[发明专利]一种木质纤维素酶水解与膜分离耦合生产高浓度还原糖的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种木质纤维素酶解液中糖分的精制方法，尤其涉及应用膜分离技术与木质纤维素酶解耦合生产高浓度还原糖的方法。

背景技术

木质纤维素是自然界中来源广泛、价格低廉的可再生资源，其主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。生物转化木质纤维素中的糖类聚合物生产生物燃料或生物基化学品是木质纤维素综合利用的一个有效途径。木质纤维素生物转化过程包括预处理、酶水解、微生物发酵和产物分离四个步骤，其中酶水解是个很重要的步骤。目前，水解木质纤维素的酶的成本很高。因此在酶水解结束后，对水解酶进行回收和利用是降低酶水解成本的有效方法。水解酶的回收方法有新鲜底物吸附法和超滤法等。

应用酶膜反应器进行木质纤维素酶解，实现水解酶的循环利用是一个较为理想的方法。酶膜反应器是利用一定截留分量的超滤膜，截留高分子量的木质纤维素水解酶，实现酶的反复使用，同时低分子量的酶解产物如葡萄糖、木糖和纤维二糖等可透过膜，因而能降低末端产物对纤维素酶的抑制作用，提高纤维素的酶解效率。目前，文献报道的酶膜反应器大都是内置式的，不利于工业化放大，而且存在着透过液中还原糖浓度低的缺点，不利于后续微生物发酵。

发明内容

本发明目的在于提供一种木质纤维素酶解液中糖分的分离和浓缩的方法，该方法不仅能分离木质纤维素底物、水解酶和酶解产物，实现底物和水解酶的循环利用，还能对酶解产物进行浓缩。该方法将微滤、超滤和纳滤结合使用，有效减轻了木质纤维素底物对超滤膜的污染，避免了酶解产物对木质纤维素酶解的抑制作用，提高了酶解效率，降低了酶解成本，并节省了生产过程中的能耗和水耗，提高了酶解液中的还原糖浓度，易于微生物发酵生产高浓度的产物。

本发明提供了一种木质纤维素酶水解与膜分离耦合生产高浓度还原糖的方法，其特征在于生产过程如下：

(1)木质纤维素糖化：酶解预处理的木质纤维素生产还原糖；

(2)微滤过滤：将酶解糖化液通过微滤过滤，得到含水解酶和还原糖的透过液，截留的木质纤维素粒子返回酶解反应器继续酶解。

(3)超滤过滤：将微滤透过液用超滤过滤，得到含还原糖的透过液，截留的水解酶返回酶解反应器循环利用。

(4)纳滤浓缩：超滤透过液经纳滤浓缩，制得高浓度的还原糖溶液，纳滤透过液返回酶解反应器。

本发明所述酶水解过程中初始底物浓度为1％～15％，水解用酶是纤维素酶、木聚糖酶、β-葡萄糖苷酶(纤维二糖酶)、果胶酶或其复合物，酶用量为5～50IU/g底物，反应温度20～60℃，pH4.0～8.0。

本发明所述的木质纤维素可以是玉米秸秆、稻草秸秆、小麦秸秆、甘蔗渣、草类以及阔叶树或针叶树的木屑。木质纤维素预处理方法可以是稀酸等化学预处理、双氧水等氧化预处理、蒸汽爆破等理化预处理或酒精等有机溶剂预处理。

本发明所述的微滤膜的孔径为0.1～1.0μm，超滤膜的截留分子量为5000～50000道尔顿，膜材料为聚醚砜、聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈和聚酰胺中的一种。

本发明所述的纳滤膜的截留分子量为90～300道尔顿；其膜组件形式为卷式、管式或板框式有机膜组件或管式无机膜组件；有机纳滤膜材料为醋酸纤维素、磺化聚砜、聚酰胺、聚醚砜、磺化聚醚砜、聚哌嗪或聚乙烯醇；无机纳滤膜材料为陶瓷。

本发明的反应分离耦合操作方式可以是连续操作，也可以是间歇操作。原料补加方式可以是间歇补料，也可以是连续补料。间歇补料是在膜分离单元排出一定量后，向酶反应器中加入相同体积的原料液，连续补料是在膜分离单元排出的同时向酶解反应器中加入原料液，补加速率与排出速率相等。

本发明提供的木质纤维素酶水解与膜分离耦合生产高浓度还原糖的方法将微滤、超滤和纳滤结合使用，不但可以减轻木质纤维素底物对超滤膜的污染，显著提高系统运行的连续性，而且可以避免酶解产物对木质纤维素酶解的抑制作用，提高酶解效率。利用纳滤技术浓缩酶解液中的还原糖，提高酶解液中的还原糖浓度，易于微生物发酵生产高浓度的产物。本发明提供的方法将木质纤维素和水解酶的分离以及还原糖的浓缩等工艺与酶水解过程紧密耦合，节省了生产过程中的能耗和水耗，易于自动化控制和产业化。

附图说明

图1是木质纤维素酶水解与膜分离单元耦合生产高浓度还原糖的工艺流程示意图。

附图标记

1.酶解反应器  2.进料泵  3.微滤组件  4.超滤组件  5.料液槽  6.进料泵7.纳滤组件  8.阀门  9.阀门  10.阀门  11.阀门

具体实施方式