一種木質(zhì)纖維素酶解過程中酶循環(huán)利用的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于纖維乙醇生產(chǎn)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種木質(zhì)纖維素酶解過程中酶循環(huán)利用的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]木質(zhì)纖維原料是地球上最豐富、最廉價(jià)的可再生資源。全世界每年通過光合作用產(chǎn)生的木質(zhì)纖維生物質(zhì)高達(dá)1000億噸。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，具有豐富的生物質(zhì)資源，僅農(nóng)作物秸桿一項(xiàng)每年就有近8 X 18噸(約合4億噸標(biāo)煤)，占全國(guó)一次能源消耗總量的10~15%，加上數(shù)量巨大的林業(yè)纖維廢料和工業(yè)纖維廢渣，每年可利用的木質(zhì)纖維原料總量可達(dá)20億噸以上。木質(zhì)纖維原料中纖維素約占干重的35~45%，半纖維素約占20~40%，采用適宜技術(shù)將它們水解成可發(fā)酵性糖，進(jìn)一步發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，充分利用這些生物質(zhì)資源可緩解我國(guó)資源短缺的壓力，減輕環(huán)境污染，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生態(tài)良性循環(huán)，對(duì)建設(shè)節(jié)能低碳社會(huì)具有重要意義。
[0003]通常纖維乙醇的生產(chǎn)過程包括原料的預(yù)處理、酶水解、發(fā)酵和蒸餾提純，其中酶解是整個(gè)纖維乙醇生產(chǎn)的主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)瓶頸。目前，纖維素水解糖化最主要的問題是酶解效率低，酶解周期長(zhǎng)，酶用量大，轉(zhuǎn)化率不高等方面，這些問題嚴(yán)重制約了木質(zhì)纖維原料的生物轉(zhuǎn)化和利用。纖維素酶制劑的費(fèi)用高是影響生物乙醇價(jià)格的主要因素之一，降低纖維素酶使用量或費(fèi)用的技術(shù)成為生物乙醇生產(chǎn)重點(diǎn)。
[0004]纖維素酶在水解木質(zhì)纖維素初期是吸附在底物上面的，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，由于底物濃度的變化，酶逐漸從底物中脫離出來，成為游離酶的狀態(tài)，分散于酶解液中，另一部分則吸附于高木質(zhì)素含量的酶解殘?jiān)小Ｃ附庖褐械挠坞x酶可通過回收再利用，充分發(fā)揮其價(jià)值。
[0005]實(shí)現(xiàn)高效酶解，減少酶解成本，可從以下三處著手:1)預(yù)料的預(yù)處理；2)盡可能降低水解酶的工業(yè)生產(chǎn)成本，酶成本降低到一定范圍，纖維乙醇整個(gè)投資成本才可與石油具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；3)有效纖維素酶的回收重復(fù)利用，即使酶水解過程中的酶充分的參與反應(yīng)，增加酶與纖維素的接觸機(jī)會(huì)，提高酶解效率，實(shí)現(xiàn)酶回收重復(fù)利用。
[0006]專利CN101974570A公開了一種燃料乙醇生產(chǎn)中回收再利用纖維素酶全組份的方法，指在木質(zhì)纖維素同步糖化發(fā)酵工段后利用耦合新鮮底物重吸附和固定化纖維二糖酶工藝回收再利用纖維素酶全組分的方法，該發(fā)明涉及到固定化過程，由于固定化酶與纖維素固體顆粒之間存在很大的傳質(zhì)障礙，因此在木質(zhì)纖維素酶解體系中目前僅限于纖維二糖酶的固定化回收再用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)傳統(tǒng)酶解工藝游離纖維素酶未充分利用，提供一種木質(zhì)纖維素酶解過程中酶循環(huán)利用的方法，提高游離纖維素酶的利用率，降低生產(chǎn)成本。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種木質(zhì)纖維素酶解過程中酶循環(huán)利用的方法，采用酶解罐、發(fā)酵罐和蒸餾塔串聯(lián)進(jìn)行，先按設(shè)定的投料比進(jìn)行酶解，酶解結(jié)束后，降溫接種進(jìn)行發(fā)酵，再將發(fā)酵液導(dǎo)入減壓蒸餾塔進(jìn)行負(fù)壓蒸餾，除去乙醇，活性酵母失活，留下游離的纖維素酶，最后將蒸餾殘液導(dǎo)入酶解體系中進(jìn)行回用，具體步驟如下:
步驟I):啟動(dòng)酶解罐，根據(jù)設(shè)定的底物濃度，將物料、水分批連續(xù)均勻投加到酶解罐中，同時(shí)分批連續(xù)均勻投加木質(zhì)纖維素水解酶，進(jìn)行酶解；
步驟2):酶解結(jié)束后，將酶解液降溫到30~32°C，接種釀酒酵母，進(jìn)行發(fā)酵；
步驟3):將步驟2)發(fā)酵所得發(fā)酵液導(dǎo)入減壓蒸餾塔中進(jìn)行負(fù)壓蒸餾；
步驟4):將步驟3)負(fù)壓蒸餾所得蒸餾殘液導(dǎo)入酶解罐中進(jìn)行酶回用，循環(huán)次數(shù)為1~2次。
[0009]進(jìn)一步的，步驟I)所述的物料為經(jīng)過預(yù)處理的木質(zhì)纖維素物料，所述木質(zhì)纖維素物料可以為玉米秸桿、小麥秸桿、水稻秸桿中的一種，或?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員所公知的木質(zhì)纖維素物料；所述預(yù)處理包括如下步驟:首先將木質(zhì)纖維素物料采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行粉碎處理，使粒徑達(dá)到0.14-32毫米，然后由皮帶輸送機(jī)傳送入蒸汽爆破罐進(jìn)行處理，再經(jīng)板框壓濾機(jī)壓濾使物料的含水量為50~65%。
