專(zhuān)利名稱(chēng)：雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源領(lǐng)域，更具體地，涉及以植物纖維素為原料的酶解糖化領(lǐng)域。本發(fā)明提供了以麻類(lèi)作物韌皮纖維為原料、高效酶解的雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前，人類(lèi)對(duì)能源的需求非常大，但石油等資源屬于不可再生的資源，因此人們大力開(kāi)發(fā)各種新型能源。乙醇既可以單獨(dú)燃燒，又可以作為一種良好的汽油增氧劑和高辛烷值調(diào)和組分， 已被公認(rèn)為是最有發(fā)展前景的可再生清潔能源之一。它的生產(chǎn)和應(yīng)用在國(guó)際上已呈高速發(fā)展趨勢(shì)，燃料乙醇產(chǎn)業(yè)已成為各國(guó)政府解決石油資源短缺問(wèn)題，保護(hù)城市大氣環(huán)境質(zhì)量和調(diào)控農(nóng)產(chǎn)品供需矛盾的重要政策手段和經(jīng)濟(jì)杠桿。據(jù)估計(jì)，我國(guó)燃料乙醇需求量保守估計(jì)每年也將達(dá)500萬(wàn)噸。當(dāng)前的乙醇發(fā)酵工業(yè)主要以淀粉質(zhì)的玉米、小麥等糧食作物為原料，與人畜爭(zhēng)糧， 且原料成本在生產(chǎn)總成本中比例很高。受糧食資源不足的制約，目前，以糧食為原料的生物質(zhì)燃料生產(chǎn)已不具備再擴(kuò)大規(guī)模的資源條件。而將天然纖維素材料通過(guò)生物法轉(zhuǎn)化為燃料乙醇，不僅能為人類(lèi)提供數(shù)量可觀(guān)、經(jīng)濟(jì)可行的新型能源，而且可在很大程度上減輕農(nóng)業(yè)廢棄物對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的污染，具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)意義。利用天然纖維素材料生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵，是把纖維素水解為可發(fā)酵糖，即完成纖維素材料的酶解糖化過(guò)程。纖維素是植物細(xì)胞壁中最主要的成分，是由8000 12000個(gè)β -D-吡喃葡萄糖單體以β-1，4-糖苷鍵連接而成的線(xiàn)性長(zhǎng)鏈大分子，其葡萄糖亞基排列緊密。同時(shí)，存在分子間排列不整齊的無(wú)定形區(qū)域。纖維素通常被半纖維素，木質(zhì)素所包圍，形成更難分解的復(fù)合物。因此，纖維素不溶于水，難以水解。水解纖維素可以采取化學(xué)或生物的方法。生物法即酶水解過(guò)程具有反應(yīng)條件溫和，副產(chǎn)物少或無(wú)副產(chǎn)物的特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望的工藝。近二十年來(lái)，將酶解纖維素生成的糖作為發(fā)酵生產(chǎn)中的發(fā)酵糖，進(jìn)而生產(chǎn)乙醇的微生物發(fā)酵法，得到了世界各國(guó)生物學(xué)家的青睞。通過(guò)生物轉(zhuǎn)化天然纖維素材料最終生成乙醇的工藝因其成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、環(huán)保而具有良好的發(fā)展前景。纖維素酶降解纖維素的過(guò)程是從它吸附到纖維素上開(kāi)始的，這個(gè)降解過(guò)程可以是單一酶的作用，如熱纖梭菌中存在一種多種組分結(jié)合形成的纖維素酶復(fù)合體；也可以是多種酶協(xié)同完成的。鑒于纖維素結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在真菌中，沒(méi)有任何一種酶能將纖維素徹底水解。不管是在纖維素酶復(fù)合體中，還是真菌體內(nèi)，纖維素的降解需要多種酶組分的協(xié)同作用。真菌通過(guò)分泌到胞外的游離纖維素酶，以水解酶機(jī)制降解纖維素；而細(xì)菌纖維素酶則是以形成多酶復(fù)合體結(jié)構(gòu)而起作用。目前，最為廣泛接受的纖維素酶解機(jī)制是內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和葡萄糖苷酶的協(xié)同作用機(jī)制。