CN104911164A - 一种提高纤维素酶使用效率的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高纤维素酶使用效率的方法和装置，其方法为：（1）先用稀硫酸提取出半纤维素再碱泡脱除木质素处理纤维素原料，（2）在酶解反应器中用纤维素酶水解处理好的纤维素原料；避免了木质素对纤维素酶的吸附，同时增加了半纤维素的利用率，所述酶解反应器取消搅拌装置，解决了传统酶解反应器由于过量的搅拌造成酶的失活的问题；由传统的间歇工艺改变为连续工艺，解决了过程中的产物抑制问题；使用本发明的方法和装置，纤维素酶的使用量明显低于传统工艺。

Description

一种提高纤维素酶使用效率的方法和装置
技术领域
本专利涉及使用纤维素酶对纤维素进行酶解时，提高使用效率，降低使用量的方法和装置。
背景技术
纤维素水解技术手段目前主要包括稀硫酸水解和纤维素酶水解，其中酶水解的效率和最终产物的选择性和纯度更高，然而，酶水解的高昂的纤维素酶的成本是目前难以克服的困难。
在目前纤维素酶的技术水平下，造成纤维素酶使用成本过高的原因有以下几点：
1、与植物本身的构成结构有关。有的植物的纤维素结晶度高，结构致密，尽管经过各种手段预处理，但仍旧很难破坏结构，以使纤维素酶与纤维素接触。
2、预处理后，植物纤维中仍有大量木质素残留。木质素可以吸附纤维素酶，使得本应与纤维素反应的酶量降低。
3、通常的水解流程都是间歇式，随着纤维素的逐渐降解，其含量越来越少，因此纤维素酶与纤维素接触的几率也在逐渐降低，而此时体系内仍有部分酶具有高活力，这也是降低纤维素酶使用效率的因素之一；间歇的酶解反应过程中会产生产物抑制的现象，同样可以造成酶解效率降低。
4、通常的酶解反应器都配备搅拌器，对酶水解体系进行搅拌混合，促进纤维素酶与纤维素的结合。但研究中发现，纤维素酶对于搅拌的剪切非常敏感，过量的搅拌会造成酶的失活
目前，公开的文献资料上，纤维素酶的使用量一般不小于纤维素总量的10%，水解液中总还原糖含量不大于8%。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种提高纤维素酶使用效率的方法和装置，增大纤维素酶与纤维素接触的机会，由传统的间歇工艺改变为连续工艺，解决了过程中的产物抑制问题，降低纤维素酶的使用量。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
一种提高纤维素酶使用效率的方法，方法如下：
（1）纤维素原料的处理
①使用质量浓度为5%~10%的稀硫酸处理纤维素原料提取出纤维素原料中的半纤维素，稀硫酸与纤维素原料的质量比为3:1；
②将经过步骤（1）①处理后的溶液过滤出固体，将固体用清水洗至pH为6.5～7.0；同时收集滤液，此时滤液为含有半纤维素的稀硫酸液体；
③将经过步骤（1）②处理得到的固体用质量浓度为15~20%的氢氧化钠水溶液在120度的条件下浸泡3小时以上，以脱除木质素，滤出得处理好的纤维素原料；氢氧化钠水溶液与固体的质量比为10:1；
④含有半纤维素的稀硫酸液体继续对未进行处理过的纤维素进行步骤（1）①处理，再经步骤(1)②得含有半纤维素的稀硫酸液体，可反复使用4~6次，对最终的含有半纤维素的稀酸液体使用质量浓度为2~5%的氢氧化钠水溶液中和至pH为4~4.5得稀酸水解液；
（2）纤维素酶的水解
①将处理好的纤维素原料加入酶解反应器中，将纤维素原料压紧，压出的液体排出后循环回酶解反应器中；
