一种木质纤维素酶解过程中酶循环利用的方法

摘要

本发明属于纤维乙醇生产的技术领域。一种木质纤维素酶解过程中酶循环利用的方法，具体步骤如下：启动酶解罐，根据设定的底物浓度，将物料、水分批连续均匀投加到酶解罐中，同时分批连续均匀投加木质纤维素水解酶，进行酶解；酶解结束后，将酶解液降温到30~32℃，接种酿酒酵母，进行发酵；所得发酵液导入减压蒸馏塔中进行负压蒸馏；负压蒸馏所得蒸馏残液导入酶解罐中进行酶回用，循环次数为1~2次。本发明通过减压蒸馏，保留了发酵液中残余的纤维素酶活性，通过回用将蒸馏残液加入新的酶解体系中，可以降低20~25%的木质纤维素水解酶用量，大大提高纤维素酶的利用率，从而降低生产成本。

说明书

技术领域

本发明属于纤维乙醇生产的技术领域，具体涉及一种木质纤维素酶解过程中酶循环利用的方法。

背景技术

木质纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。全世界每年通过光合作用产生的木质纤维生物质高达1000亿吨。我国是农业大国，具有丰富的生物质资源，仅农作物秸秆一项每年就有近8×10⁸吨（约合4亿吨标煤），占全国一次能源消耗总量的10~15%，加上数量巨大的林业纤维废料和工业纤维废渣，每年可利用的木质纤维原料总量可达20亿吨以上。木质纤维原料中纤维素约占干重的35~45％，半纤维素约占20~40％，采用适宜技术将它们水解成可发酵性糖，进一步发酵生产乙醇，充分利用这些生物质资源可缓解我国资源短缺的压力，减轻环境污染，推动农业生态良性循环，对建设节能低碳社会具有重要意义。

通常纤维乙醇的生产过程包括原料的预处理、酶水解、发酵和蒸馏提纯，其中酶解是整个纤维乙醇生产的主要技术和经济瓶颈。目前，纤维素水解糖化最主要的问题是酶解效率低，酶解周期长，酶用量大，转化率不高等方面，这些问题严重制约了木质纤维原料的生物转化和利用。纤维素酶制剂的费用高是影响生物乙醇价格的主要因素之一，降低纤维素酶使用量或费用的技术成为生物乙醇生产重点。

纤维素酶在水解木质纤维素初期是吸附在底物上面的，当反应结束后,由于底物浓度的变化，酶逐渐从底物中脱离出来，成为游离酶的状态，分散于酶解液中,另一部分则吸附于高木质素含量的酶解残渣中。酶解液中的游离酶可通过回收再利用，充分发挥其价值。

实现高效酶解，减少酶解成本，可从以下三处着手：1）预料的预处理；2）尽可能降低水解酶的工业生产成本，酶成本降低到一定范围，纤维乙醇整个投资成本才可与石油具有竞争优势；3）有效纤维素酶的回收重复利用，即使酶水解过程中的酶充分的参与反应，增加酶与纤维素的接触机会，提高酶解效率，实现酶回收重复利用。

专利CN101974570A公开了一种燃料乙醇生产中回收再利用纤维素酶全组份的方法，指在木质纤维素同步糖化发酵工段后利用耦合新鲜底物重吸附和固定化纤维二糖酶工艺回收再利用纤维素酶全组分的方法，该发明涉及到固定化过程，由于固定化酶与纤维素固体颗粒之间存在很大的传质障碍,因此在木质纤维素酶解体系中目前仅限于纤维二糖酶的固定化回收再用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对传统酶解工艺游离纤维素酶未充分利用，提供一种木质纤维素酶解过程中酶循环利用的方法，提高游离纤维素酶的利用率，降低生产成本。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种木质纤维素酶解过程中酶循环利用的方法，采用酶解罐、发酵罐和蒸馏塔串联进行，先按设定的投料比进行酶解，酶解结束后，降温接种进行发酵，再将发酵液导入减压蒸馏塔进行负压蒸馏，除去乙醇，活性酵母失活，留下游离的纤维素酶，最后将蒸馏残液导入酶解体系中进行回用，具体步骤如下：

步骤1）：启动酶解罐，根据设定的底物浓度，将物料、水分批连续均匀投加到酶解罐中，同时分批连续均匀投加木质纤维素水解酶，进行酶解；

步骤2）：酶解结束后，将酶解液降温到30~32℃，接种酿酒酵母，进行发酵；

步骤3）：将步骤2）发酵所得发酵液导入减压蒸馏塔中进行负压蒸馏；

步骤4）：将步骤3）负压蒸馏所得蒸馏残液导入酶解罐中进行酶回用，循环次数为1~2次。

进一步的，步骤1）所述的物料为经过预处理的木质纤维素物料，所述木质纤维素物料可以为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆中的一种，或为本领域技术人员所公知的木质纤维素物料；所述预处理包括如下步骤：首先将木质纤维素物料采用机械设备进行粉碎处理，使粒径达到0.14~32毫米，然后由皮带输送机传送入蒸汽爆破罐进行处理，再经板框压滤机压滤使物料的含水量为50~65%。

