[发明专利]燃料乙醇生产中回收再利用纤维素酶全组份的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料乙醇生产中回收再利用纤维素酶全组份的方法，即在木质纤维素同步糖化发酵工艺中，根据各种纤维素酶的不同性质，耦合新鲜底物重吸附和酶固定化两种工艺回收再利用纤维素酶全组分的方法，属于工业生物技术领域。

技术背景

当前，资源紧缺、环境恶化和能源匮乏是人类社会可持续发展的三大瓶颈问题。如何高效、绿色、低成本地开发利用可再生能源已成为经济社会协调可持续发展的中心议题。利用酶催化转化和酵母发酵等生物技术生产纤维素乙醇，是最有潜力的可再生能源生产路线之一，已引起各国政府和科技界的普遍关注并予以广泛研究。

纤维素酶因其具有活力低、耗量大和成本高等特点，直接阻碍了纤维素乙醇的商业化进程。通过菌种改造、酶定向进化、改进酶的稳定性和耐受性等手段，纤维素酶的生产成本和单位酶活均有所改善，但仍无法满足燃料乙醇生产的经济性要求。为降低纤维素酶成本，开发纤维素酶有效回收工艺成为解决这一障碍的重要途径。

纤维素酶为多组分酶体系，通常由作用方式不同而能相互协同催化水解纤维素的三类酶组成：外切β-1，4-葡聚糖酶(CBH)、内切β-1，4-葡聚糖酶(EG)和纤维二糖酶(CB)。三类酶催化特性各异，为纤维素的全组份回收带来以下问题：①CBH与EG的催化底物为纤维素固体颗粒，采用固定化方法会造成固定化酶与固体底物间存在很大的传质障碍，降低酶解效率；②CB催化底物主要为可溶性纤维二糖或寡糖，很难吸附于纤维素固体底物上，无法用底物吸附法将其回收；③酶解产物葡萄糖和纤维二糖对纤维素酶有产物抑制作用，造成酶催化和吸附能力降低。目前，纤维素酶全组份回收利用技术主要为超滤膜回收，但设备要求高，操作复杂，且膜污染问题严重，很难应用于工业化生产。

发明内容

本发明目的在于提供一种燃料乙醇生产中回收再利用纤维素酶全组份的方法，可以克服现有技术的缺陷，针对酶回收过程存在的问题，利用纤维素酶CBH、EG对纤维素的吸附、脱附行为和纤维二糖酶的底物纤维二糖为小分子可溶性物质，本发明提出在同步糖化发酵(Simultaneous Saccharide Fermentation，SSF)工段后采用新鲜底物重吸附和纤维二糖酶固定化耦合工艺，将酶回收工艺置于同步糖化发酵工段后，实现全酶组分的回收再利用。该回收利用方法工艺简单，设备简单、操作方便，大大降低了纤维素酶使用成本，在纤维素乙醇生产领域具有非常重要的应用前景。

本发明提供的一种燃料乙醇生产中回收再利用纤维素酶全组份的方法包括以下步骤：

在木质纤维素同步糖化发酵工段后，利用新鲜底物重吸附和纤维二糖酶固定化耦合工艺，实现纤维素酶全组份的回收再利用，本发明方法工艺流程图如图1所示。具体为：

1)制备固定化纤维二糖酶颗粒，置于反应器中，酶加入量为10-30CBU/g纤维素；

2)预处理后木质纤维素加入反应器中，加入培养液(pH4.5-5.5柠檬酸钠缓冲液、(NH₄)₂HPO₄、MgSO₄.7H₂O、酵母膏、抗生素)至固体浓度为8-25％。在50℃下，每克纤维素底物添加纤维素酶10-50FPU，预酶解12-24小时。降温至30-37℃，添加酵母转入同步糖化发酵(SSF)阶段。反应结束后，分别利用2-5目、50-200目筛网，过滤固液分离得到固定化酶颗粒、发酵溶液和发酵残渣。固定化酶颗粒直接用于下一轮同步糖化发酵工艺。

3)滤液中加入与(2)相同质量新鲜木质纤维素底物，室温下重吸附90min后再次固液分离，固相加入新鲜培养液(保持原固液比)，与固定化酶共同进入新一批次同步糖化发酵工艺，液相进入精馏工段。

所述的木质纤维素原料为适当粉碎后玉米芯、甘蔗渣、玉米秸秆、麦秆和稻草，粒径为10-100目。

纤维素酶全组份为外切β-1，4-葡聚糖酶、内切β-1，4-葡聚糖酶和纤维二糖酶。利用固定化回收利用纤维二糖酶，用新鲜底物重吸附法主要回收外切β-1，4-葡聚糖酶和内切β-1，4-葡聚糖酶。

所述的纤维素酶回收工艺置于同步糖化发酵工段后，乙醇精馏工段前。

步骤(1)所述的纤维二糖酶的固定化，其固定化方法包括无机载体吸附、离子交换树脂结合、共价结合、高分子包埋、金属螯合和仿生矿化固定化方法；

所述的置于反应器中可以置于筛网、膜管后固定于反应器中，也可直接放于反应器中。

步骤(2)所述的利用筛网过滤回收固定化酶，是滤后固定化颗粒可以直接用于新一批次同步糖化发酵过程。