專利名稱：利用膜反應(yīng)器酶解汽爆秸稈制備還原糖的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種還原糖的制備方法，特別涉及一種利用膜反應(yīng)器酶解汽爆秸稈制備還原糖的方法。
背景技術(shù)：
目前我國秸稈資源產(chǎn)量高達(dá)7.9×108噸之多，并每年以1.3×107噸的速度穩(wěn)步增長。這些植物纖維資源中的纖維素、半纖維素的含量約40％～60％。通過適當(dāng)?shù)乃饧夹g(shù)可以將其中的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化為單糖，并可進(jìn)一步發(fā)酵成酒精或其它高附加值產(chǎn)品。
在最近幾十年里，由于酶解反應(yīng)條件溫和、設(shè)備簡單、能耗低、污染小等原因受到了廣泛的關(guān)注。但纖維素酶解的進(jìn)一步發(fā)展受到了水解速度慢，產(chǎn)率低以及成本高等因素的限制。其中纖維素酶的成本大約相當(dāng)于糖化總成本的60％～80％，因此為了降低纖維素的酶解成本，眾多研究者對纖維素酶的回收和再利用進(jìn)行了研究，如采用丹寧吸附法，新鮮底物吸附，膜回收等方法。用膜反應(yīng)器系統(tǒng)來水解纖維素類物質(zhì)并回收和再利用纖維素酶是一個較完善的途徑，利用適當(dāng)?shù)某瑸V膜來截留纖維素酶和未水解的原料，而水解產(chǎn)物則可以透過膜，從而可以同時達(dá)到消除產(chǎn)物抑制，提高水解產(chǎn)率和再利用纖維素酶以降低生產(chǎn)成本的目的。但汽爆秸稈酶解的最終目的是利用酶解所產(chǎn)生的還原糖，因此最終還原糖濃度的高低直接決定了后續(xù)工藝的難易程度。而傳統(tǒng)的膜反應(yīng)器存在底物濃度低，目標(biāo)產(chǎn)物濃度更低的缺點，不利于酶解成本的進(jìn)一步降低和后續(xù)工藝的進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用膜反應(yīng)器對汽爆秸稈進(jìn)行酶解以制備高濃度還原糖的方法，可以減少酶解產(chǎn)物對汽爆秸稈酶解的抑制作用，降低酶解過程中纖維素酶的使用成本，增加膜反應(yīng)器里的底物濃度，提高生產(chǎn)能力，并節(jié)省了生產(chǎn)中的能耗；同時還可以回收再利用其中的纖維素酶，降低汽爆秸稈的酶解成本。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的利用膜反應(yīng)器酶解汽爆秸稈制備還原糖的方法，其步驟如下(1)在膜反應(yīng)器中的酶解區(qū)(由不少于2個的酶解罐串連組成)中加入經(jīng)稀釋的纖維素酶液或酶曲及經(jīng)滅菌的汽爆秸稈原料，在48-52℃溫度下，進(jìn)行酶解1-3天；所述纖維素酶或酶曲的加入量為10-40IU濾紙酶活/每克汽爆秸稈；(2)開啟與酶解區(qū)相連通的蠕動泵，將緩沖液從第一個酶解罐的上方淋洗下來，對該第一個酶解罐中的汽爆秸稈進(jìn)行酶解，所得酶解液依序淋洗之后的酶解罐，從最后一個酶解罐流出的酶解液進(jìn)入反應(yīng)器中的超濾膜組件，所述超濾膜組件中的超濾膜將酶解產(chǎn)物在線分離出來，同時打開輸液泵，補(bǔ)加緩沖液，以維持整個酶解體系中的液體體積保持不變。
