一種輻照預(yù)處理和分批補(bǔ)料實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素高底物濃度酶水解的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于木質(zhì)纖維素酶水解技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種射線輻照預(yù)處理木質(zhì)纖維 素的高底物濃度酶水解方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著化石能源的枯竭，可再生的生物質(zhì)能源越來(lái)越引起人們的重視。以木質(zhì)纖維 素為原料的第二代燃料乙醇被認(rèn)為是燃料乙醇的重要發(fā)展方向。木質(zhì)纖維素原料是地球上 最豐富的可再生能源之一。全球每年大量的農(nóng)作物秸桿如油菜桿、玉米桿、稻草秸桿等大部 分被丟棄或者焚燒，不僅造成資源浪費(fèi)，還造成環(huán)境污染。木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇具 有可再生性、無(wú)污染性等特點(diǎn)，其回收利用可以改善空氣質(zhì)量，促進(jìn)偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，減 少對(duì)汽油的依賴(lài)，減少溫室效應(yīng)等。但目前最大的難題是，如何改變木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)以增 加其糖化反應(yīng)性能。各種物理、化學(xué)預(yù)處理方法都有一定的局限性，在生產(chǎn)應(yīng)用中都存在著 處理成本高、酸堿回收困難，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重、對(duì)后續(xù)工藝有抑制等問(wèn)題。因此尋求一種高 效、無(wú)污染、成本低的有效預(yù)處理方法迫在眉睫。
[0003] 輻照預(yù)處理是利用放射性同位素Co6°衰變時(shí)放出的高能Y射線作用于木質(zhì)纖維 素，破壞木質(zhì)纖維素物理與化學(xué)結(jié)構(gòu)的一種預(yù)處理方法。輻照預(yù)處理過(guò)程不需要加熱，整個(gè) 過(guò)程在室溫下就可以進(jìn)行，且產(chǎn)生的抑制性副產(chǎn)物少。經(jīng)過(guò)高劑量輻照處理后的木質(zhì)纖維 素結(jié)構(gòu)變松散，硬度變小，結(jié)晶度下降，微晶纖維素的微觀結(jié)構(gòu)由平滑變得粗糙，半纖維素、 纖維素和木質(zhì)素分子鏈被大量切斷。因此，經(jīng)高劑量輻照預(yù)處理后，木質(zhì)纖維素的酶解轉(zhuǎn)化 率顯著提高。射線輻照預(yù)處理技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、清潔無(wú)污染、可在常溫和常壓下進(jìn)行、無(wú) 物料損失、效果顯著等優(yōu)勢(shì)。
[0004] 木質(zhì)纖維素酶解后的還原糖濃度不高是目前纖維素燃料乙醇商業(yè)化主要技術(shù)瓶 頸之一。通常情況下，批式發(fā)酵乙醇濃度不會(huì)超過(guò)40g/L，而當(dāng)發(fā)酵液中乙醇濃度低于4% 時(shí)，用于后續(xù)的乙醇濃縮及精餾的能耗將顯著增加。提高酶解體系的底物濃度是獲得高濃 度還原糖的直接方法，而高底物濃度往往導(dǎo)致體系的黏性增加，不利于體系的物質(zhì)傳遞和 熱量傳遞，使酶解效率低下。分批往體系中補(bǔ)加底物和酶可以降低反應(yīng)時(shí)體系的粘度，有利 于體系的傳質(zhì)與傳熱，從而獲得高濃度還原糖。
[0005] 木質(zhì)纖維素原料高濃度還原糖水解液的獲得是實(shí)現(xiàn)其高濃度發(fā)酵并降低纖維乙 醇生產(chǎn)成本的必要條件。目前輻照預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素都是在較低底物濃度下進(jìn)行酶 解，不能獲得高濃度糖，因此本發(fā)明以射線輻照預(yù)處理的木質(zhì)纖維素為原料，利用分批補(bǔ)料 和分批補(bǔ)加纖維素酶的方法提高輻照預(yù)處理木質(zhì)纖維素酶解體系的底物濃度，從而獲得高 濃度還原糖的酶水解液。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種操作簡(jiǎn)單、清潔無(wú)污染、可在常溫和常壓下進(jìn)行、無(wú)物料 損失、效果顯著的射線輻照預(yù)處理的原料高底物濃度、產(chǎn)高濃度還原糖的木質(zhì)纖維素酶水 解的方法。
