專利名稱：一種纖維素原料酶解裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于生物化工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種纖維素原料酶解裝置。
背景技術(shù)：
纖維素是地球上最豐富、最廉價的可再生資源。植物每年通過光合作用，可以產(chǎn)生 L5 2.0x 10"t的纖維素類物質(zhì)，其中纖維素、半纖維素占l/2以上，但其中只有極少 部分為人們所利用。隨著石油和煤炭資源的日漸枯竭，纖維素的水解和利用越來越受到 人們的重視，逐漸形成了和石油煉制相對應(yīng)的生物煉制概念。和以前的生物質(zhì)利用不同， 當(dāng)前的生物煉制必須基于利用植物所有部分，才能保證利用效率，同時避免新的環(huán)境污 染。很顯然，要達(dá)到這一目標(biāo)必須依靠多學(xué)科的交叉，尤其是生物學(xué)、化學(xué)及化學(xué)工程 各領(lǐng)域的整合。
纖維素的糖化是植物纖維原料進(jìn)行生物煉制的關(guān)鍵，經(jīng)過預(yù)處理過程和酶解過程將
纖維素物質(zhì)轉(zhuǎn)化為微生物可利用的糖類物質(zhì)，通過發(fā)酵過程將糖類轉(zhuǎn)化為其他各種化學(xué) 品。目前，其工藝主要有稀酸解法和酶解法兩種工藝。
稀酸水解過程是最古老的纖維素糖化方法為多相水解反應(yīng)，硫酸濃度一般為0.5 2.0%，溫度為180'C 24(TC，反應(yīng)時間為幾分鐘到幾小時。稀酸處理的優(yōu)點在于半纖 維素水解得到的糖量大，催化劑成本低，易于中和。但酸水解存在很多問題酸水解對 設(shè)備有很強(qiáng)的腐蝕作用；酸水解條件苛刻，需要較高的溫度和壓力；酸水解后需要中和， 并產(chǎn)生大量的酸廢水；會生成毒害微生物的發(fā)酵產(chǎn)物如糖醛、甲酸、乙酸、酚類物質(zhì)， 有時水解產(chǎn)物需進(jìn)一步分離方能用作微生物培養(yǎng)基；產(chǎn)糖率低，僅為理論值的50 60%。 對于農(nóng)作物秸稈含有來自土壤的二氧化硅及堿性化合物，酸的需要量達(dá)到原料重的5 7%，由于上述原因，限制了酸水解的發(fā)展和應(yīng)用。
酶水解工藝因其反應(yīng)條件溫和、水解副產(chǎn)物少、糖化得率高以及對環(huán)境危害小等優(yōu) 點，所以得到了更為普遍的認(rèn)可和推崇，目前被大多研究者所廣泛采用。纖維素酶是指 能夠水解纖維素fi-l,4葡萄糖苷鍵生成葡萄糖的一組酶的總稱。大量的真菌纖維素酶體 系的分離純化研究證明纖維素酶是一種多組分的復(fù)合酶系，包括內(nèi)切型B-葡聚糖酶(也 稱Cx酶、CMC酶、EG)、外切型fi-葡聚糖酶(也稱C1酶、纖維二糖水解酶或CBH) 和纖維二糖酶(也稱B-葡萄糖苷酶或CB)等3種主要組分；在酶解過程中這三個組分協(xié)同作用，首先由內(nèi)切型葡聚糖酶(Cx酶)在纖維素聚合物的內(nèi)部起作用，在纖維素 的非結(jié)晶部位進(jìn)行切割，產(chǎn)生新的末端然后再由外切型葡聚糖酶(Cl酶)以纖維二糖 為單位由末端進(jìn)行水解，最后由纖維二糖酶將纖維二糖水解為葡萄糖。
但由于木質(zhì)纖維原料致密復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及纖維素分子高度結(jié)晶特性，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)?預(yù)處理，以降低纖維素的結(jié)晶度，增加纖維原料的多孔性，脫除木質(zhì)素的保護(hù)作用，增
加酶與底物的接觸面積，從而提高酶解的效率。采用的預(yù)處理方法應(yīng)滿足以下要求① 有利于酶水解過程的糖化；②避免碳水化合物的降解或損失；③避免生成對后續(xù)水解或 發(fā)酵有害的副產(chǎn)物； 經(jīng)濟(jì)可行。預(yù)處理方法歸納起來包括物理法、物理化學(xué)法、化學(xué) 法和生物法。
影響纖維素酶水解主要有以下因素
(1) 底物因素，纖維底物結(jié)構(gòu)上的特征在一定程度上決定了酶解的速度，這些結(jié) 構(gòu)特征包括纖維素酶可接觸的底物表面積、纖維素的結(jié)晶度、纖維素的聚合度、木質(zhì)素 含量與分布情況、底物濃度等，其中纖維素酶可接觸的底物表面積被認(rèn)為是對酶解具有 最大影響的因子之一；
(2) 纖維素酶因素，除上述與底物有關(guān)的影響因素外，與纖維素酶相關(guān)的一些因 素也會影響到酶解過程，包括纖維素酶用量、纖維素酶系組成、酶解產(chǎn)物(纖維二糖和 葡萄糖)對纖維素酶的反饋抑制、水解過程中由于溫度或機(jī)械力造成的酶失活、酶的吸 附性等；
