一種含纖維素原料的酶解方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含纖維素原料的酶解方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)的含纖維素原料的酶解工藝通常采用攪拌式間歇操作，在水的存在下， 將含纖維素原料與酶同時加入酶解反應(yīng)器中、在調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)膒H值下混合反應(yīng)，維持反應(yīng) 條件酶解至終點。在酶解之前，需要將含纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理，使含纖維素原料中的纖維 素裸露出來，以增加酶與纖維素的接觸面積。
[0003] 采用現(xiàn)有技術(shù)的方法對含纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理會給后續(xù)的酶解過程帶來一系 列的問題，例如，將經(jīng)過預(yù)處理的，特別是經(jīng)過蒸汽爆破預(yù)處理的物料一次性加入攪拌式反 應(yīng)器中與水充分混合后，加入酶進(jìn)行酶解反應(yīng)時，由于預(yù)處理后的含纖維素原料顆粒變小， 物料間易粘連團(tuán)聚，使得在酶解階段，酶僅能夠與粘連成團(tuán)的物料的表面接觸，而不能與團(tuán) 塊狀或者粒狀物料的內(nèi)部接觸，使得酶很難與物料混合均勻，因而造成酶的利用效率低下， 酶解效果差、產(chǎn)糖效率不高。此外，酶在不同溫度下穩(wěn)定性不同，酶在保存溫度下半衰期較 長，在較高的反應(yīng)溫度（如50°C)下半衰期會明顯縮短，纖維素酶等酶在較高反應(yīng)溫度下半 衰期的縮短，進(jìn)一步加劇了酶反應(yīng)效率的降低。再者，將經(jīng)過酶解的酶解產(chǎn)物返混入一次性 加入攪拌式酶解反應(yīng)罐的經(jīng)預(yù)處理后的物料（蒸汽爆破產(chǎn)物）中，并加入纖維素酶進(jìn)行酶 解的方法雖然可以在一定程度上提高酶解的效果，但是由于酶解產(chǎn)物出料量減少，酶解的 相對周期會延長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的含纖維素原料的酶解方法中，酶的利用效率 低下，酶解效果差、產(chǎn)糖效率不高的缺陷，而提供一種含纖維素原料的酶解方法，該方法可 以有效提升酶的利用率，提高酶解效率和單糖產(chǎn)量。
[0005] 為了在酶解過程中達(dá)到提高酶解效率，即實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種含纖維 素原料的酶解方法，該方法包括將含纖維素原料酶解，得到酶解產(chǎn)物，其中，在將含纖維素 原料酶解之前，該方法還包括預(yù)混步驟，所述預(yù)混步驟包括：在攪拌和擠壓下，先將含纖維 素原料與pH值調(diào)節(jié)劑混合，調(diào)節(jié)所述含纖維素原料的pH值為4-6,然后將pH值為4-6的含 纖維素原料與酶混合，所述含纖維素原料的干物質(zhì)含量為15-50重量％，優(yōu)選為20-40%。
[0006] 優(yōu)選地，所述預(yù)混步驟在預(yù)混裝置中進(jìn)行，所述預(yù)混裝置包括預(yù)混管道，所述預(yù)混 管道的一端設(shè)置有進(jìn)料口，另一端設(shè)置有出料口，且所述預(yù)混管道的內(nèi)部設(shè)置有用以將物 料從進(jìn)料口向出料口連續(xù)推進(jìn)的螺旋進(jìn)給器，在靠近進(jìn)料口一端的預(yù)混管道上設(shè)置有pH 值調(diào)節(jié)劑入口，在靠近出料口一端的預(yù)混管道上設(shè)置有酶調(diào)配入口。
[0007] 優(yōu)選地，所述預(yù)混步驟包括：將含纖維素原料從進(jìn)料口連續(xù)引入預(yù)混管道中，將 pH值調(diào)節(jié)劑從pH值調(diào)節(jié)劑入口連續(xù)引入預(yù)混管道中，將酶從預(yù)混酶入口連續(xù)引入預(yù)混管 道中，在螺旋進(jìn)給器的攪拌和擠壓下，將含纖維素原料先后與pH調(diào)節(jié)劑以及酶混合，并通 過螺旋進(jìn)給器將預(yù)混后的含纖維素原料從出料口連續(xù)排出預(yù)混管道，經(jīng)過預(yù)混的含纖維素 原料的干物質(zhì)含量為15-50重量％，優(yōu)選為20-40重量％。