這個(gè)機(jī)制的主要內(nèi)容是葡聚糖內(nèi)切酶隨機(jī)水解纖維素分子鏈內(nèi)部的β_葡聚糖苷鍵，形成新的鏈末端；外切葡聚糖苷酶從纖維素分子鏈一端開(kāi)始，連續(xù)切下并釋放可溶性纖維二糖；β-葡萄糖苷酶將中間產(chǎn)物-纖維二糖和纖維寡糖水解成小分子糖，從而解除它們對(duì)內(nèi)切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的產(chǎn)物抑制作用。這三個(gè)水解過(guò)程可同時(shí)進(jìn)行，將纖維素完全降解成為葡萄糖。天然纖維素材料的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，主要是纖維素的高度結(jié)晶性和木質(zhì)化，阻礙了酶與纖維素的接觸，使其難以直接被生物降解。目前，對(duì)大多數(shù)天然纖維素材料來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)適當(dāng)預(yù)處理，直接進(jìn)行酶促水解，酶解率一般都非常低(< 20% )。酶法發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法有直接發(fā)酵法、間接發(fā)酵法、混合菌種發(fā)酵法、同步糖化發(fā)酵法、非等溫同步糖化發(fā)酵法(NSSF)、固定化細(xì)胞發(fā)酵法等。其中，同步糖化發(fā)酵法因省時(shí)、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成為生物乙醇轉(zhuǎn)化的常用方法。一類(lèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)燃料乙醇的方法是用以農(nóng)作物秸桿為代表的木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇。然而秸桿作為農(nóng)業(yè)廢棄物分布分散，且比容很低，造成收集、運(yùn)輸困難，增加了原料成本。通常需要6-7噸秸桿才能生產(chǎn)I噸乙醇，原料成本對(duì)總成本就有很大影響。麻類(lèi)作物的韌皮纖維也是一類(lèi)纖維素含量非常高的原料，因而麻韌皮纖維有可能成為未來(lái)新能源、新聚合材料及其制品的重要原料。另外，某些麻類(lèi)作物不僅可生長(zhǎng)在鹽堿地、荒漠地等未利用土地，而且生長(zhǎng)迅速，產(chǎn)量高，適合產(chǎn)業(yè)化。例如，紅麻是一種適應(yīng)性很強(qiáng)的速生高產(chǎn)作物，莖桿高約1.5-3. 5米，直徑約1-3厘米。5-7個(gè)月就可以收獲，產(chǎn)量為 16-20t/hm2。然而，由于麻韌皮纖維的結(jié)晶度、聚合度、趨向度都較其他生物質(zhì)(如淀粉)高很多，因此，以葡萄糖為轉(zhuǎn)化目標(biāo)物(或其他單體)的酶解過(guò)程相當(dāng)困難。目前尚沒(méi)有令人滿(mǎn)意的、高效的、耗時(shí)短且酶耗低的對(duì)麻韌皮纖維進(jìn)行酶解糖化的設(shè)備和工藝。因此，本領(lǐng)域迫切需要開(kāi)發(fā)對(duì)高效地對(duì)麻韌皮纖維進(jìn)行酶解糖化的設(shè)備和工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種高效的、耗時(shí)短和/或酶耗低的對(duì)麻韌皮纖維進(jìn)行酶解糖化的設(shè)備和工藝。在本發(fā)明的第一方面，提供了一種纖維素酶解反應(yīng)器，其特征在于，包括(a)第一反應(yīng)罐，所述的第一反應(yīng)罐包括罐本體，位于罐本體內(nèi)的剪切均質(zhì)器， 用于添加進(jìn)料的入口，以及用于排出物料的出口 ；(b)第二反應(yīng)罐，所述的第二反應(yīng)罐包括2個(gè)以上的串聯(lián)或并聯(lián)的反應(yīng)管，各反應(yīng)管包括管體、位于管體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸和攪拌葉輪、進(jìn)料口、出料口、以及位于管體外側(cè)的保溫層；還包括帶動(dòng)管體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的馬達(dá)；(C)連接第一反應(yīng)罐和第二反應(yīng)罐的管道，所述的管道包括將第一反應(yīng)罐處理過(guò)的物料輸送到第二反應(yīng)罐的管道，以及將第二反應(yīng)罐處理過(guò)的物料輸送到第一反應(yīng)罐的管道，其中所述的各管道可配有任選的管道泵；(d)連接第二反應(yīng)罐中各管體的管道，其中所述的各管道可配有任選的管道泵。在另一優(yōu)選例中，所述的剪切均質(zhì)器是高速剪切均質(zhì)器。在另一優(yōu)選例中，所述的第二反應(yīng)罐的位于管體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸可提供50_300rpm，較佳地為100-250rpm的轉(zhuǎn)速。
