触的底物表面积、纤维素的结晶度、纤维素的聚合度、木质素含量与分布情况、底物浓度等，其中纤维素酶可接触的底物表面积被认为是对酶解具有最大影响的因子之一；
(2)纤维素酶因素，除上述与底物有关的影响因素外，与纤维素酶相关的一些因素也会影响到酶解过程，包括纤维素酶用量、纤维素酶系组成、酶解产物(纤维二糖和葡萄糖)对纤维素酶的反馈抑制、水解过程中由于温度或机械力造成的酶失活、酶的吸附性等；
(3)温度和pH，大部分纤维素酶的活性受环境的温度和pH影响。在最适pH下，酶反应具有最大速度，高于或低于此值，反应速度下降。纤维素酶的最适pH一般在4.5～5.5范围内。温度也是影响纤维素酶解的重要因素，一般纤维素酶的最适温度范围是40～60℃；
(4)抑制剂和激活剂，纤维素酶可由酶促反应的产物和类似底物的某些物质引起竞争性抑制和激活作用。
但由于酶水解法反应时间长，至今仍未达到工业化水平。因而加快酶水解速度提高水解率特别重要。要加快酶反应速度强化反应过程，反应器的选择是关键因素。
酶解反应器类型很多，最常用的有搅拌式、固定化酶填充床式和流化床式三大类。但由于植物纤维素酶解具有周期长、酶耗高、酶分子在酶反应器中容易因搅拌原因而发生剪切失活等原因，目前对于纤维素酶解设备的研究还处于实验室研究阶段，而且大多侧重于工艺条件的研究。
中国专利CN2605267A公开了一种酶水解反应釜，采用机械搅拌的原理，促进酶解反应，具有温度自动控制，pH值自动控制，物料搅拌速度自动控制的特点，但是高剪切力会使酶失活，不适用固定化酶进行酶解，相对能耗较大；中国专利CN101120095A公开了一种用于纤维素酶法水解的上流式沉降反应器，可以水解经过预处理的纤维素制备水解产物，水解效果比较好，但是相对设备操作比较复杂，酶解过程须要较低的原料固液比；中国专利CN101120095A公开了一种利用膜反应器酶解汽爆秸秆制备还原糖的方法及装置，可以减少搅拌过程的剪切和变性，还可以避免酶解产物对汽爆秸秆酶解的抑制作用，降低纤维素酶的使用成本，但是用到了超滤和回流装置，设备造价还是很高。
目前，现有纤维素酶解技术设备中要想获得高的转化率，并且适用于不同的酶解状态，维持较低的设备造价尚存在许多困难，在水解过程中使用搅拌器可以提高酶解效率，但是剪切会使酶发生变性失活，而且不能同时适用于固定化酶和游离酶，其他的系统会牺牲最优的酶活性并降低酶的效率。
技术内容
本实用新型的技术目的在于提供一种用于纤维素原料酶法水解的滚动式酶解反应器，使得该反应器可以可同时适用于固定化酶和游离酶以任意固液比进行酶解。
为解决其技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种纤维素酶解装置，其特征在于包括罐体、无级变速电机、支架、内置搅拌叶片，其中内置搅拌叶片固定于罐体内壁圆周上并均匀分布，罐体一端固定，罐体另一端与无级变速电机连接，且无级变速电机带动罐体旋转。
本实用新型所述的内置搅拌叶片包括长直板、曲面板；
本实用新型所述的内置搅拌叶片的数量为1～12片；
本实用新型所述的内置搅拌叶片的高度为罐体半径的1/10～1/2；
本实用新型所述的罐体的高径比为1∶10～1∶1；
本实用新型所述的罐体在运行过程中是可以密封的，置于恒温水浴加热装置中运行；也可以在再罐体外包覆电加热套等其他恒温加热装置加热。
本实用新型所述的纤维素酶解装置可以用于处理包括以下纤维素原料：玉米秸秆、麦秸秆、水稻秸、高粱秸秆、燕麦秸、各种草类和木屑等。
本实用新型所述的纤维素酶解装置适用于的纤维素水解酶包括：纤维素酶、木聚糖酶、固定化的纤维素酶、木聚糖酶。
本实用新型的有益效果在于：