进一步的，步骤1）所述设定的底物浓度为20~25%，所述的将物料和水分批连续均匀投加到酶解罐中，同时分批连续均匀投加木质纤维素水解酶的具体方法是：初次投加物料的重量占总投加物料量的1/8~1/6，初次投加木质纤维素水解酶的量为总投加酶量的5/9~7/9，当酶解罐完成总投加物料量的1/2~3/4时，一次加入剩余的2/9~4/9酶量，投料结束；

每克绝干物料添加木质纤维素水解酶30~60FPU。

进一步的，步骤1）中，所述的将物料和水分批连续均匀投加到酶解罐中，同时分批连续均匀投加木质纤维素水解酶的具体方法是：初次投加物料的重量占总投加物料量的1/6，初次投加木质纤维素水解酶的重量为总投加酶量的2/3，当酶解罐完成总投加物料量的3/4时，一次加入剩余的1/3酶量，投料结束；从酶解罐启动到投料结束，16h以内完成，酶解至48h时转入步骤2）。

进一步的，步骤2）中所述的发酵工艺条件为：发酵温度为30~32℃，接种量为0.5~0.8‰，转速为60~150r/min。

进一步的，步骤3）中所述负压蒸馏的工艺条件为：蒸馏温度为50~70℃，真空度为-1.2~-0.90Mpa，蒸馏时间为0.4~1.0h，充分将发酵液中的乙醇抽提完毕。

进一步的，步骤4）所述导入酶解罐的蒸馏残液体积是酶解罐实际装罐体积的25%。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明发酵液中的活性酵母在负压蒸馏的高温环境下失活，减压蒸馏塔内的发酵液中含有未失活的纤维素酶。本发明通过减压蒸馏，保留了发酵液中残余的纤维素酶活性，通过回用将蒸馏残液加入新的酶解体系中，可以降低20~25%的木质纤维素水解酶用量，大大提高纤维素酶的利用率，从而降低生产成本。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

下述实施例中，木质纤维素水解酶，也可称作纤维素复合酶或复合纤维素酶，配制方法为：将纤维素酶、木聚糖酶、纤维二糖酶按比例混合，加入1‰PEG4000，制得。本发明中，所述木质纤维素水解酶的滤纸酶活（FPU）为800FPU/mL。酶活定义为国际单位（IU），即1min产生1μmol葡萄糖所需酶量为1酶活单位。纤维素酶、木聚糖酶、纤维二糖酶、PEG4000均为常用试剂，可通过市售获得。

下述实施例中，酿酒酵母由安琪酵母股份有限公司提供，其活化方法为本领域的常规技术，在本发明中的方法为：称取活性干酵母，加入经灭菌处理的2％（w/v）葡萄糖水溶液在30℃条件下，通风培养30~45min，起泡为准，即可做接种使用。

下述实施例1~3中，酶解罐中酶解液的密度按1.1kg/L计算（现场测定数值），水的密度按1.0kg/L计算。

下面仅以小麦秸秆为例，阐述本发明的技术方案以使本领域技术人员能够实施。同样的，本领域技术人员可以用其它物料，包括玉米秸秆、水稻秸秆和其它公知的木质纤维素物料中的一种或多种，在本发明技术内容的记载或启示下，实现其酶解过程中酶的循环利用问题；必落在本发明的保护范围之内。

实施例1

以50L酶解罐为例对本发明做进一步说明。

一种木质纤维素酶解过程中酶循环利用的方法，采用酶解罐、发酵罐和蒸馏塔串联进行，先按设定的底物浓度投料进行酶解，酶解结束后，降温接种进行发酵，再将发酵液导入减压蒸馏塔中进行负压蒸馏，除去乙醇，活性酵母失活，留下游离的纤维素酶，最后将蒸馏残液导入酶解体系中进行回用，具体步骤如下：

1）向空消处理后的50L酶解罐M1中加入自来水19.5L，开启搅拌，设定底物浓度均为25%（w/v），由投料口向M1投入含水量为50%(w/w)的小麦秸秆3.33kg（1/6），待搅拌均匀后，加入木质纤维素水解酶0.33L(2/3)，控制反应温度50℃，开始进入酶解过程；接着连续均匀进料，当进料量达15kg(3/4)时，加入余下的木质纤维素水解酶0.17L，继续连续均匀投料，于开始投料后16h内补料至总量达20kg；每克绝干物料添加木质纤维素水解酶40FPU；