在另一優(yōu)選例中，所述的第二反應(yīng)罐的位于管體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸和攪拌葉輪是一體的。在另一優(yōu)選例中，所述的第二反應(yīng)罐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸裝有與順流方向呈螺旋角為 15-45°的葉片。在另一優(yōu)選例中，所述的第二反應(yīng)罐體長(zhǎng)徑比為I : O. 5 I : 0.1，較佳地為 I O. 25。在另一優(yōu)選例中，所述的第一反應(yīng)罐和/或第二反應(yīng)罐的各管體還設(shè)有測(cè)溫口。在另一優(yōu)選例中，所述的第一反應(yīng)罐還具有位于罐本體外側(cè)的保溫層。在另一優(yōu)選例中，所述的第一反應(yīng)罐的長(zhǎng)徑比為I : O. 7 I : O. 3，較佳地為 I : O. 5。在另一優(yōu)選例中，所述的第一反應(yīng)罐和/或第二反應(yīng)罐是立式或臥式反應(yīng)罐。較佳地，第二反應(yīng)罐為臥式反應(yīng)罐。在另一優(yōu)選例中，所述的位于第一反應(yīng)器中剪切均質(zhì)器的轉(zhuǎn)速為500-4000rmp,較佳地為 1200-3000rpm。在另一優(yōu)選例中,第一反應(yīng)罐與第二反應(yīng)罐的容積比為O. I : I至I : O. I,更佳地為I : I。其中，所述的第二反應(yīng)罐的容積為各管體的總?cè)莘e。在另一優(yōu)選例中，所述的反應(yīng)器還包括與物料出口相連的過(guò)濾器，用于過(guò)濾酶解后的物料，從而獲得澄清的糖濃度高的(> 10% )酶解液。在本發(fā)明的第二方面，提供了一種對(duì)纖維素進(jìn)行酶解糖化的方法，包括步驟(a)對(duì)纖維素原料在第一反應(yīng)罐中進(jìn)行剪切均質(zhì)，從而形成均質(zhì)化纖維素原料；(b)將均質(zhì)化的纖維素原料在第二反應(yīng)罐中用酶進(jìn)行酶解，從而將纖維素降解為寡糖或單糖，其中所述的第二反應(yīng)罐包括2個(gè)以上的串聯(lián)或并聯(lián)的反應(yīng)管，并且在步驟(b) 中纖維素物料在各反應(yīng)管之間進(jìn)行自循環(huán)，以及物料在第一反應(yīng)罐和第二反應(yīng)罐之間進(jìn)行外循環(huán)。在另一優(yōu)選例中，在步驟(a)中進(jìn)行轉(zhuǎn)速為500-4000rmp，較佳地為1200_3000rpm
的高速剪切。在本發(fā)明的第三方面，提供了本發(fā)明第一方面中所述的纖維素酶解反應(yīng)器的用途，它用于纖維素原料的酶解糖化。在另一優(yōu)選例中，所述的纖維素原料包括麻韌皮纖維(如紅麻)應(yīng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)中，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文(如實(shí)施例)中具體描述的各技術(shù)特征可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在此不再累述。


圖I顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)例中的酶解糖化設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)圖。其中IA為俯視圖 (其中第二反應(yīng)罐的一個(gè)反應(yīng)管為剖視圖)，圖IB為側(cè)視圖。圖中各標(biāo)識(shí)如下I 第一反應(yīng)罐10 第一反應(yīng)罐的電動(dòng)馬達(dá)
11第一反應(yīng)罐的觀(guān)察窗
12第一反應(yīng)罐的進(jìn)料口
13第一反應(yīng)罐的測(cè)溫口
14罐本體
15第一反應(yīng)罐的高速剪切均質(zhì)器
16第一反應(yīng)罐的保溫層
17第一反應(yīng)罐的出料口
2第二二反應(yīng)罐
21第二二反應(yīng)罐的保溫層
22第二二反應(yīng)罐的管體
23第二二反應(yīng)罐的進(jìn)料口
24第二二反應(yīng)罐的電動(dòng)馬達(dá)