[0008] 在本發(fā)明提供的含纖維素原料的酶解方法中，增加了酶解步驟之前的預(yù)混步驟， 通過先將含纖維素原料進(jìn)行pH值的調(diào)節(jié)，再與部分酶的預(yù)混，而實現(xiàn)了含纖維素原料在酶 解之前就具備了進(jìn)行充分酶解的條件和狀態(tài)，即，含纖維素原料的pH更均勻，并實現(xiàn)了與 部分酶的充分預(yù)混而有效提高了酶的利用率和增強了酶混合效率。在本發(fā)明的一個優(yōu)選的 實施方案中，所述預(yù)混步驟在預(yù)混裝置中進(jìn)行，在螺旋進(jìn)給器的擠壓、攪拌和浸入混合的條 件下，將pH值調(diào)節(jié)劑以及酶充分混合浸入含纖維素原料中，使含纖維素原料的pH值的調(diào)節(jié) 更為均勻，而且進(jìn)一步克服了現(xiàn)有酶解技術(shù)中，含纖維素原料與酶混合不充分的缺陷，從而 達(dá)到更好的酶混合效果。此外，預(yù)混后的物料被連續(xù)排出后可以被直接引入連續(xù)進(jìn)行的主 酶解階段的連續(xù)酶解裝置中，增加了進(jìn)料的方便性，實現(xiàn)了連續(xù)進(jìn)、出料。
[0009] 雖然本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為酶制劑的作用會實現(xiàn)物料黏度的降低，但是實現(xiàn)含纖維 素原料的連續(xù)高效的黏度降低，并將含纖維素原料高效率的降解為微生物可利用的單糖是 具有難度的；而本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，物料的黏度與酶解的效率存在直接聯(lián)系。
[0010] 優(yōu)選地,酶解體系中的水分在酶解混合物中的含量保持在50-85重量％，將含纖 維素原料酶解的過程分多階段進(jìn)行，所述多階段包括主酶解階段和主酶解階段以后的間歇 酶解階段，在主酶解階段中，在攪拌下，間歇或者連續(xù)地，優(yōu)選連續(xù)地將含纖維素原料與酶 混合，使得經(jīng)過該主酶解階段得到的酶解產(chǎn)物中可溶性寡糖以最終降解為單糖含量計為 10-150g/L，單糖的含量為10-100g/L，酶解產(chǎn)物的粘度為100-500cp，酶解產(chǎn)物的平均粒徑 為 20-50 μ m。
[0011] 優(yōu)選地，所述主酶解階段在主酶解裝置中進(jìn)行，所述主酶解裝置包括罐體、包覆在 罐體外周的設(shè)置有入口和出口的夾套和設(shè)置在所述罐體內(nèi)的攪拌軸以及隔板，所述隔板沿 著罐體高度方向上將罐體分隔成多個酶解空間，且隔板上具有能夠使被隔板分隔的相鄰兩 個酶解空間相連通的通孔，在被隔板分隔的每個酶解空間中的攪拌軸部分的長度方向上均 設(shè)置有攪拌器，所述主酶解裝置還包括與罐體相通的含纖維素原料入口、酶入口和物料出 □。
[0012] 優(yōu)選地，所述主酶解階段的酶解方法包括：將含纖維素原料連續(xù)引入罐體中以及 將酶連續(xù)引入罐體中之前、同時或之后啟動攪拌軸，使攪拌軸帶動攪拌器轉(zhuǎn)動，在攪拌下， 使得含纖維素原料與酶的混合物沿罐體的高度方向從上到下依次從被隔板分隔的每個酶 解空間經(jīng)過，經(jīng)過多階段的連續(xù)酶解之后，將酶解產(chǎn)物從罐體中連續(xù)排出。
[0013] 在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實施方案中，所述主酶解階段是在主酶解裝置中進(jìn)行的， 在上述主酶解裝置中能夠在酶解體系中水分含量保持一定范圍內(nèi)的情況下（即，在酶解過 程中，只將經(jīng)過預(yù)混合處理的含纖維素原料與酶混合，而無需加入水或者含水混合物），實 現(xiàn)干物料與酶的連續(xù)混合酶解，使得含纖維素原料與酶的混合物沿罐體的高度方向從上到 下依次從被隔板分隔的每個酶解空間經(jīng)過而進(jìn)行多階段酶解的過程中，酶解產(chǎn)物的粘度和 平均粒徑逐漸降低，解決了由于酶解過程的黏度過大造成的粘連、混合難的技術(shù)問題；同 時，可溶性寡糖，如木寡糖、葡寡糖、纖維二糖；單糖，如葡萄糖、木糖的濃度逐漸上升，實現(xiàn) 了在有效控制酶解廣物的粘度、顆粒大小的如提下不斷提1?募糖和單糖的含量，而進(jìn)一步 提高了產(chǎn)糖效率。在本發(fā)明中，酶、物料與酶解裝置之間的交互作用是降低酶解產(chǎn)物黏度的 主要因素。酶解工藝，特別是在優(yōu)選的酶解裝置中進(jìn)行的實施方案，可以充分實現(xiàn)酶解裝置 與物料的相互作用，創(chuàng)造了黏度降低的環(huán)境，提高了酶解效率；相對于返混的工藝，縮短了 周期；并能夠?qū)崿F(xiàn)含纖維素原料酶解過程的連續(xù)進(jìn)出料，從而降低了在生產(chǎn)過程中的操作 強度。
[0014] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0015] 附圖是用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具 體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：
[0016] 圖1是本發(fā)明提供的預(yù)混裝置1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明提供的主酶解裝置2的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明提供的酶解系統(tǒng)3的示意圖。
