CN109943608A - 秸秆的快速酶解及定量酶回收的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种秸秆的快速酶解及定量酶回收的方法。所述方法在经过预处理的秸秆中加入水解酶和水，调节pH至酶的最适pH范围，进行24h的酶解反应，并在第1轮酶解反应结束后，进行固液分离，分离得到的酶解液用于发酵生产乙醇固液分离得到固体取其中75％的固体直接进入第2轮酶解反应，第2轮酶解过程加入的酶量为第1轮酶解反应所加酶量的50％，其余条件与第1轮酶解反应相同，进行24小时的反应；另取剩下的25％的固体作为里氏木霉发酵的底物用于产酶，生产的酶用于秸秆的酶水解，重复4轮以上酶解反应及酶解反应结束后的操作，收集产生的乙醇。本发明减少酶用量的同时实现酶的再生，极大程度上节约酶水解的成本。

Description

秸秆的快速酶解及定量酶回收的方法

技术领域

本发明属于木质纤维素酶水解技术领域，涉及一种秸秆的快速酶解及定量酶回收的方法。

背景技术

生物质能源是解决现实和未来能源危机和环境污染最有潜力的途径之一。基于淀粉和糖类发酵产燃料乙醇的第一代燃料乙醇技术存在“与人争粮，与粮争地”的问题，因此以纤维素为原料的第二代燃料乙醇技术必然是新世纪新能源的主流之一。另外，目前剩余大量的秸秆类生物质能源主要被焚烧，利用率极低。而纤维素乙醇技术既可以利用废弃农作物秸秆又能生产可再生清洁能源——燃料乙醇，因而比第一代燃料乙醇技术更具优势。但是由于关键技术的未成熟与经济性的局限，现有的纤维素乙醇技术还没有进行大规模商业化应用。

目前纤维素乙醇技术面临的最大难题便是木质纤维素的处理。木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素构成，其中纤维素和半纤维素可经由酶水解得到能为生物所利用的糖类，而木质素则难以被生物降解利用，且其对纤维素的包裹作用及自身的结晶结构还会阻碍纤维素的降解。传统的酶水解方法直接按40mg酶/g葡聚糖的酶加量进行72小时的水解，由于纤维素酶稳定性较差，寿命较短，活性较低，酶水解时的效率较低，导致酶水解糖化过程的成本也相应提高。因此，寻求高效的木质纤维素酶水解方法是解决纤维素乙醇技术问题的突破口。

发明内容

本发明的目的在于提供一种秸秆的快速酶解及定量酶回收的方法。所述方法通过控制秸秆的酶水解时间，分批次进行快速酶解，并在各批次间进行固体回收。

实现本发明目的的技术方案如下：

秸秆的快速酶解及定量酶回收的方法，具体步骤如下：

步骤1，在经过预处理的秸秆中加入水解酶和水，调节pH至酶的最适pH范围，进行24h的酶解反应；

步骤2，步骤1的第1轮酶解反应结束后，进行固液分离，分离得到的酶解液用于发酵生产乙醇固液分离得到固体取其中75％的固体直接进入第2轮酶解反应，第2轮酶解过程加入的酶量为步骤1中所加酶量的50％，其余条件与步骤1相同，进行24小时的反应；另取固液分离得到的剩下的25％的固体作为里氏木霉发酵的底物用于产酶，生产的酶用于秸秆的酶水解；

步骤3，第2轮酶解反应结束后，重复步骤2的第1轮酶解反应结束后的操作，重复4轮以上酶解反应及酶解反应结束后的操作，收集产生的乙醇。

本发明中，步骤1所述的预处理可以是稀碱预处理或稀酸预处理。

本发明中，步骤1所述的水解酶采用本领域常规使用的水解酶，可以为纤维素酶、木聚糖酶和里氏木霉等中的一种或几种的混合物。

本发明中，步骤1所述的pH为酶的最适pH范围，一般为4～6。

本发明中，步骤1中，所述的酶解反应温度为50℃，酶解反应置于动态摇床中，转速为250rpm。

传统的木质纤维酶解中，在木质纤维素高底物浓度(干物浓度≥18％)的酶水解过程中，酶解速率会在很短时间内达到极大值。在大约23h时，预处理秸秆中的纤维素和半纤维素的转化率就能达到70％左右。但之后的酶解速率会大幅度下降，需要另外的48-96小时才能将纤维素转化率从70％提高到85％左右。酶解速率下降主要是由于预处理后的木质纤维素仍然有一部分是比较难降解的，而这部分难降解的木质纤维素是在酶解的后期才被降解，加上后期酶解产物(糖)的强反馈抑制，造成了后期酶水解的缓慢。