25第二二反應(yīng)罐的出料口
26第二二反應(yīng)罐的旋轉(zhuǎn)軸
27第二二反應(yīng)罐的攪拌葉片(或葉輪)
3連接第一反應(yīng)罐和第二反應(yīng)罐的管道
4連接第二反應(yīng)罐中各管體的管道
具體實(shí)施例方式本發(fā)明人經(jīng)過(guò)廣泛而深入的研究，首次提供了一種專(zhuān)用于纖維素酶解糖化的設(shè)備，用該設(shè)備對(duì)麻韌皮纖維等纖維素進(jìn)行酶解糖化，具有高轉(zhuǎn)化率、高濃度、低轉(zhuǎn)化時(shí)間、低酶制劑消耗等優(yōu)點(diǎn)。具體地，本發(fā)明人通過(guò)研究參與反應(yīng)的麻韌皮纖維與纖維素酶兩大體系的各自特征，提出了酶解糖化反應(yīng)的“五化”論，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造了雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器。具體地，所述的“五化”包括“純化”一經(jīng)預(yù)處理保障纖維素的高含量；“細(xì)化”一經(jīng)預(yù)處理保障纖維素為主的底物幾何尺寸接近納米級(jí)；“均化”——在反應(yīng)過(guò)程中，保障纖維素為主的底物體系與纖維素酶體系在最短的時(shí)間內(nèi)融合為一，并在微觀(guān)結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)十分均勻的流體狀態(tài)；“穩(wěn)化”——在較長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)過(guò)程中，保障熱量有良好的傳遞，所設(shè)反應(yīng)溫度在整個(gè)溶液的各空間部位有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性；“活化”——在較長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)過(guò)程中，保障纖維素克服能障、酶保持活性所需的能量補(bǔ)充。術(shù)語(yǔ)如本文所用，術(shù)語(yǔ)“麻韌皮纖維”指來(lái)自麻類(lèi)植物的、富含纖維素的纖維材料，尤其是雙子葉植物莖的韌皮層內(nèi)部叢生成束的纖維。代表性的麻類(lèi)植物包括(但并不限于) 紅麻、黃麻、苧麻、亞麻、苘麻、蕁麻、羅布麻。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“紅麻”紅麻(學(xué)名)，又名洋麻、野麻、槿麻等，屬雙子葉植物綱錦葵科木槿植物。
酶解糖化設(shè)備本發(fā)明提供了一種以達(dá)到麻韌皮纖維酶解糖化高轉(zhuǎn)化率、高濃度、低轉(zhuǎn)化時(shí)間、低酶制劑消耗為目標(biāo)的雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器。參見(jiàn)圖I。雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)雙體(第一反應(yīng)罐I與第二反應(yīng)罐 2):第一反應(yīng)罐1，罐體外形類(lèi)似于常規(guī)桶式酶解反應(yīng)器，內(nèi)裝有直插式或斜插式、單機(jī)或多機(jī)高速剪切均質(zhì)器15。第二反應(yīng)罐2，立式或臥式管狀，雙管或多管，內(nèi)裝有旋轉(zhuǎn)軸與攪拌葉輪的混合器。第二反應(yīng)罐與第一反應(yīng)罐并聯(lián)或串聯(lián)，上出下進(jìn)，經(jīng)引流體，長(zhǎng)程(第一反應(yīng)罐)——短程(第二反應(yīng)罐)雙循環(huán)高頻滾動(dòng)交換，大大提高酶解效率。第一反應(yīng)罐罐I的結(jié)構(gòu)特征由罐本體14 (或桶體)(可帶有保溫層夾套16)、高速剪切均質(zhì)器15(轉(zhuǎn)速500-2500rpm)、進(jìn)料口 12、出料口 17、測(cè)溫口 13、視鏡或觀(guān)察窗11、 支架(圖中未示出)等組成。第二反應(yīng)罐2的結(jié)構(gòu)特征由管體22、旋轉(zhuǎn)軸26 (轉(zhuǎn)速50-250)、葉輪27、進(jìn)料口