所述的酶解罐為不少于2個。所述的超濾膜組件為截流分子量1000-5萬的中空纖維超濾膜組件或平板超濾膜組件。所述超濾膜組件中的超濾膜為親水性超濾膜或非親水性超濾膜。所述的親水性超濾膜為聚丙烯腈膜或聚醚砜膜。所述的非親水性超濾膜為聚乙烯膜或聚丙烯膜。所述的超濾膜組件中超濾膜兩側(cè)壓力為0-1Mpa。
所述步驟還包括在步驟(1)汽爆秸稈固相酶解1-3天之后，補(bǔ)加原汽爆秸稈原料質(zhì)量20-50％的滅菌后的汽爆秸稈原料，和0-30IU濾紙酶活/每克補(bǔ)加汽爆秸稈原料。本發(fā)明回收的纖維素酶可循環(huán)利用1-5個酶解周期。
本發(fā)明提供的膜反應(yīng)器酶解裝置，包括酶解區(qū)和膜分離區(qū)，其特征在于，所述的酶解區(qū)由不少于2個的酶解罐串聯(lián)構(gòu)成；所述的膜分離區(qū)由超濾膜組件構(gòu)成，所述的超濾膜組件為截流分子量1000-5萬的中空纖維超濾膜組件或平板超濾膜組件。所述超濾膜組件中的超濾膜為親水性超濾膜或非親水性超濾膜。所述的親水性超濾膜為聚丙烯腈膜或聚醚砜膜。所述的非親水性超濾膜為聚乙烯膜或聚丙烯膜。所述的超濾膜組件中超濾膜兩側(cè)壓力為0-1Mpa。
本發(fā)明的工作流程為新鮮的緩沖液通過輸液泵加入到酶解區(qū)。在酶解過程中可將系統(tǒng)分為流動相和固定相部分，固定相是放在酶解罐里的汽爆秸稈和吸附在秸稈上的纖維素酶；流動相就是在膜反應(yīng)器中不停流動的緩沖液。緩沖液從第一個酶解罐的上部噴灑下來，穿過汽爆秸稈從酶解罐的底部流出然后進(jìn)入第二個酶解罐，直至進(jìn)入超濾膜組件，最后和新加入的緩沖液同時回到酶解區(qū)，再次進(jìn)行循環(huán)，新鮮緩沖液的加入量與分離出的酶解液的體積相當(dāng)。通過對汽爆秸稈不停的淋洗，將酶解產(chǎn)生的還原糖溶解下來并利用超濾膜組件進(jìn)行產(chǎn)物的在線分離，達(dá)到去除產(chǎn)物抑制和截留纖維素酶的目的。
本發(fā)明進(jìn)行酶解的方法按以下步驟進(jìn)行首先對秸稈進(jìn)行汽爆預(yù)處理，汽爆條件為蒸汽壓力1.0～1.5Mpa，水分含量5～35％，處理時間2～7min；然后將已吸飽經(jīng)過適當(dāng)稀釋的酶液的汽爆秸稈原料平均放入每個酶解罐里，在一定溫度下進(jìn)行水解反應(yīng)，不加攪拌或振蕩，水解0-0.5h后，開啟蠕動泵和輸液泵，進(jìn)行酶解產(chǎn)物的在線分離。
本發(fā)明采用的汽爆秸稈原料的滅菌方式是0.1Mpa的高壓蒸汽滅菌30min，纖維素酶是10-40IU濾紙酶活/每克汽爆秸稈原料，并在汽爆秸稈酶解1～3天后補(bǔ)加原汽爆秸稈原料20～50％(質(zhì)量百分比)的滅菌汽爆秸稈原料和0～30IU濾紙酶活/每克汽爆秸稈原料。
本發(fā)明采用的超濾膜的截流分子量為1000-5萬，能夠?qū)⒗w維素酶完全截留在反應(yīng)器里。纖維素酶可循環(huán)利用1-5個酶解周期。
本發(fā)明通過調(diào)節(jié)超濾膜組件兩側(cè)的壓力來調(diào)節(jié)酶解產(chǎn)物的去除速度，一般為0～1Mpa。