(3) 溫度和pH，大部分纖維素酶的活性受環(huán)境的溫度和pH影響。在最適pH下， 酶反應(yīng)具有最大速度，高于或低于此值，反應(yīng)速度下降。纖維素酶的最適pH —般在4.5 5.5范圍內(nèi)。溫度也是影響纖維素酶解的重要因素，一般纖維素酶的最適溫度范圍是40
60°C;
(4) 抑制劑和激活劑，纖維素酶可由酶促反應(yīng)的產(chǎn)物和類似底物的某些物質(zhì)引起 競爭性抑制和激活作用。
但由于酶水解法反應(yīng)時間長，至今仍未達(dá)到工業(yè)化水平。因而加快酶水解速度提高 水解率特別重要。要加快酶反應(yīng)速度強(qiáng)化反應(yīng)過程，反應(yīng)器的選擇是關(guān)鍵因素。
酶解反應(yīng)器類型很多，最常用的有攪拌式、固定化酶填充床式和流化床式三大類。 但由于植物纖維素酶解具有周期長、酶耗高、酶分子在酶反應(yīng)器中容易因攪拌原因而發(fā) 生剪切失活等原因，目前對于纖維素酶解設(shè)備的研究還處于實驗室研究階段，而且大多 側(cè)重于工藝條件的研究。中國專利CN2605267A公開了一種酶水解反應(yīng)釜，采用機(jī)械攪拌的原理，促進(jìn)酶解 反應(yīng)，具有溫度自動控制，pH值自動控制，物料攪拌速度自動控制的特點，但是高剪 切力會使酶失活，不適用固定化酶進(jìn)行酶解，相對能耗較大；中國專利CN101120095A 公開了一種用于纖維素酶法水解的上流式沉降反應(yīng)器，可以水解經(jīng)過預(yù)處理的纖維素制 備水解產(chǎn)物，水解效果比較好，但是相對設(shè)備操作比較復(fù)雜，酶解過程須要較低的原料 固液比；中國專利CN101120095A公開了一種利用膜反應(yīng)器酶解汽爆秸稈制備還原糖的 方法及裝置，可以減少攪拌過程的剪切和變性，還可以避免酶解產(chǎn)物對汽爆秸稈酶解的 抑制作用，降低纖維素酶的使用成本，但是用到了超濾和回流裝置，設(shè)備造價還是很高。
目前，現(xiàn)有纖維素酶解技術(shù)設(shè)備中要想獲得高的轉(zhuǎn)化率，并且適用于不同的酶解狀 態(tài)，維持較低的設(shè)備造價尚存在許多困難，在水解過程中使用攪拌器可以提高酶解效率， 但是剪切會使酶發(fā)生變性失活，而且不能同時適用于固定化酶和游離酶，其他的系統(tǒng)會 犧牲最優(yōu)的酶活性并降低酶的效率。
技術(shù)內(nèi)容
本實用新型的技術(shù)目的在于提供一種用于纖維素原料酶法水解的滾動式酶解反應(yīng) 器，使得該反應(yīng)器可以可同時適用于固定化酶和游離酶以任意固液比進(jìn)行酶解。 為解決其技術(shù)問題，本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種纖維素酶解裝置，其特征在于包括罐體、無級變速電機(jī)、支架、內(nèi)置攪拌葉片， 其中內(nèi)置攪拌葉片固定于罐體內(nèi)壁圓周上并均勻分布，罐體一端固定，罐體另一端與無 級變速電機(jī)連接，且無級變速電機(jī)帶動罐體旋轉(zhuǎn)。
本實用新型所述的內(nèi)置攪拌葉片包括長直板、曲面板；
本實用新型所述的內(nèi)置攪拌葉片的數(shù)量為1 12片；
本實用新型所述的內(nèi)置攪拌葉片的高度為罐體半徑的1/10 1/2;
本實用新型所述的罐體的高徑比為1:10 1:1;
本實用新型所述的罐體在運(yùn)行過程中是可以密封的，置于恒溫水浴加熱裝置中運(yùn) 行；也可以在再罐體外包覆電加熱套等其他恒溫加熱裝置加熱。
本實用新型所述的纖維素酶解裝置可以用于處理包括以下纖維素原料玉米秸稈、 麥秸稈、水稻秸、高粱秸稈、燕麥秸、各種草類和木屑等。
本實用新型所述的纖維素酶解裝置適用于的纖維素水解酶包括纖維素酶、木聚糖 酶、固定化的纖維素酶、木聚糖酶。本實用新型的有益效果在于
1、 該裝置在纖維質(zhì)原料酶解過程中可以很好的實現(xiàn)動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳 遞，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)過程的進(jìn)行，即化工生產(chǎn)過程中的"三傳一反"。
2、 酶解過程中剪切力小，可以同時適用于固定化酶和游離酶對纖維素原料的水解 過程，避免了由于設(shè)備的強(qiáng)大剪切力造成的酶失活。
3、 該裝置結(jié)構(gòu)簡單，不僅易于操作，而且具有可以任意工業(yè)化放大的特點。


圖1纖維素酶解裝置結(jié)構(gòu)示意簡圖
其中l(wèi)-罐體；2-無級變速電機(jī)；3-支架；4-內(nèi)置攪拌葉片。 圖2纖維素酶解裝置A-A剖面圖(擋板數(shù)為2)
具體實施方式
下面的實施例對本實用新型操作方法作詳細(xì)說明，但對本實用新型沒有限制。