本发明利用酶解反应动力学特性，只进行24小时的酶水解，充分利用高酶解速率阶段、避免低酶解速率。24小时酶解后，进行固液分离，将75％的未水解的固体木质纤维素回收至下一批的酶水解，从而使得这部分难降解的木质纤维素在水解时一定程度上避免了产物的反馈抑制。由于此时≥60％的酶吸附在未水解的固体木质纤维素上，因此回收未水解的木质纤维素的同时也回收了酶。另外，酶回收是在24小时快速酶解之后，因此回收的酶保留了大部分的活性。为了防止由于回收固体木质纤维素残留在酶解反应器中的过度累积，一部分固体木质纤维素(25％)定期地被转移至较小的酶解反应器中，加入水及里氏木霉后进行产酶发酵，生产的纤维素酶用于秸秆的酶水解。本发明减少酶用量的同时实现酶的再生，极大程度上节约酶水解的成本。

附图说明

图1为稀碱(a),(c)和稀酸(b),(d)预处理的玉米秸秆在7％(a),(c)和1％(b),(d)葡聚糖下的酶水解结果图。酶水解在50℃，250rpm摇床中进行，玉米秸秆加量为1％(w/w)和7％(w/w)葡聚糖，稀酸玉米秸秆的酶加量40mg protein/g glucan，稀碱玉米秸秆的酶加量为30mg protein/g glucan，纤维素酶与木聚糖酶的蛋白量为1:1，缓冲液为50mMpH4.8柠檬酸盐缓冲液。

图2为稀酸、稀碱预处理的玉米秸秆在7％(w/w)葡聚糖下酶水解过程中的(a),(c)酶吸附情况和(b),(d)底物成分的变化情况结果图。酶水解在50℃，250rpm摇床中进行，玉米秸秆加量为7％(w/w)葡聚糖，稀酸预处理的玉米秸秆的酶加量40mg protein/g glucan，稀碱预处理的玉米秸秆的酶加量为30mgprotein/g glucan，纤维素酶与木聚糖酶的蛋白量为1:1，缓冲液为50mMpH 4.8柠檬酸盐缓冲液。上清液蛋白浓度使用改进的茚三酮法测定。

图3为酶回收策略示意图。

图4为稀酸预处理的秸秆经酶回收实验1号瓶得到的水解液糖含量结果图。

图5为稀酸预处理的秸秆经酶回收实验2号瓶得到的水解液糖含量结果图。

图6为稀酸预处理的秸秆经酶回收实验3号瓶得到的水解液糖含量结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例1

分别在最优条件下对玉米秸秆进行稀碱和稀酸预处理，以研究预处理对酶水解和酶吸附的影响。稀酸预处理去除了玉米秸秆中的木聚糖，而葡聚糖和木质素(含灰分)的含量分别增加到了50.8％和40.1％。相对于稀酸预处理，稀碱预处理的玉米秸秆中的葡聚糖含量与之接近(54.6％)，木聚糖含量较高(21.8％)，木质素含量则低得多(10.9％)。

稀碱、稀酸预处理的玉米秸秆在组分上的不同会对其酶水解和酶吸附产生影响。如图1所示，对于稀碱预处理的玉米秸秆，在7％(w/w)葡聚糖浓度时，葡聚糖和木聚糖在酶水解初始阶段快速转化成葡萄糖和木糖，24小时后水解速率开始下降。24小时时，葡萄糖和木糖的浓度分别达到了68.3g/L和20.4g/L，对应的葡萄糖转化率和木糖转化率分别为76.4％和56.0％。96小时时，葡萄糖和木糖的浓度分别达到了71.5g/L和24.2g/L，分别对应80.7％的葡聚糖转化率和66.4％木聚糖转化率。可以看出，初始的24小时的水解就达到了最终96小时时的大部分转化率。稀酸预处理的玉米秸秆的酶水解也有相同的趋势，在7％(w/w)葡聚糖浓度时，葡萄糖浓度在24小时时达到了62.4g/L，对应葡萄糖转化率为69.5％，在接下来的72小时内，葡萄糖浓度只增加了3.5g/L(如图1(b)所示)。

在高底物浓度(7％(w/w)葡聚糖浓度)下，酶水解后期水解速率的下降的原因之一可能是高糖浓度的积累抑制了酶的活力。然而，在较低的底物浓度(1％(w/w)葡聚糖浓度)水解中，同样也发现了水解后期速率的降低(图1(c)(d))。因此，可能是预处理后的秸秆含有一部分相对很难降解的底物，这可能是水解速率降低的另一个原因。此外，也可能是部分预处理后的底物中的部分木质素与纤维素存在相互作用，阻碍了酶与纤维素的活性位点的接触，导致了水解速率的下降。