1、该装置在纤维质原料酶解过程中可以很好的实现动量传递、热量传递和质量传递，促进化学反应过程的进行，即化工生产过程中的“三传一反”。
2、酶解过程中剪切力小，可以同时适用于固定化酶和游离酶对纤维素原料的水解过程，避免了由于设备的强大剪切力造成的酶失活。
3、该装置结构简单，不仅易于操作，而且具有可以任意工业化放大的特点。
附图说明
图1纤维素酶解装置结构示意简图
其中：1-罐体；2-无级变速电机；3-支架；4-内置搅拌叶片。
图2纤维素酶解装置A-A剖面图(挡板数为2)
具体实施方式
下面的实施例对本实用新型操作方法作详细说明，但对本实用新型没有限制。
如附图1所示，本实用新型所述的纤维素酶解装置包括罐体(1)、无级变速电机(2)、支架(3)、内置搅拌叶片(4)，其中内置搅拌叶片(4)均匀分布于罐体(1)的内壁圆周上，并与罐体(1)一端外部的无级变速电机(2)连接，罐体(1)置放于支架(3)上。
实施例1
本实施例中的纤维素酶解装置中的内置直板搅拌叶片数为1。内置搅拌叶片的高度为罐体半径的1/10，罐体的高径比为1∶10，按照1/2罐容积填装量，加入蒸爆预处理后的玉米秸秆，纤维素酶添加量为15FPU/g纤维素。酶解温度50℃，搅拌机转速100r/min。酶解50h，纤维素原料水解率可以达到83.0％。
实施例2
本实施例中的纤维素酶解装置中的内置波纹曲面搅拌叶片数为12。内置搅拌叶片的高度为罐体半径的1/2，罐体的高径比为1∶2，按照2/3罐容积填装量，加入稀碱球磨预处理后的麦秸秆，固定化纤维素酶添加量为15FPU/g纤维素。酶解温度60℃，搅拌机转速20r/min。酶解60h，纤维素原料水解率可以达到77.3％。
实施例3
本实施例中的纤维素酶解装置中的内置直板搅拌叶片数为2。内置搅拌叶片的高度为罐体半径的1/4，罐体的高径比为1∶1，按照1/4罐容积填装量，加入稀碱超声预处理后的稻秸秆，固定化木聚糖酶添加量为300IU/g原料。酶解温度40℃，搅拌机转速5r/min。酶解40h，原料水解率可以达到67.3％。
实施例4
本实施例中的纤维素酶解装置中的内置波纹曲面搅拌叶片数为3。内置搅拌叶片的高度为罐体半径的1/4，罐体的高径比为1∶2，按照1/2罐容积填装量，加入螺杆挤压预处理后的高粱秸秆，木聚糖酶添加量为600IU/g原料。酶解温度50℃，搅拌机转速25r/min。酶解30h，原料水解率可以达到57.3％。

Claims (7)

1、一种纤维素酶解装置，其特征在于包括罐体、无级变速电机、支架、内置搅拌叶片，其中内置搅拌叶片固定于罐体内壁圆周上并均匀分布，罐体一端固定，罐体另一端与无级变速电机连接，且无级变速电机带动罐体旋转。
2、根据权利要求1所述的纤维素酶解装置，其特征在于所述的内置搅拌叶片形状包括长直板、曲面板。
3、根据权利要求1所述的纤维素酶解装置，其特征在于所述的内置搅拌叶片的数量为1～12片。
4、根据权利要求1所述的纤维素酶解装置，其特征在于所述的内置搅拌叶片的高度为罐体半径的1/10～1/2。
5、根据权利要求1所述的纤维素酶解装置，其特征在于所述的罐体的高径比为1∶10～1∶1。
6、根据权利要求1所述的纤维素酶解装置，其特征在于所述的罐体在运行过程中是可以密封的，置于恒温水浴加热装置中运行。
7、根据权利要求1所述的纤维素酶解装置，其特征在于所述的罐体外包覆有电加热套恒温加热装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012100510A1 (zh) * 2011-01-24 2012-08-02 上海众伟生化有限公司 双体循环纤维素酶解反应器及其应用

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