[发明专利]大容量双体循环纤维素酶解反应器及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及新能源领域，更具体地，涉及以植物纤维素为原料的酶解糖化领域。本发明提供了以麻类作物纤维为原料、高效、大容量、低能耗的大容量双体循环纤维素酶解反应器及其应用。

背景技术

目前，人类对能源的需求非常大，但石油等资源属于不可再生的资源，因此人们大力开发各种新型能源。

乙醇既可以单独燃烧，又可以作为一种良好的汽油增氧剂和高辛烷值调和组分，已被公认为是最有发展前景的可再生清洁能源之一。它的生产和应用在国际上已呈高速发展趋势，燃料乙醇产业已成为各国政府解决石油资源短缺问题，保护城市大气环境质量和调控农产品供需矛盾的重要政策手段和经济杠杆。据估计，我国燃料乙醇需求量保守估计每年也将达2000万吨。

当前的乙醇发酵工业主要以淀粉质的玉米、小麦等粮食作物为原料，与人畜争粮，且原料成本在生产总成本中比例很高。受粮食资源不足的制约，目前，以粮食为原料的生物质燃料生产已不具备再扩大规模的资源条件。而将天然纤维素材料通过生物法转化为燃料乙醇，不仅能为人类提供数量可观、经济可行的新型能源，而且可在很大程度上减轻农业废弃物对生态环境造成的污染，具有重要的经济和生态意义。

利用天然纤维素材料生产燃料乙醇的关键，是把纤维素水解为可发酵糖，即完成纤维素材料的酶解糖化过程。

纤维素是植物细胞壁中最主要的成分，是由8000～12000个β-D-吡喃葡萄糖单体以β-1，4-糖苷键连接而成的线性长链大分子，其葡萄糖亚基排列紧密。同时，存在分子间排列不整齐的无定形区域。纤维素通常被半纤维素，木质素所包围，形成更难分解的复合物。因此，纤维素不溶于水，难以水解。

水解纤维素可以采取化学或生物的方法。生物法即酶水解过程具有反应条件温和，副产物少或无副产物的特点，被认为是最有希望的工艺。近二十年来，将酶解纤维素生成的糖作为发酵生产中的发酵糖，进而生产乙醇的微生物发酵法，得到了世界各国生物学家的青睐。通过生物转化天然纤维素材料最终生成乙醇的工艺因其成本低、设备简单、环保而具有良好的发展前景。

纤维素酶降解纤维素的过程是从它吸附到纤维素上开始的，这个降解过程可以是单一酶的作用，如热纤梭菌中存在一种多种组分结合形成的纤维素酶复合体；也可以是多种酶协同完成的。鉴于纤维素结构的复杂性，在真菌中，没有任何一种酶能将纤维素彻底水解。不管是在纤维素酶复合体中，还是真菌体内，纤维素的降解需要多种酶组分的协同作用。真菌通过分泌到胞外的游离纤维素酶，以水解酶机制降解纤维素；而细菌纤维素酶则是以形成多酶复合体结构而起作用。

目前，最为广泛接受的纤维素酶解机制是内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的协同作用机制。这个机制的主要内容是：葡聚糖内切酶随机水解纤维素分子链内部的β-葡聚糖苷键，形成新的链末端；外切葡聚糖苷酶从纤维素分子链一端开始，连续切下并释放可溶性纤维二糖；β-葡萄糖苷酶将中间产物-纤维二糖和纤维寡糖水解成小分子糖，从而解除它们对内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的产物抑制作用。这三个水解过程可同时进行，将纤维素完全降解成为葡萄糖。

天然纤维素材料的结构非常复杂，主要是纤维素的高度结晶性和木质化，阻碍了酶与纤维素的接触，使其难以直接被生物降解。目前，对大多数天然纤维素材料来说，如果没有经过适当预处理，直接进行酶促水解，酶解率一般都非常低(＜20％)。

酶法发酵生产乙醇的方法有直接发酵法、间接发酵法、混合菌种发酵法、同步糖化发酵法、非等温同步糖化发酵法(NSSF)、固定化细胞发酵法等。其中，同步糖化发酵法因省时、高效、经济等优点，成为生物乙醇转化的常用方法。

一类现有的生产燃料乙醇的方法是用以农作物秸杆为代表的木质纤维素原料生产燃料乙醇。然而秸秆纤维素含量低，且作为农业废弃物分布分散，比容很低，造成收集、运输困难，增加了原料成本。通常需要6-7吨秸秆才能生产1吨乙醇，原料成本对总成本就有很大影响。

麻类作物的纤维是一类纤维素含量非常高的原料，因而麻纤维有可能成为未来新能源、新聚合材料及其制品的重要原料。另外，某些麻类作物不仅可生长在盐碱地、荒漠地等未利用土地，而且生长迅速，产量高，适合产业化。例如，红麻是一种适应性很强的速生高产作物，茎杆高约1.5-3.5米，直径约1-3厘米。5-7个月就可以收获，产量为16-20t/hm²。然而，由于麻韧皮纤维的结晶度、聚合度、趋向度都较其他生物质(如淀粉)高很多，因此，以葡萄糖为转化目标物(或其他单体)的酶解过程相当困难。目前尚没有令人满意的、高效的、耗时短、能耗低、酶耗少的对麻纤维进行酶解糖化的设备和工艺。