如附圖1所示，本實用新型所述的纖維素酶解裝置包括罐體(1)、無級變速電機(jī)(2)、 支架(3)、內(nèi)置攪拌葉片(4)，其中內(nèi)置攪拌葉片(4)均勻分布于罐體(1)的內(nèi)壁圓 周上，并與罐體(1) 一端外部的無級變速電機(jī)(2)連接，罐體(1)置放于支架(3) 上。
實施例l
本實施例中的纖維素酶解裝置中的內(nèi)置直板攪拌葉片數(shù)為1。內(nèi)置攪拌葉片的高度 為罐體半徑的1/10，罐體的高徑比為1:10，按照l/2罐容積填裝量，加入蒸爆預(yù)處理后 的玉米秸稈，纖維素酶添加量為15 FPU/g纖維素。酶解溫度50°C,攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速100 r/min。 酶解50h，纖維素原料水解率可以達(dá)到83.0%。
實施例2
本實施例中的纖維素酶解裝置中的內(nèi)置波紋曲面攪拌葉片數(shù)為12。內(nèi)置攪拌葉片的 高度為罐體半徑的1/2，罐體的高徑比為1:2，按照2/3罐容積填裝量，加入稀堿球磨預(yù) 處理后的麥秸稈，固定化纖維素酶添加量為15 FPU/g纖維素。酶解溫度60'C，攪拌機(jī) 轉(zhuǎn)速20r/min。酶解60h，纖維素原料水解率可以達(dá)到77.3%。實施例3
本實施例中的纖維素酶解裝置中的內(nèi)置直板攪拌葉片數(shù)為2。內(nèi)置攪拌葉片的高度 為罐體半徑的1/4，罐體的高徑比為l:l，按照l/4罐容積填裝量，加入稀堿超聲預(yù)處理 后的稻秸稈，固定化木聚糖酶添加量為300 IU/g原料。酶解溫度40°C，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速5 r/min。酶解40 h，原料水解率可以達(dá)到67.3%。
實施例4
本實施例中的纖維素酶解裝置中的內(nèi)置波紋曲面攪拌葉片數(shù)為3。內(nèi)置攪拌葉片的 高度為罐體半徑的1/4，罐體的高徑比為1:2，按照l/2罐容積填裝量，加入螺桿擠壓預(yù) 處理后的高粱秸稈，木聚糖酶添加量為600 IU/g原料。酶解溫度5(TC,攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速25 r/min。酶解30h，原料水解率可以達(dá)到57.3%。
權(quán)利要求1、一種纖維素酶解裝置，其特征在于包括罐體、無級變速電機(jī)、支架、內(nèi)置攪拌葉片，其中內(nèi)置攪拌葉片固定于罐體內(nèi)壁圓周上并均勻分布，罐體一端固定，罐體另一端與無級變速電機(jī)連接，且無級變速電機(jī)帶動罐體旋轉(zhuǎn)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維素酶解裝置，其特征在于所述的內(nèi)置攪拌葉 片形狀包括長直板、曲面板。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維素酶解裝置，其特征在于所述的內(nèi)置攪拌葉 片的數(shù)量為1 12片。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維素酶解裝置，其特征在于所述的內(nèi)置攪拌葉 片的高度為罐體半徑的1/10 1/2。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維素酶解裝置，其特征在于所述的罐體的高徑 比為1:10 1:1。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維素酶解裝置，其特征在于所述的罐體在運(yùn)行 過程中是可以密封的，置于恒溫水浴加熱裝置中運(yùn)行。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維素酶解裝置，其特征在于所述的罐體外包覆 有電加熱套恒溫加熱裝置。
專利摘要本實用新型涉及一種纖維素原料酶解裝置，包含以下部分構(gòu)成，罐體(1)，無級變速電機(jī)(2)，支架(3)，內(nèi)置攪拌葉片(4)。將經(jīng)過預(yù)處理后的纖維素原料，纖維素水解酶，以相應(yīng)固液比加入罐內(nèi)，通過無級變速電機(jī)帶動罐體在恒溫水浴鍋內(nèi)轉(zhuǎn)動，物料在罐體內(nèi)混合酶解。該裝置的優(yōu)點在于，具有設(shè)備簡單，操作方便，原料可以任意固液比混合，適用于固定化酶與游離酶進(jìn)行纖維質(zhì)原料的酶解。
文檔編號C12M1/02GK201381313SQ20092003989
公開日2010年1月13日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者張紅漫, 林增祥, 齡 胡, 晶 趙, 陳敬文, 和 黃 申請人:中國石油化工股份有限公司