[发明专利]一种辐照预处理和分批补料实现木质纤维素高底物浓度酶水解的方法

说明书

本发明公开了一种辐照预处理和分批补料实现木质纤维素高底物浓度酶水解的方法。它以高剂量射线辐照预处理的木质纤维素原料为底物，采用分批补料和分批补加纤维素酶策略，提高酶水解体系中的底物浓度，从而获得高浓度还原糖的水解液。本发明的优势在于射线辐照预处理技术具有操作简单、清洁无污染、可在常温和常压下进行、无物料损失、效果显著等优点，采用分批补料策略，极大地提高酶水解体系中的底物浓度，使处理的底物浓度达到36％，在提高酶解原料浓度的同时获得高浓度还原糖，获得的酶水解液中高浓度还原糖达200g/L以上，达到了国内外先进水平。木质纤维素高浓度还原糖酶水解液的获得可提高后期乙醇高浓度发酵并降低乙醇蒸馏能耗，从而降低纤维燃料乙醇的生产成本。

技术领域

本发明属于木质纤维素酶水解技术领域，具体涉及一种射线辐照预处理木质纤维素的高底物浓度酶水解方法。

背景技术

随着化石能源的枯竭，可再生的生物质能源越来越引起人们的重视。以木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇被认为是燃料乙醇的重要发展方向。木质纤维素原料是地球上最丰富的可再生能源之一。全球每年大量的农作物秸秆如油菜杆、玉米杆、稻草秸秆等大部分被丢弃或者焚烧，不仅造成资源浪费，还造成环境污染。木质纤维素原料生产燃料乙醇具有可再生性、无污染性等特点，其回收利用可以改善空气质量，促进偏远地区经济发展，减少对汽油的依赖，减少温室效应等。但目前最大的难题是，如何改变木质纤维素的结构以增加其糖化反应性能。各种物理、化学预处理方法都有一定的局限性，在生产应用中都存在着处理成本高、酸碱回收困难，对环境污染严重、对后续工艺有抑制等问题。因此寻求一种高效、无污染、成本低的有效预处理方法迫在眉睫。

辐照预处理是利用放射性同位素Co60衰变时放出的高能γ射线作用于木质纤维素，破坏木质纤维素物理与化学结构的一种预处理方法。辐照预处理过程不需要加热，整个过程在室温下就可以进行，且产生的抑制性副产物少。经过高剂量辐照处理后的木质纤维素结构变松散，硬度变小，结晶度下降，微晶纤维素的微观结构由平滑变得粗糙，半纤维素、纤维素和木质素分子链被大量切断。因此，经高剂量辐照预处理后，木质纤维素的酶解转化率显著提高。射线辐照预处理技术具有操作简单、清洁无污染、可在常温和常压下进行、无物料损失、效果显著等优势。

木质纤维素酶解后的还原糖浓度不高是目前纤维素燃料乙醇商业化主要技术瓶颈之一。通常情况下，批式发酵乙醇浓度不会超过40g/L，而当发酵液中乙醇浓度低于4％时，用于后续的乙醇浓缩及精馏的能耗将显著增加。提高酶解体系的底物浓度是获得高浓度还原糖的直接方法，而高底物浓度往往导致体系的黏性增加，不利于体系的物质传递和热量传递，使酶解效率低下。分批往体系中补加底物和酶可以降低反应时体系的粘度，有利于体系的传质与传热，从而获得高浓度还原糖。

木质纤维素原料高浓度还原糖水解液的获得是实现其高浓度发酵并降低纤维乙醇生产成本的必要条件。目前辐照预处理后的木质纤维素都是在较低底物浓度下进行酶解，不能获得高浓度糖，因此本发明以射线辐照预处理的木质纤维素为原料，利用分批补料和分批补加纤维素酶的方法提高辐照预处理木质纤维素酶解体系的底物浓度，从而获得高浓度还原糖的酶水解液。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、清洁无污染、可在常温和常压下进行、无物料损失、效果显著的射线辐照预处理的原料高底物浓度、产高浓度还原糖的木质纤维素酶水解的方法。

一种辐照预处理和分批补料实现木质纤维素高底物浓度酶水解的方法，以木质纤维素为原料，经射线辐照预处理，采用分批补料和分批补加纤维素酶，使原料进行酶水解，从而获得高浓度还原糖的酶水解液；

分批补料和分批补加纤维素酶步骤为：

(1)将木质纤维素原料按照起始质量浓度为18％添加至pH4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，添加45FPU/g底物的纤维素酶，在pH4.8，温度为50℃和转速130～160rpm条件下，酶水解12h；