[0010]進(jìn)一步的，步驟I)所述設(shè)定的底物濃度為20~25%，所述的將物料和水分批連續(xù)均勻投加到酶解罐中，同時(shí)分批連續(xù)均勻投加木質(zhì)纖維素水解酶的具體方法是:初次投加物料的重量占總投加物料量的1/8~1/6，初次投加木質(zhì)纖維素水解酶的量為總投加酶量的5/9-7/9,當(dāng)酶解罐完成總投加物料量的1/2~3/4時(shí)，一次加入剩余的2/9~4/9酶量，投料結(jié)束；
每克絕干物料添加木質(zhì)纖維素水解酶30~60FPU。
[0011]進(jìn)一步的，步驟I)中，所述的將物料和水分批連續(xù)均勻投加到酶解罐中，同時(shí)分批連續(xù)均勻投加木質(zhì)纖維素水解酶的具體方法是:初次投加物料的重量占總投加物料量的1/6，初次投加木質(zhì)纖維素水解酶的重量為總投加酶量的2/3，當(dāng)酶解罐完成總投加物料量的3/4時(shí)，一次加入剩余的1/3酶量，投料結(jié)束；從酶解罐啟動(dòng)到投料結(jié)束，16h以內(nèi)完成，酶解至48h時(shí)轉(zhuǎn)入步驟2)。
[0012]進(jìn)一步的，步驟2)中所述的發(fā)酵工藝條件為:發(fā)酵溫度為30~32°C，接種量為0.5-0.8%。，轉(zhuǎn)速為 60~150r/mino
[0013]進(jìn)一步的，步驟3)中所述負(fù)壓蒸餾的工藝條件為:蒸餾溫度為50~70°C，真空度為-1.2—0.90Mpa，蒸餾時(shí)間為0.4-1.0h,充分將發(fā)酵液中的乙醇抽提完畢。
[0014]進(jìn)一步的，步驟4)所述導(dǎo)入酶解罐的蒸餾殘液體積是酶解罐實(shí)際裝罐體積的25%。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是:本發(fā)明發(fā)酵液中的活性酵母在負(fù)壓蒸餾的高溫環(huán)境下失活，減壓蒸餾塔內(nèi)的發(fā)酵液中含有未失活的纖維素酶。本發(fā)明通過減壓蒸餾，保留了發(fā)酵液中殘余的纖維素酶活性，通過回用將蒸餾殘液加入新的酶解體系中，可以降低20~25%的木質(zhì)纖維素水解酶用量，大大提高纖維素酶的利用率，從而降低生產(chǎn)成本。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步清楚闡述本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個(gè)或多個(gè)這些細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對(duì)于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。
[0017]下述實(shí)施例中，木質(zhì)纖維素水解酶，也可稱作纖維素復(fù)合酶或復(fù)合纖維素酶，配制方法為:將纖維素酶、木聚糖酶、纖維二糖酶按比例混合，加入1%gPEG4000，制得。本發(fā)明中，所述木質(zhì)纖維素水解酶的濾紙酶活(FPU)為800FPU/mL。酶活定義為國(guó)際單位(IU)，即Imin產(chǎn)生I μπιο?葡萄糖所需酶量為I酶活單位。纖維素酶、木聚糖酶、纖維二糖酶、PEG4000均為常用試劑，可通過市售獲得。
[0018]下述實(shí)施例中，釀酒酵母由安琪酵母股份有限公司提供，其活化方法為本領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)，在本發(fā)明中的方法為:稱取活性干酵母，加入經(jīng)滅菌處理的2% (w/v)葡萄糖水溶液在30°C條件下，通風(fēng)培養(yǎng)30~45min，起泡為準(zhǔn)，即可做接種使用。
[0019]下述實(shí)施例1~3中，酶解罐中酶解液的密度按1.lkg/L計(jì)算(現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)值)，水的密度按1.0kg/L計(jì)算。
[0020]下面僅以小麥秸桿為例，闡述本發(fā)明的技術(shù)方案以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤Ｍ瑯拥?，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以用其它物料，包括玉米秸桿、水稻秸桿和其它公知的木質(zhì)纖維素物料中的一種或多種，在本發(fā)明技術(shù)內(nèi)容的記載或啟示下，實(shí)現(xiàn)其酶解過程中酶的循環(huán)利用問題；必落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0021]實(shí)施例1
以50L酶解罐為例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0022]—種木質(zhì)纖維素酶解過程中酶循環(huán)利用的方法，采用酶解罐、發(fā)酵罐和蒸餾塔串聯(lián)進(jìn)行，先按設(shè)定的底物濃度投料進(jìn)行酶解，酶解結(jié)束后，降溫接種進(jìn)行發(fā)酵，再將發(fā)酵液導(dǎo)入減壓蒸餾塔中進(jìn)行負(fù)壓蒸餾，除去乙醇，活性酵母失活，留下游離的纖維素酶，最后將蒸餾殘液導(dǎo)入酶解體系中進(jìn)行回用，具體步驟如下:
O向空消處理后的50L酶解罐Ml中加入自來水19.5L，開啟攪拌，設(shè)定底物濃度均為25%(w/v),由投料口向Ml投入含水量