实验进一步测定了在7％(w/w)葡聚糖浓度下，稀碱、稀酸预处理的玉米秸秆酶水解过程中的酶吸附特性。如图2(a)所示，在稀碱预处理的玉米秸秆酶水解过程中，液体中的酶蛋白的浓度在开始阶段快速降低至53％，并且最初的24小时内在52％至61％之间浮动，这表面在最初的24小时内有大约39-48％的酶吸附在了固体底物上。在24小时后，酶吸附量保持在40％左右。通过对水解过程中未水解固体的成分进行分析，可以很明显看出在最初24小时内剩余固体的成分有了很大变化，葡聚糖含量从54.6％降低至大约16％，木质素(含灰分)的含量从10.9％增加至60％，如图2(b)所示。理论上，随着纤维素的水解，大量的纤维素酶将会从固体上脱附下来。但是，在上清液中未结合的酶只增加了不到10％。这可能是因为水解会打开预处理后玉米秸秆上大量的酶吸附位点，并且随着水解过程的进行，更多的木质素暴露出来，酶会结合到木质素上，因此水解过程中吸附的酶的变化较小。在稀酸预处理的玉米秸秆的水解上也发现了类似的酶吸附特性，如图2(c)(d)所示。在水解初始阶段，大约有50％的酶吸附到了未水解的固体上，并在24小时时增加至55％，此时未水解固体中木质素(含灰分)的含量达到了70％。总的来说，当大多数葡聚糖都被水解以后，木质素在酶的吸附中可能起着重要的作用。此外，相比于稀碱预处理的玉米秸秆，稀酸预处理的玉米秸秆上的酶吸附得更多。这可能是由于底物的结构、组成以及水解转化率不同导致的。先前的研究指出，木质素的性质会影响纤维素酶在底物上的吸附特性。因为稀碱预处理的玉米秸秆包含的木质素较少，而稀酸预处理的玉米秸秆含有更多的木质素，因此木质素很可能是导致更多的酶吸附到稀酸预处理的玉米秸秆上的原因。并且，稀酸和稀碱预处理可能会对木质素以不同的方式进行修饰，导致两种不同木质素有着不同的酶吸附特性。

实施例2

按1000g反应体系(硫酸含量1％，玉米秸秆干重含量10％)，使用稀酸预处理了500g(干重)玉米秸秆，用以后续酶水解与酶回收实验。

酶水解按100g反应体系(22％底物浓度)进行，并行三组，共进行了四轮实验。在第一轮实验中，酶用量按葡聚糖含量进行计算，其组成为：每组纤维素酶3.08mL，木聚糖酶3.2mL。pH调节为4.8，均置于50℃，250rpm摇床内进行酶解。实验采用分批加料，即先加入11％底物浓度的玉米秸秆，待水解2小时后补加另外11％底物浓度的玉米秸秆。

水解24小时后，将三个摇瓶全部取出，置于离心机中于4℃，10000r/min条件下离心10分钟，进行固液分离后，水解液置于4℃冰箱保藏，75％的固体用于第二轮酶水解体系，另外25％的固体则用作里氏木霉发酵的底物来产酶。后续实验的操作与第一轮相同，但酶加量仅为第一轮实验的一半，即纤维素酶加量为1.54mL，木聚糖酶加量为1.6mL。

四轮实验结束后，对水解液进行了液相测定，结果如图4、图5、图6，可以看到，第一轮实验采用的是完整的酶加量，而后续实验酶加量仅为第一轮的一半，而水解的结果表明，后续实验得到的水解液的糖浓度完全可以达到第一轮实验的糖浓度水平，因此本工艺在稀碱、稀酸预处理的玉米秸秆酶水解上分别减少了40％和50％的酶加量。

Claims (5)

1.秸秆的快速酶解及定量酶回收的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，在经过预处理的秸秆中加入水解酶和水，调节pH至酶的最适pH范围，进行24h的酶解反应；

步骤2，步骤1的第1轮酶解反应结束后，进行固液分离，分离得到的酶解液用于发酵生产乙醇固液分离得到固体取其中75％的固体直接进入第2轮酶解反应，第2轮酶解过程加入的酶量为步骤1中所加酶量的50％，其余条件与步骤1相同，进行24小时的反应；另取固液分离得到的剩下的25％的固体作为里氏木霉发酵的底物用于产酶，生产的酶用于秸秆的酶水解；

步骤3，第2轮酶解反应结束后，重复步骤2的第1轮酶解反应结束后的操作，重复4轮以上酶解反应及酶解反应结束后的操作，收集产生的乙醇。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1所述的预处理为稀碱预处理或稀酸预处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1所述的水解酶为纤维素酶、木聚糖酶和里氏木霉中的一种或几种的混合物。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1所述的pH为4～6。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的酶解反应温度为50℃，酶解反应置于动态摇床中，转速为250rpm。