本發(fā)明的利用膜反應(yīng)器酶解汽爆秸稈制備還原糖的方法，避免了酶解產(chǎn)物對汽爆秸稈酶解的抑制作用，降低了酶解過程中纖維素酶的使用成本，增加了超濾膜反應(yīng)器里的汽爆秸稈濃度，提高了生產(chǎn)能力，并節(jié)省了生產(chǎn)中的能耗，大大降低了汽爆秸稈的酶解成本。


圖1是本發(fā)明的工藝流程圖，酶解區(qū)是由4個酶解罐串聯(lián)而成。
實施方式下面通過實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
實施例1本實施例的汽爆秸稈酶解的酶解區(qū)可由2個酶解罐串聯(lián)而成，其酶解步驟如下1、在膜反應(yīng)器中的由2個串聯(lián)的酶解罐組成的酶解區(qū)加入已滅菌的汽爆秸稈原料和稀釋過的纖維素酶液，在52℃下保溫1天，所述汽爆秸稈原料與纖維素酶液的加入量為40UI濾紙酶活/每克汽爆秸稈；2、開啟與酶解區(qū)相連通的蠕動泵，將緩沖液從第一個酶解罐的上方淋洗下來，對該第一個酶解罐中的汽爆秸稈進(jìn)行酶解，所得酶解液再淋洗第二個酶解罐，該第二個解罐酶的酶解液流入膜反應(yīng)器中的超濾膜組件，通過膜反應(yīng)器中超濾膜將酶解產(chǎn)物在線分離出來，同時打開輸液泵，加入相當(dāng)?shù)木彌_液，以維持整個體系中的液體體積保持不變。
在酶解1天后，最終所得還原糖的平均濃度為15g/L，比普通膜反應(yīng)器的還原糖的平均濃度提高了將近4倍，而汽爆秸稈原料的轉(zhuǎn)化率則提高了30％。
實施例2本實施例的汽爆秸稈酶解步驟同實施例1，只是酶解區(qū)是由4個酶解罐串聯(lián)而成，在酶解1天后，最終所得還原糖的平均濃度為27g/L，比普通膜反應(yīng)器的還原糖的平均濃度提高了將近7倍，而汽爆秸稈原料的轉(zhuǎn)化率則提高了60％。
實施例3本實施例的汽爆秸稈酶解步驟同實施例2，只是在汽爆秸稈酶解1天后補(bǔ)加原先汽爆秸稈的30％(質(zhì)量百分比)的滅菌汽爆秸稈原料，在酶解2天后，最終所得還原糖的平均濃度為20g/L，比普通膜反應(yīng)器的還原糖的平均濃度提高了將近5倍，而汽爆秸稈原料的轉(zhuǎn)化率則提高了35％，而纖維素酶則被循環(huán)利用了兩個酶解周期，降低了纖維素酶的使用成本。
實施例4本實施例的汽爆秸稈酶解步驟同實施例3，只是在補(bǔ)料的同時補(bǔ)加了10IU濾紙酶活/g汽爆秸稈原料，在酶解2天后，最終所得還原糖的平均濃度為35g/L，比普通膜反應(yīng)器的還原糖的平均濃度提高了將近5倍，而汽爆秸稈原料的轉(zhuǎn)化率則提高了53％。
權(quán)利要求
1.一種利用膜反應(yīng)器酶解汽爆秸稈制備還原糖的方法，其步驟如下(1)在膜反應(yīng)器中的由不少于2個酶解罐串連組成的酶解區(qū)中加入經(jīng)稀釋的纖維素酶液或酶曲及經(jīng)滅菌的汽爆秸稈原料，在48-52℃溫度下，進(jìn)行酶解1-3天；所述纖維素酶或酶曲的加入量為10-40IU濾紙酶活/每克汽爆秸稈；(2)開啟與酶解區(qū)相連通的蠕動泵，將緩沖液從第一個酶解罐的上方淋洗下來，對該第一個酶解罐中的汽爆秸稈進(jìn)行酶解，所得酶解液依序淋洗之后的酶解罐，從最后一個酶解罐流出的酶解液進(jìn)入膜反應(yīng)器中的超濾膜組件，所述超濾膜組件中的超濾膜將酶解產(chǎn)物在線分離出來，同時打開輸液泵，補(bǔ)加緩沖液，以維持整個酶解體系中的液體體積保持不變。
