[发明专利]分段加酶连续酶解制糖的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分段加酶连续酶解制糖的方法。

背景技术

进入21世纪，全球能源危机、资源短缺和环境污染等问题凸显。在此背景下，世界各国积极探索替代石油、煤炭和天然气的可再生资源。木质纤维素原料是地球上产量最大的可再生资源，来源有木材、农业废弃物以及能源作物等，而绝大部分木质纤维素原料尚未得到有效利用。研究开发木质纤维原料的转化技术，关键是将木质纤维素原料水解为糖。糖可用于生产燃料或化工原料，从而降低对不可再生资源依赖和减少二氧化碳排放，对利用可再生资源和改善生态环境等具有十分重要的意义。

木质纤维素原料转化为糖的方法主要有酸解和酶解。酸解存在设备腐蚀、工艺条件苛刻和废水难以处理等一系列问题。酶解工艺条件温和，故酶解工艺成为木质纤维素原料转化技术的研究热点。

根据酶解的反应动力学和酶的活性的研究，影响酶解反应的主要因素包括：木质纤维素的结构、干物浓度、酶加量、停留时间、温度、pH等。

酶是一种专门用于木质纤维素酶解的生物催化剂。由于酶必须接触和吸附到木质纤维素底物上才能将其水解为糖，而天然木质纤维素原料结构中存在许多物理和化学屏障，使得木质纤维素水解至糖的酶解得率较低，一般仅约10～20％。因此，必须对木质纤维原料进行预处理，打破阻碍酶与木质纤维素接触和吸附屏障，从而有效地提高木质纤维素水解为糖的酶解得率。目前，木质纤维素原料的预处理方法有机械粉碎、蒸汽爆破、酸处理、碱处理或螺杆造压瞬间膨化等。木质纤维素原料首先经过预处理得到的预处理物料，预处理物料再通过酶解转化为糖。

文献[张万忠等，玉米秸秆酶解条件优化，大连工业大学学报，2011，30(6)：436-439]中公开了以玉米秸秆为原料，在干物浓度约10％(固液比1:10)、酶加量30IU/g纤维素、温度55℃、pH＝4.8、停留时间48小时的条件下，分别采用分批加酶和分批水解方式进行酶解，最终酶解得率分别为33.42％和27.50％。

目前，间歇酶解方法可用于生产，但间歇酶解方法存在以下问题：

1)操作过程多，生产效率低。间歇酶解在每一批的生产中均需要经过加料、反应、出料和设备清洗等四个过程，操作过程较多，设备利用率低，导致生产效率低；

2)起始粘度高。木质纤维素酶解过程的物料粘度变化特点是初始时的黏度高，随着酶解反应的进行，物料逐渐粘度降低。间歇酶解方法在反应起始时存在物料粘度高的问题，导致间隙酶解方法在起始时的搅拌能耗较大。

本发明有针对性的解决了上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中间歇酶解过程存在的操作过程多、酶解生产效率低、起始粘度高、能耗较高的问题，提供一种新的分段加酶连续酶解制糖的方法。该方法具有操作过程简单、酶解生产效率高、起始粘度低、能耗较低的优点。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种分段加酶连续酶解制糖的方法，包括以下步骤：a)将包括木质纤维素、碱、水的物料连续地加入酶解反应器，同时将酶在不同的物料停留时间处分段连续加入酶解反应器中；b)通过分别控制碱、水、酶与木质纤维素的质量流量比，控制酶解反应器内pH为2～7、干物浓度为10～50％、酶加量为0.01～0.3g/g纤维素；c)控制酶解反应器内的温度为20～80℃，得到的含糖溶液连续地从酶解反应器出口排出，通过控制含糖溶液的质量流量来控制酶解反应器内的物料停留时间为8～120小时。

上述技术方案中，优选地，所述木质纤维素选自玉米秸秆、稻秸秆、麦秸秆、芦苇或豆秸，木质纤维素在加入酶解反应器需要经过预处理，预处理采用酸处理或螺杆造压瞬间膨化处理中的至少一种。

上述技术方案中，更优选地，预处理方法是螺杆造压瞬间膨化处理。

上述技术方案中，优选地，所述在酶解反应器上设置夹套，通过控制夹套中冷却水或热水的流量来控制酶解反应器内的温度为20～80℃。

上述技术方案中，优选地，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾中的至少一种；干物浓度为12～28％；酶为里氏木霉或黑曲霉中的至少一种。

上述技术方案中，优选地，所述酶解反应器为全返混釜式反应器、多级串联釜式反应器或管式反应器中的至少一种。

上述技术方案中，更优选地，所述酶解反应器是管式反应器，从酶解反应器上沿物料流动方向设置的至少两个进料口加入酶。

上述技术方案中，优选地，按物料总停留时间等分为16段，分段连续将酶加入酶解反应器。