②重复步骤（2）①，压紧纤维素原料使其填满容器，压紧后保持压力为1.5~3kg/cm2；
③使用水和稀酸水解液将诺维信纤维素酶Carezyme®4500L配制成0.1~0.5%的纤维素酶水溶液，诺维信纤维素酶Carezyme®4500L的投加量为处理好的纤维素原料中纤维素含量的3~5%；纤维素酶水溶液体积总量为处理好的纤维素原料中纤维素含量的10~15倍；
④将纤维素酶水溶液进入酶解反应器，纤维素酶水溶液的体积流量为反应容器体积的1/48，入口压力大于3kg/cm2，当出口有液体流出时，使用蛋白测定仪检测蛋白含量，使用液相色谱检验总还原糖含量；当发现蛋白含量持续增加，且总还原糖持续减少10%以上时即得纤维素水解液，此时停止纤维素酶水溶液进入，停止出口液体的流出，继续重复步骤（2）①②④。
一种提高纤维素酶使用效率的装置，所述装置为酶解反应器，所述酶解反应器包括溶液罐体和液压升降装置，罐体上设有可切断的加料口、纤维素水解液的出口和残液口，罐体下部设有纤维素酶水溶液的进口，罐体上部安装带背压监测的液压升降装置，液压升降装置上部连有电动机，液压升降装置下部连有活塞压板，由电动机带动液压升降装置控制活塞压板在罐体中上下运动。
本发明的有益效果为：
使用一定浓度的氢氧化钠水溶液对纤维素原料进行预处理可以非常有效的去除木质素，避免木质素对纤维素酶的吸附；但由于半纤维素和木质素结合更为紧密，会造成相当量的半纤维素的损失，为此先使用一定浓度的硫酸先将纤维素原料中的半纤维素提取出来，避免了在将木质素脱除彻底的同时降低半纤维素的利用率。
本发明中，酶解反应器取消了搅拌器，解决了传统酶解反应器由于过量的搅拌造成酶的失活的问题，并且该酶解反应器将工艺由传统的间歇工艺改变为连续工艺，解决了过程中的产物抑制问题，不会产生底物的累积抑，同时增大了纤维素酶与纤维素的接触面积和时间。
使用本发明的方法和装置用纤维素酶水解纤维素原料，纤维素酶的使用量低于纤维素含量的5%。
附图说明
图1为本发明酶解反应器的结构图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明所述的纤维素原料为市售甘蔗渣，在105℃下烘干4～6小时得到干的甘蔗渣，检测纤维素和半纤维素含量为72%。
实施例1
（1）甘蔗渣的处理
①称取10kg的干的甘蔗渣，使用30L质量浓度为5%的稀硫酸处理纤维素原料提取出纤维素原料中的半纤维素；
②将经过步骤（1）①处理后的溶液过滤出固体，将固体用清水洗至pH为6.5～7.0；同时收集滤液，此时滤液为含有半纤维素的稀硫酸液体；
③将经过步骤（1）②处理得到的固体用质量浓度为15%的氢氧化钠水溶液在120度的条件下浸泡5小时，以脱除木质素，滤出得处理好的甘蔗渣，氢氧化钠水溶液与固体的质量比为10:1；
④含有半纤维素的稀硫酸液体继续对未进行处理过的纤维素进行步骤（1）①处理，再经步骤(1)②得含有半纤维素的稀硫酸液体，可反复使用4~6次，对30L最终的含有半纤维素的稀酸液体使用15L质量浓度为5%的氢氧化钠水溶液中和至pH为4.5得稀酸水解液；
（2）纤维素酶的水解
①启动电机1提升活塞压板3至反应器罐体8顶部后，将处理好的甘蔗渣由加料口4加入2L的酶解反应器中，启动电动机1带动活塞压板3将甘蔗渣压紧，压出的液体从残液口7排出后循环回进料储罐中；
②重复步骤（2）①，压紧纤维素原料使其填满容器，压紧后保持液压升降装置2的背压指示为2kg/cm2。