2.按權(quán)利要求1所述的利用膜反應(yīng)器酶解汽爆秸稈制備還原糖的方法，其特征在于，所述的超濾膜組件為截流分子量1000-5萬的中空纖維超濾膜組件或平板超濾膜組件。
3.按權(quán)利要求1所述的利用膜反應(yīng)器酶解汽爆秸稈制備還原糖的方法，其特征在于，所述超濾膜組件中的超濾膜為親水性超濾膜或非親水性超濾膜，超濾膜組件中超濾膜兩側(cè)壓力為0-1Mpa。
4.權(quán)利要求3的所述的利用膜反應(yīng)器酶解汽爆秸稈制備還原糖的方法，其特征在于，所述的親水性超濾膜為聚丙烯腈膜或聚醚砜膜，所述的非親水性超濾膜為聚乙烯膜或聚丙烯膜。
5.按權(quán)利要求1所述的利用膜反應(yīng)器酶解汽爆秸稈制備還原糖的方法，其特征在于，所述步驟還包括在步驟(1)汽爆秸稈固相酶解1-3天之后，補(bǔ)加原汽爆秸稈原料質(zhì)量20-50％的滅菌后的汽爆秸稈原料，和0-30IU濾紙酶活/每克補(bǔ)加汽爆秸稈原料。
6.一種用于權(quán)利要求1所述制備還原糖的方法的膜反應(yīng)器酶解裝置，包括酶解區(qū)和膜分離區(qū)，其特征在于，所述的酶解區(qū)由不少于2個酶解罐串聯(lián)構(gòu)成；所述的膜分離區(qū)由超濾膜組件構(gòu)成，所述的超濾膜組件為截流分子量1000-5萬的中空纖維超濾膜組件或平板超濾膜組件。
7.按權(quán)利要求6所述的膜反應(yīng)器酶解裝置，其特征在于，所述的超濾膜組件中的超濾膜為親水性超濾膜或非親水性超濾膜，超濾膜組件中超濾膜兩側(cè)壓力為0-1Mpa。
8.按權(quán)利要求6所述的膜反應(yīng)器酶解裝置，其特征在于，所述的親水性超濾膜為聚丙烯腈膜或聚醚砜膜，非親水性超濾膜為聚乙烯膜獲聚丙烯膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用膜反應(yīng)器進(jìn)行汽爆秸稈酶解以制備高濃度還原糖的方法及裝置，提出了采用汽爆秸稈酶解與超濾膜耦合同時實現(xiàn)制備高濃度還原糖和纖維素酶的回收再利用的生產(chǎn)工藝。反應(yīng)器由酶解區(qū)和膜分離區(qū)兩部分組成，酶解區(qū)又分為固定相(汽爆秸稈+酶)和流動相(緩沖液)。通過流動相將汽爆秸稈酶解產(chǎn)生的還原糖淋洗下來，并帶到膜分離區(qū)進(jìn)行在線分離以除去產(chǎn)物抑制對酶解的影響。本發(fā)明避免了酶解產(chǎn)物對汽爆秸稈酶解的抑制作用，降低了酶解過程中纖維素酶的使用成本，增加了膜反應(yīng)器里的汽爆秸稈濃度，提高了生產(chǎn)能力，并節(jié)省了生產(chǎn)中的能耗，降低了汽爆秸稈的酶解成本。
文檔編號C12P19/02GK1837372SQ200510011458
公開日2006年9月27日 申請日期2005年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月21日
發(fā)明者陳洪章, 楊森, 丁文勇 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所