[0019] 附圖標(biāo)記說明
[0020] 1預(yù)混裝置11預(yù)混管道 12進(jìn)料口
[0021] 13出料口 14螺旋進(jìn)給器15 pH值調(diào)節(jié)劑入口
[0022] 16預(yù)混酶入口；
[0023] 2主酶解裝置 21罐體 22攪拌軸
[0024] 23隔板 24渦輪式攪拌器
[0025] 25旋槳式攪拌器26含纖維素原料入口 27酶入口
[0026] 28物料出口 29補充酶入口；
[0027] 4間歇酶解裝置。
【具體實施方式】
[0028] 以下對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體 實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0029] 在本發(fā)明中，在未作相反說明的情況下，使用的方位詞如"上"、"下"通常是指附圖 中所示的罐體21的高度方向的上和下；"內(nèi)"、"外"是指酶解裝置罐體21或者間歇酶解罐 罐體的內(nèi)部和外部；"軸向"指攪拌軸22的方向，"徑向"指罐體的直徑方向，即垂直于攪拌 軸22的方向。
[0030] 按照本發(fā)明，所述含纖維素原料的酶解方法包括將含纖維素原料酶解，得到酶解 產(chǎn)物，其中，在將含纖維素原料酶解之前，該方法還包括預(yù)混步驟，所述預(yù)混步驟包括：在攪 拌和擠壓下，先將含纖維素原料與pH值調(diào)節(jié)劑混合，調(diào)節(jié)所述含纖維素原料的pH值為4-6， 然后將pH值為4-6的含纖維素原料與酶混合，所述含纖維素原料的干物質(zhì)含量為15-50重 量％，優(yōu)選為20-40重量％。
[0031] 按照本發(fā)明，在酶解之前通常將含纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理的方法為 本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，優(yōu)選采用蒸汽爆破的方法對含纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理，因此，所述 含纖維素原料優(yōu)選為蒸汽爆破的含纖維素原料。由于根據(jù)蒸汽爆破工藝的不同，所述蒸汽 爆破工藝又包括酸性蒸汽爆破、堿性蒸汽爆破和中性蒸汽爆破，即，在蒸汽爆破時分別加入 酸、堿或者水，例如，在酸性蒸汽爆破時，在物料中加入酸或者酸性氣體，如C0 2、S02 ;在堿 性蒸汽氣爆時加入堿，如氨水、氫氧化鈉等，或者在中性蒸汽爆破時加入水。因此，在本發(fā) 明中，所述預(yù)混步驟中pH值調(diào)節(jié)劑的種類可以根據(jù)蒸汽爆破工藝的不同如根據(jù)所得含纖 維素原料的pH值，而進(jìn)行適當(dāng)選擇用酸（例如，所述酸性物質(zhì)可以是酸性氣體，包括二氧 化碳、二氧化硫以及硫酸、鹽酸和磷酸中的一種或多種）或用堿（例如，所述堿性物質(zhì)可 以是氨水、氫氧化鈉和/或氫氧化鉀）進(jìn)行調(diào)節(jié)，只要能夠滿足調(diào)節(jié)所述含纖維素原料的 pH值為4-6即可。優(yōu)選情況下，將含纖維素原料與pH值調(diào)節(jié)劑混合的條件包括：溫度為 50-60°C。在預(yù)混階段將所述含纖維素原料進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)能夠更好地使含纖維素原料的pH 被調(diào)節(jié)地更為均勻，從而使物料在酶解之前就具備了進(jìn)行充分酶解的條件和狀態(tài)。
[0032] 按照本發(fā)明，在預(yù)混步驟中，將經(jīng)過調(diào)節(jié)pH值的含纖維素原料與部分酶的充分預(yù) 混合，有效地提高了酶的利用率和增強了酶混合效率。優(yōu)選情況下，將pH值為4-6的含纖 維素原料與酶混合的條件包括：溫度為50-60°C，酶的用量為預(yù)混步驟和酶解過程酶總加 入量的10-30%，混合時間只要保證酶與上述經(jīng)過pH值調(diào)節(jié)的含纖維素原料的充分混合即 可，通常為0. 5-2分鐘。
[0033] 按照本發(fā)明，所述預(yù)混步驟可以在本領(lǐng)域公知的各種混合設(shè)備中進(jìn)行，優(yōu)選情況 下，如圖1所示，所述預(yù)混步驟在預(yù)混裝置1中進(jìn)行，所述預(yù)混裝置1包括預(yù)混管道11，所 述預(yù)混管道11的一端設(shè)置有進(jìn)料口 12,另一端設(shè)置有出料口 13,且所述預(yù)混管道11的內(nèi) 部設(shè)置有用以將物料從進(jìn)料口 12向出料口 13連續(xù)推進(jìn)的螺旋進(jìn)給器14,在靠近進(jìn)料口 12 一端的預(yù)混管道11上設(shè)置有pH值調(diào)節(jié)劑入口 15,在靠近出料口 13 -端的預(yù)混管道11上