23、出料口 25(自循環(huán))、測(cè)溫口(圖中未示出)、支架、整體保溫層21、電動(dòng)馬達(dá)24等組成。 其中各管體之間由管道4連接，所述的管道4可任選地裝有管道泵。第一反應(yīng)罐與第二反應(yīng)罐具有以下連接結(jié)構(gòu)特征兩罐連接、第二反應(yīng)罐多管連接。在另一優(yōu)選例中，兩罐容積比等于或接近I : I。此外，雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器可任選地裝有其他輔助設(shè)施，其中包括(但并不限于)過(guò)濾器，以澄清的高濃度(10%以上)酶解液進(jìn)入發(fā)酵系統(tǒng)。酶解糖化用本發(fā)明的雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器，可以高效、快速、低酶耗地進(jìn)行纖維素的酶解糖化，從而生產(chǎn)出可用于發(fā)酵的糖。用于酶解的纖維素酶不是本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)，可用于本發(fā)明的纖維素酶沒(méi)有特別限制，可以是本領(lǐng)域中常規(guī)使用的各種纖維素酶。這些酶可用常規(guī)方法制備或通過(guò)市售途徑獲得。纖維素酶(cellulase)又稱(chēng)纖維素酶系，是由多種組分組成的一個(gè)復(fù)雜酶系，是水解纖維素及其衍生物的一組酶的總稱(chēng)。典型的并得到廣泛研究的纖維素酶生產(chǎn)菌株主要集中在絲狀真菌，其中酶系較全且活性較高的纖維素酶菌株主要包括木霉(Trichoderma sp·)、青霉(Penicillium sp.)和擔(dān)子菌(Basidiomycetes),如木霉屬中的瑞氏木霉 (T. reesei)、康氏木霉(T. Koningii)、綠色木霉(T. viride)以及青霉屬中的斜臥青霉 (P. decumbens)、微紫青霉(P. janthinellum)和繩狀青霉(P. funiculosum)等。根據(jù)纖維素酶的底物、作用位點(diǎn)和釋放產(chǎn)物，將纖維素酶分為三類(lèi)(I)內(nèi)切-β-1，4_ 葡聚糖酶(I,4-D-glucanohydrolase 或 endo-1, 4-β -D-glucanase，EC 3. 2. I. 4，簡(jiǎn)稱(chēng)EG)的分子量介于23 146KDa之間。這類(lèi)酶作用于纖維素分子內(nèi)部的非結(jié)晶區(qū)，隨機(jī)水解β_1，4-糖苷鍵，將長(zhǎng)鏈纖維分子截短，產(chǎn)生大量帶非還原性末端的纖維素小分子，如短鏈纖維素，纖維寡糖等。如真菌的異構(gòu)酶EG I為 53KDa, EG III約為49. 8KDa,而有兩種纖維粘菌的內(nèi)切酶EG分子量只有6. 3KDa。(2)外切_β -1，4-葡聚糖酶，或稱(chēng)纖維二糖水解酶(1，4_β -D-glucan celIobiohydrolase 或 exo_l,4_β -D-glucanase, EC 3. 2. I. 91,簡(jiǎn)稱(chēng) CBH),分子量介于38 IlSKDa之間。這類(lèi)酶作用于纖維素分子的還原或者非還原末端，水解β_1，4_糖苷鍵，每次切下一個(gè)纖維二糖分子，從而破壞纖維素分子。如木霉的CBH有兩種，CBH I分子量約為 66KDa, CBH II 約為 53KDa。(3) β-1,4_ 葡萄糖苷酶(β-1,4-glucosidase, EC 3. 2. I. 21，簡(jiǎn)稱(chēng) GE)有胞內(nèi) (或胞壁)酶和胞外酶之分，分子量介于47 76KDa(胞外酶)或90 IOOKDa(胞內(nèi)酶) 之間。主要催化水解含有β-葡萄糖昔鍵的化合物，使非還原性β-D-葡萄糖殘基及其末端斷裂，同時(shí)釋放出β-D-葡萄糖和相應(yīng)的配基，如芳香基和羥基等。在纖維素水解過(guò)程中， β -葡萄糖苷酶能夠水解低分子量的纖維糊精和纖維二糖，生成葡萄糖，從而解除因纖維二糖積累造成的對(duì)纖維素酶活性的抑制作用。因此，β_葡萄糖苷酶是廣義的纖維素酶系的主要成分之一，其酶活的高低直接影響整個(gè)纖維素酶系的作用效果。除了上述三大組分外，真菌中參與纖維素降解過(guò)程的還有一些短肽類(lèi)化合物、“氫鍵酶”、纖維二糖脫氫酶等。它們通過(guò)氧化作用或者破壞氫鍵來(lái)降解纖維素分子。酶的用量沒(méi)有特別限制，通?？梢允?00-5000IU/ml，較佳地為500_2000IU/ml。一種特別優(yōu)選的酶是酸性纖維素酶。其用量通常為100_5000IU/ml，較佳地為 200-3000IU/ml，更佳地為 500_1500IU/ml。發(fā)酵生產(chǎn)乙醇用本發(fā)明方法制備的纖維素降解的糖可被用作各種發(fā)酵工藝的糖原料，尤其是用作生產(chǎn)乙醇的發(fā)酵工業(yè)的糖原料。