③使用27L自来水和稀酸水解液将诺维信纤维素酶Carezyme®4500L配制成0.3%的纤维素酶水溶液，诺维信纤维素酶Carezyme®4500L的投加量为0.216kg；纤维素酶水溶液体积总量为72L；
④将纤维素酶水溶液由纤维素酶的水溶液进口6进入酶解反应器，纤维素酶水溶液的体积流量为42ml/h，入口压力大于3kg/cm2，当水解液出口5有液体流出时，使用蛋白测定仪检测蛋白含量为0.001%，使用液相色谱检验总还原糖含量基本维持在30g/L；当发现蛋白含量持续增加，且总还原糖持续减少至27g/L以下时即得纤维素水解液，此时停止纤维素酶水溶液进入，停止水解液出口液体的流出，继续重复步骤（2）①②④。
实际收取的纤维素水解液为69L，还原糖总含量为9.5%。实际酶使用量低于纤维素含量的5%。
由上述实施例可以看出，采用本发明提高纤维素酶使用效率的方法和装置，纤维素酶的使用量明显低于传统方法，降低了生产成本。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中，因此，本发明不受本实施例的限制，任何采用等效替换取得的技术方案均在本发明保护的范围内。

Claims (2)

1.一种提高纤维素酶使用效率的方法，其特征为，方法如下：
（1）纤维素原料的处理
①使用质量浓度为5%~10%的稀硫酸处理纤维素原料提取出纤维素原料中的半纤维素，稀硫酸与纤维素原料的质量比为3:1；
②将经过步骤（1）①处理后的溶液过滤出固体，将固体用清水洗至pH为6.5～7.0；同时收集滤液，此时滤液为含有半纤维素的稀硫酸液体；
③将经过步骤（1）②处理得到的固体用质量浓度为15~20%的氢氧化钠水溶液在120度的条件下浸泡3小时以上，以脱除木质素，滤出得处理好的纤维素原料；氢氧化钠水溶液与固体的质量比为10:1；
④含有半纤维素的稀硫酸液体继续对未进行处理过的纤维素进行步骤（1）①处理，再经步骤(1)②得含有半纤维素的稀硫酸液体，可反复使用4~6次，对最终的含有半纤维素的稀酸液体使用质量浓度为2~5%的氢氧化钠水溶液中和至pH为4~4.5得稀酸水解液；
（2）纤维素酶的水解
①将处理好的纤维素原料加入酶解反应器中，将纤维素原料压紧，压出的液体排出后循环回酶解反应器中；
②重复步骤（2）①，压紧纤维素原料使其填满容器，压紧后保持压力为1.5~3kg/cm2；③使用水和稀酸水解液将诺维信纤维素酶Carezyme®4500L配制成0.1~0.5%的纤维素酶水溶液，诺维信纤维素酶Carezyme®4500L的投加量为处理好的纤维素原料中纤维素含量的3~5%；纤维素酶水溶液体积总量为处理好的纤维素原料中纤维素含量的10~15倍；
④将纤维素酶水溶液进入酶解反应器，纤维素酶水溶液的体积流量为反应容器体积的1/48，入口压力大于3kg/cm2，当出口有液体流出时，使用蛋白测定仪检测蛋白含量，使用液相色谱检验总还原糖含量；当发现蛋白含量持续增加，且总还原糖持续减少10%以上时即得纤维素水解液，此时停止纤维素酶水溶液进入，停止出口液体的流出，继续重复步骤（2）①②④。
2.一种提高纤维素酶使用效率的装置，其特征为，所述装置为酶解反应器，所述酶解反应器包括溶液罐体和液压升降装置，罐体上设有可切断的加料口、纤维素水解液的出口和残液口，罐体下部设有纤维素酶水溶液的进口，罐体上部安装带背压监测的液压升降装置，液压升降装置上部连有电动机，液压升降装置下部连有活塞压板，由电动机带动液压升降装置控制活塞压板在罐体中上下运动。
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