2）酶解至48h时，降温至30℃接种酿酒酵母进行发酵，控制发酵条件为：发酵温度为30℃，接种量为0.5‰（v/v），转速为60r/min；

3）待发酵结束后，于55±2℃，-0.95Mpa的真空度下，对发酵液进行减压蒸馏0.8h，充分将其中的乙醇抽提完毕；

4）将10L底物浓度为20%（w/v）的蒸馏残液导入M1中，依次加入水9.5L、木质纤维素水解酶0.33L、物料3.4kg，控制反应温度50±2℃，开始进入第二批次酶解过程，具体实施方法同步骤1），循环1次结束。

本实施例中，小麦秸秆是经过预处理后的物料，其预处理的方法为：首先将小麦秸秆采用机械设备进行粉碎处理，使粒径达到0.14~32毫米，然后由皮带输送机传送入蒸汽爆破罐进行处理，再经板框压滤机压滤使物料的含水量为50%。以下内容中所记载的小麦秸秆与本实施例相同，不再赘述。

经计算，在循环周期内与间歇式酶解糖化发酵工艺相比，木质纤维素水解酶用量减少20%。

实施例2

以150m³酶解罐为例对本发明做进一步说明。

一种木质纤维素酶解过程中酶循环利用的方法，采用酶解罐、发酵罐和蒸馏塔串联进行，先按设定的底物浓度投料进行酶解，酶解结束后，降温接种进行发酵，再将发酵液导入减压蒸馏塔进行负压蒸馏，除去乙醇，活性酵母失活，留下游离的纤维素酶，最后将蒸馏残液导入酶解体系中进行回用，具体步骤如下：

1）向空消处理后的150m³酶解罐M1加入自来水58.5m³，开启搅拌，设定底物浓度均为25%（w/v），由投料口向M1投入含水量为50%(w/w)的小麦秸秆10吨（1/6），待搅拌均匀后，加入木质纤维素水解酶1.0m³(2/3)，控制反应温度50±1℃，开始进入酶解过程，接着连续均匀进料，当进料量达45吨(3/4)时，加入余下的木质纤维素水解酶0.5m³，继续连续均匀投料，于开始投料后16h内补料至总量达60吨；每克绝干物料添加木质纤维素水解酶40FPU；

2）酶解至48h时，降温至32℃接种酿酒酵母进行发酵，控制发酵条件为：发酵温度为32℃，接种量为0.8‰（v/v），转速为150r/min；

3）待发酵结束后，于60±2℃，-1.1Mpa的真空度下，对发酵液进行减压蒸馏0.5h，充分将其中的馏分乙醇抽提完毕；

4）将30m³底物浓度为20%（w/v）的蒸馏残液导入M1中，依次加入水28.5m³、木质纤维素水解酶1.0m³、物料50吨，控制反应温度50℃，开始进入第二批次酶解过程，具体实施方法同步骤1），循环1次结束。

经计算，在循环周期内与间歇式酶解糖化发酵工艺相比，木质纤维素水解酶用量减少25%。

实施例3

以150m³酶解罐为例对本发明做进一步说明。

一种木质纤维素酶解过程中酶循环利用的方法，采用酶解罐、发酵罐和蒸馏塔串联进行，先按设定的底物浓度投料进行酶解，酶解结束后，降温接种进行发酵，再将发酵液导入减压蒸馏塔进行负压蒸馏，除去乙醇，活性酵母失活，留下游离的纤维素酶，最后将蒸馏残液导入酶解体系中进行回用，具体步骤如下：

1)向空消处理后的150m³酶解罐M1加入自来水70.8吨，开启搅拌，设定底物浓度均为20%（w/v），由投料口向M1投入含水量为50%(w/w)的小麦秸秆8吨（1/6），待搅拌均匀后，加入木质纤维素水解酶0.8m³(2/3)，控制反应温度50±1℃，开始进入酶解过程，接着连续均匀进料，当进料量达36吨(3/4)时，加入余下的木质纤维素水解酶0.4m³，继续连续均匀投料，于开始投料后16h内补料至总量达48吨；每克绝干物料添加木质纤维素水解酶40FPU；

2）酶解至48h时，降温至32℃接种酿酒酵母进行发酵，控制发酵条件为：发酵温度为32℃，接种量为0.6‰（v/v），转速为120r/min；

2）待发酵结束后，于65±2℃，-1.2Mpa的真空度下，对发酵液进行减压蒸馏0.4h，充分将其中的馏分乙醇抽提完毕；

3）将30m³底物浓度20%（w/v）蒸馏残液导入M1中，依次加入水40.8m³、木质纤维素水解酶0.8m³、物料8吨，控制反应温度50℃，开始进入第二批次酶解过程，具体实施方法同步骤1），循环1次结束。

经计算，在循环周期内与间歇式酶解糖化发酵工艺相比，木质纤维素水解酶用量减少20%。