利用各種工程菌，通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝是眾所周知的。在這些工藝中，都可使用本發(fā)明方法制備的紅麻纖維素降解所產(chǎn)生的糖。簡(jiǎn)而言之，就是在發(fā)酵工藝中部分或全部使用本發(fā)明方法制備的糖。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于(a)本發(fā)明的酶解糖化的效率高、處理時(shí)間短、糖轉(zhuǎn)化率高。(b)本發(fā)明的顯著降低了酶耗。(C)本發(fā)明方法整體效率高，成本低。下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件，或按照制造廠(chǎng)商所建議的條件。除非另外說(shuō)明，否則百分比和份數(shù)為重量百分比和重量份數(shù)。通用方法預(yù)處理紅麻纖維預(yù)處理將紅麻韌皮纖維除去膠質(zhì)、蠟質(zhì)、部分木素等雜質(zhì)。置入 30-900C的水或弱堿水溶液中約5-180分鐘，洗滌、蒸汽爆破，經(jīng)水磨獲得流動(dòng)性好的漿狀溶液。實(shí)施例I酶解糖化采用圖I所示的酶解糖化裝置，按以下步驟進(jìn)行酶解糖化I.步驟I. I預(yù)處理后的漿狀溶液，配制成底物濃度為6%的100L溶液。
I. 2將適量檸檬酸和檸檬酸三鈉溶解于溶液中，將pH值調(diào)節(jié)到4. 8。I. 3將雙體循環(huán)酶解反應(yīng)器的夾套加熱至50°C ；L 4將纖維素酶總用量的75% (酶可以是液體酶和/或固體酶)加入溶液，并將此時(shí)定位反應(yīng)起始時(shí)間O時(shí)。其中纖維素酶(包括內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β -葡萄糖苷酶)的總用量為1000IU/ml。漿狀溶液打入第一反應(yīng)罐，轉(zhuǎn)速為600rpm，由第一反應(yīng)罐打入第二反應(yīng)罐，第二反應(yīng)罐轉(zhuǎn)速為50rpm。全部物料在第一反應(yīng)罐與第二反應(yīng)罐中間進(jìn)行雙體循環(huán)流動(dòng)。I. 5反應(yīng)24時(shí)，將纖維素酶總用量的15% (酶可以是液體酶和/或固體酶)加入溶液。
I. 6反應(yīng)48時(shí)，將纖維素酶總用量的10% (酶可以是液體酶和/或固體酶)加入溶液。
I. 7反應(yīng)72時(shí)，酶解反應(yīng)中止。
2.結(jié)果
酶解前經(jīng)預(yù)處理的原料纖維素含量為65%以上；
酶解結(jié)果經(jīng)檢測(cè)
酶解液中還原糖轉(zhuǎn)化率98. 96% ；
酶解液中葡萄糖轉(zhuǎn)化率91. 04%。
實(shí)施例2
采用圖I所示的酶解糖化裝置，按以下步驟進(jìn)行酶解糖化
I.步驟
I. I預(yù)處理后的漿狀溶液，配制成底物濃度為6%的100L溶液。
I. 2將適量檸檬酸和檸檬酸三鈉溶解于溶液中，將pH值調(diào)節(jié)到4. 8。
I. 3將雙體循環(huán)酶解反應(yīng)器的夾套加熱至50°C ；
I. 4將纖維素酶總用量的75% (酶可以是液體酶和/或固體酶)加入溶液，并將此時(shí)定位反應(yīng)起始時(shí)間O時(shí)。其中纖維素酶(包括內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β -葡萄糖苷酶)的總用量為900IU/ml。漿狀溶液打入第一反應(yīng)罐，轉(zhuǎn)速為1500rpm，由第一反應(yīng)罐打入第二反應(yīng)罐，第二反應(yīng)罐轉(zhuǎn)速為120rpm。全部物料在第一反應(yīng)罐與第二反應(yīng)罐中間進(jìn)行雙體循環(huán)流動(dòng)。
I. 5反應(yīng)24時(shí)，將纖維素酶總用量的15% (酶可以是液體酶和/或固體酶)加入溶液。
I. 6反應(yīng)48時(shí)，將纖維素酶總用量的10% (酶可以是液體酶和/或固體酶)加入溶液。
I. 7反應(yīng)60時(shí)，酶解反應(yīng)中止。
2.結(jié)果
酶解前經(jīng)預(yù)處理的原料纖維素含量為65%以上；
酶解結(jié)果經(jīng)檢測(cè)
酶解液中還原糖轉(zhuǎn)化率99. 39% ；
酶解液中葡萄糖轉(zhuǎn)化率92. 36%。
實(shí)施例3
