[发明专利]纳米材料促进木质纤维生物质水解方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种生物工程技术领域的木质纤维生物质水解方法，特别是一种用纳米材料促进纤维素酶水解纤维素的速率，提高产糖率的方法。

背景技术

木质纤维生物质包括森林物质、野草和农业秸秆，是地球上最丰富的可再生资源，全球每年总产量高达1500亿吨，美国年增加储藏量达到10亿吨，中国年增加储藏量达到20亿吨以上，秸秆6亿多吨，林木9亿吨。大部分没有得到有效利用。 预计到2050年生物质将提供世界化学品和燃料的约30%的能量。木质纤维生物质原料来源的瓶颈是其中的纤维素成份水解成可进一步加工的单糖。市售商品化纤维素酶基本为复合纤维素酶组分，主要含有内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶（又称纤维二糖水解酶）和β-葡糖苷酶等，发挥作用的关键取决于内切葡聚糖酶的协同作用和酶与底物表面的聚集作用。在酶水解过程中，由于纤维素酶活性会发生钝化，活性急剧降低，酶本身有被木质素逐步吸附，造成水解反应产率不够高且处理时间需延长，底物难于完全转化，每生产1加仑纤维素乙醇所需酶的成本仍高达50美分。 

提高纤维素酶的效率的有以下几种方式：第一类是利用菌株诱变和蛋白质工程改造纤维素酶结构改良纤维素酶活性与抗钝化能力，需要大量时间和精力实施。第二类方法是利用添加非离子型表面活性剂降低底物和木质素对纤维素酶吸附提高纤维素酶效率。表面活性剂难以回收，进入环境后，可能会污染土壤环境和天然水体环境，危害生态系统[非离子表面活性剂的环境行为及生物降解研究进展.西部皮革.2009，31（17）：24-31.]。需要进一步提高纤维素水解效率，降低纤维素转化为单糖的成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种纳米材料促进木质纤维生物质水解方法，可以直接简便地提高纤维素酶的催化活性和提高水解过程的底物分解率。 

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先配制一定浓度、分散均匀的纳米材料母液，与纤维素酶一起添加底物体系中，进行酶解反应，提高产糖率可高达30%。

本发明包括如下步骤：

第一步，纳米材料母液的配制：称取纳米材料加入到溶液中，充分分散至均一，配制成纳米材料母液。

所述纳米材料是指处于粒径在纳米尺度范围的各种天然或人工合成的材料，包括氧化物材料例，二氧化锡材料(SnO₂)、纳米二氧化硅材料（SiO₂）等、纳米四氧化三铁材料（Fe₃O₄），氢氧化物材料例如纳米氢氧化铝材料（Al(OH)₃）等。

所述分散处理纳米材料母液的方法包括超声波处理等各种有效的改善溶液中纳米材料的分散性的方法。

所述溶液，是指适宜纤维素酶水解反应的具有一定pH值、离子强度等条件的缓冲溶液，与后续提到的纤维素酶供应商推荐的条件中所述的缓冲溶液相同。比如柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，醋酸-醋酸钠缓冲液等，但不限于这两种。

所述纳米材料母液，可以配制成几十或几百倍于后续提到的纤维素酶-纤维素底物水解体系的纳米工作浓度，浓度可根据纳米微粒的粒径、纳米级的材料密度计算得到。由于供应商提供的纳米材料一般为固态粉末，直接加入水解体系中呈聚结状态且不容易分散，所以先加少量溶液浸润、分散处理后，所得母液再稀释于最终的水解体系，分散效果较好。

第二步，纳米材料加入纤维素酶-纤维素底物体系促进水解：纤维素酶与纤维素底物体系，再加入纳米母液至工作纳米浓度，进行纤维素酶水解，水解结束后收获单糖。

所述工作纳米浓度大于0nmol/L且小于等于20nmol/L，较佳浓度为1 nmol/L。

所述水解结束是满足底物水解反应达到平衡，水解液中糖浓度不再增加。

所述纤维素酶与纤维素底物体系可以按照纤维素酶供应商推荐的酶解配制纤维素酶与纤维素底物体系，也可以采用其他现有方法配制。

所述纤维素酶水解条件可以是纤维素酶供应商推荐的条件，也可以采用其他现有技术常用的条件，只要能够实现纤维素酶水解即可。