采用圖I所示的酶解糖化裝置，按以下步驟進(jìn)行酶解糖化I.步驟:I. I預(yù)處理后的漿狀溶液，配制成底物濃度為6%的100L溶液。I. 2將適量檸檬酸和檸檬酸三鈉溶解于溶液中，將pH值調(diào)節(jié)到4. 8。I. 3將雙體循環(huán)酶解反應(yīng)器的夾套加熱至50°C ；I. 4將纖維素酶總用量的75% (酶可以是液體酶和/或固體酶)加入溶液，并將此時(shí)定位反應(yīng)起始時(shí)間O時(shí)。其中纖維素酶為酸性纖維素酶，總用量為1200IU/ml。漿狀溶液打入第一反應(yīng)罐，轉(zhuǎn)速為2800rpm，由第一反應(yīng)罐打入第二反應(yīng)罐，第二反應(yīng)罐轉(zhuǎn)速為 250rpmo全部物料在第一反應(yīng)罐與第二反應(yīng)罐中間進(jìn)行雙體循環(huán)流動(dòng)。L 5反應(yīng)24時(shí)，將纖維素酶總用量的25% (酶可以是液體酶和/或固體酶)加入溶液。I. 6反應(yīng)48時(shí)，酶解反應(yīng)中止。2.結(jié)果酶解前經(jīng)預(yù)處理的原料纖維素含量為65%以上；酶解結(jié)果經(jīng)檢測(cè)酶解液中還原糖轉(zhuǎn)化率99. 8% ;酶解液中葡萄糖轉(zhuǎn)化率94. 20%。實(shí)施例4發(fā)酵實(shí)驗(yàn)采用耐高溫釀酒高活性干酵母(采購(gòu)于湖北安琪酵母有限公司)安琪酵母發(fā)酵培養(yǎng)基添加營(yíng)養(yǎng)物組成酵母粉O. 5 %，蛋白胨O. 3 %， (NH4) 2S040. I %，磷酸二氫鉀O. 2 %，用醋酸調(diào)節(jié)pH5. O。酒母制備將O. 5g安琪釀酒高活性干酵母溶于2 %的葡萄糖水中，搖勻，置于 35-400C UOOrmp搖床上培養(yǎng)15_20min，然后溫度降至34°C以下活化l_2h，即可做酒母使用。用實(shí)施例3中制備的可發(fā)酵糖作為糖原料，采用常規(guī)的發(fā)酵條件，其中發(fā)酵溫度 35°C，酵母用量％ O. 5%，發(fā)酵時(shí)間48h。結(jié)果經(jīng)測(cè)定，發(fā)酵原液中的乙醇濃度為9. 44g/L。對(duì)比例I重復(fù)實(shí)施例I，不同點(diǎn)在于用圖I中二個(gè)第一反應(yīng)罐構(gòu)成的雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器，替換圖I所述的雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器。結(jié)果酶解前經(jīng)預(yù)處理的原料纖維素含量為65%以上；酶解結(jié)果經(jīng)檢測(cè)酶解液中還原糖轉(zhuǎn)化率50. 21% ;酶解液中葡萄糖轉(zhuǎn)化率56. 20%。對(duì)比例2重復(fù)實(shí)施例2，不同點(diǎn)在于用圖I中二個(gè)第二反應(yīng)罐構(gòu)成的雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器，替換圖I所述的雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器。此外，為了使得漿狀溶液能夠在第二反應(yīng)器中流動(dòng)，預(yù)先用獨(dú)立式的高速剪切均質(zhì)器轉(zhuǎn)速為1500rpm預(yù)處理15分鐘，然后再加入到反應(yīng)器。結(jié)果酶解前經(jīng)預(yù)處理(剪切均質(zhì)之前)的原料纖維素含量為65%以上；酶解結(jié)果經(jīng)檢測(cè)酶解液中還原糖轉(zhuǎn)化率62. 02% ；酶解液中葡萄糖轉(zhuǎn)化率65. 15%。結(jié)合實(shí)施例1-3和對(duì)比例1-2可以看出，使用本發(fā)明的雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器，可顯著提高酶解糖化的效率高、處理時(shí)間短、糖轉(zhuǎn)化率高，并且可顯著降低了酶耗，從而降低生產(chǎn)成本低。在本發(fā)明提及的所有文獻(xiàn)都在本申請(qǐng)中引用作為參考，就如同每一篇文獻(xiàn)被單獨(dú)引用作為參考那樣。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種纖維素酶解反應(yīng)器，其特征在于，包括(a)第一反應(yīng)罐，所述的第一反應(yīng)罐包括罐本體,位于罐本體內(nèi)的剪切均質(zhì)器,用于添加進(jìn)料的入口，以及用于排出物料的出口 ；(b)第二反應(yīng)罐，所述的第二反應(yīng)罐包括2個(gè)以上的串聯(lián)或并聯(lián)的反應(yīng)管，各反應(yīng)管包括管體、位于管體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸和攪拌葉輪、進(jìn)料口、出料口、以及位于管體外側(cè)的保溫層； 還包括帶動(dòng)管體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的馬達(dá)；(C)連接第一反應(yīng)罐和第二反應(yīng)罐的管道，所述的管道包括將第一反應(yīng)罐處理過(guò)的物料輸送到第二反應(yīng)罐的管道，以及將第二反應(yīng)罐處理過(guò)的物料輸送到第一反應(yīng)罐的管道， 其中所述的各管道可配有任選的管道泵；(d)連接第二反應(yīng)罐中各管體的管道，其中所述的各管道可配有任選的管道泵。
2.如權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的第二反應(yīng)罐的位于管體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸可提供50-300rpm，較佳地為100_250rpm的轉(zhuǎn)速。
3.如權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的第二反應(yīng)罐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸裝有與順流方向呈螺旋角為15-45°的葉片。
4.如權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的第二反應(yīng)罐體長(zhǎng)徑比為I:0.5 I O. 1，較佳地為 I O. 25。
5.如權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的第一反應(yīng)罐和/或第二反應(yīng)罐的各管體還設(shè)有測(cè)溫口。
6.如權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的第一反應(yīng)罐還具有位于罐本體外側(cè)的保溫層。
7.如權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的位于第一反應(yīng)器中剪切均質(zhì)器的轉(zhuǎn)速為 500-4000rmp，較佳地為 1200_3000rpm。
8.如權(quán)利要求I所述的反應(yīng)器，其特征在于，第一反應(yīng)罐與第二反應(yīng)罐的容積比為O.I : I至I : 0.1，更佳地為I : I ;其中，所述的第二反應(yīng)罐的容積為各管體的總?cè)莘e。
9.一種對(duì)纖維素進(jìn)行酶解糖化的方法，其特征在于，包括步驟(a)對(duì)纖維素原料在第一反應(yīng)罐中進(jìn)行剪切均質(zhì)，從而形成均質(zhì)化纖維素原料；(b)將均質(zhì)化的纖維素原料在第二反應(yīng)罐中用酶進(jìn)行酶解，從而將纖維素降解為寡糖或單糖，其中所述的第二反應(yīng)罐包括2個(gè)以上的串聯(lián)或并聯(lián)的反應(yīng)管，并且在步驟(b)中纖維素物料在各反應(yīng)管之間進(jìn)行自循環(huán)，以及物料在第一反應(yīng)罐和第二反應(yīng)罐之間進(jìn)行外循環(huán)。
10.如權(quán)利要求I所述的纖維素酶解反應(yīng)器的用途，其特征在于，用于纖維素原料的酶解糖化。
全文摘要
本發(fā)明提供了雙體循環(huán)纖維素酶解反應(yīng)器及其應(yīng)用。具體地，本發(fā)明提供一種纖維素酶解反應(yīng)器，它包括(a)第一反應(yīng)罐，包括罐本體，位于罐本體內(nèi)的剪切均質(zhì)器，用于添加進(jìn)料的入口，以及用于排出物料的出口；(b)第二反應(yīng)罐，包括2個(gè)以上的串聯(lián)或并聯(lián)的反應(yīng)管；(c)連接第一反應(yīng)罐和第二反應(yīng)罐的管道；(d)連接第二反應(yīng)罐中各管體的管道。本發(fā)明的酶解反應(yīng)器對(duì)麻韌皮纖維等纖維素進(jìn)行酶解糖化時(shí)，具有高轉(zhuǎn)化率、高濃度、低轉(zhuǎn)化時(shí)間、低酶制劑消耗等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C12P19/14GK102604828SQ201110025868
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者張士楚, 朱震黎, 王恒新, 王榮華 申請(qǐng)人:上海眾偉生化有限公司