[0007] -種輻照預(yù)處理和分批補(bǔ)料實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素高底物濃度酶水解的方法，以木質(zhì)纖 維素為原料，經(jīng)射線輻照預(yù)處理，采用分批補(bǔ)料和分批補(bǔ)加纖維素酶，使原料進(jìn)行酶水解， 從而獲得高濃度還原糖的酶水解液；
[0008] 分批補(bǔ)料和分批補(bǔ)加纖維素酶步驟為：
[0009] (1)將木質(zhì)纖維素原料按照起始質(zhì)量濃度為18%添加至PH4. 8的醋酸-醋酸鈉緩 沖液中，添加45FPU/g底物的纖維素酶，在pH4. 8,溫度為50°C和轉(zhuǎn)速130~160rpm條件下， 酶水解12h ;
[0010] ⑵補(bǔ)加木質(zhì)纖維素原料，使得處理的底物質(zhì)量濃度達(dá)到24%，同時(shí)按45FPU/g增 加的底物添加纖維素酶，酶水解至36h ;
[0011] (3)補(bǔ)加木質(zhì)纖維素原料，使得處理的底物質(zhì)量濃度達(dá)到30%，同時(shí)按45FPU/g增 加的底物添加纖維素酶，酶水解至60h ;
[0012] (4)補(bǔ)加木質(zhì)纖維素原料，使得處理的底物質(zhì)量濃度達(dá)到36%，同時(shí)按45FPU/g增 加的底物添加纖維素酶，繼續(xù)水解到144h，獲得水解液中高濃度還原糖達(dá)200g/L以上。
[0013] 所述的木質(zhì)纖維素原料是主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的農(nóng)林廢棄物或 速生能源作物?？蛇x用玉米秸桿、水稻秸桿、油菜秸桿、蘆葦秸桿和芒草秸桿中的一種或幾 種。
[0014] 所述的射線輻照預(yù)處理是將木質(zhì)纖維素曬干或烘干，水分含量< 10%，放置輻照 箱中，用6°C〇- y射線進(jìn)行輻照預(yù)處理，輻照劑量率為2kGy/h，處理劑量為1000~1200kGy。 將射線輻照預(yù)處理的木質(zhì)纖維素粉碎過(guò)20目篩，獲得木質(zhì)纖維素原料。
[0015] 本發(fā)明的有益效果：射線輻照預(yù)處理技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、清潔無(wú)污染、可在常溫和 常壓下進(jìn)行、無(wú)物料損失，效果顯著等優(yōu)勢(shì)，處理后的木質(zhì)纖維素可直接進(jìn)行酶水解，無(wú)需 脫毒，工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約成本。將射線輻照預(yù)處理和分批補(bǔ)料及補(bǔ)加纖維素酶耦合工藝對(duì)木質(zhì) 纖維素進(jìn)行降解，分批往體系中補(bǔ)加底物和纖維素酶可以降低反應(yīng)體系的粘度，有利于體 系的傳質(zhì)與傳熱，可極大地提高酶解反應(yīng)體系的木質(zhì)纖維素底物濃度，使得處理的底物濃 度高達(dá)36%，獲得的酶水解液中高濃度還原糖為200g/L以上，達(dá)到了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。木 質(zhì)纖維素高濃度還原糖酶水解液的獲得可提高后期乙醇高濃度發(fā)酵并降低乙醇蒸餾能耗， 從而降低纖維燃料乙醇的生產(chǎn)成本。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為射線輻照對(duì)木質(zhì)纖維素生化組分變化的影響；
[0017] 圖2為玉米和芒草秸桿輻照處理前后酶解產(chǎn)糖得率；
[0018] 圖3為初始底物濃度對(duì)酶水解產(chǎn)糖的影響；
[0019] 圖4為纖維素酶添加量對(duì)酶水解產(chǎn)糖的影響；
[0020] 圖5為12h和36h分批補(bǔ)料6% (處理的底物濃度達(dá)30% )酶水解糖化反應(yīng)；
[0021] 圖6為12h、36、60h分批補(bǔ)料6% (處理的底物濃度達(dá)36% )酶水解糖化反應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不限于此。
[0023] 實(shí)施例1
[0024] 射線輻照對(duì)木質(zhì)纖維素生化組分和酶水解產(chǎn)糖的影響
[0025] 1.射線輻照對(duì)木質(zhì)纖維素生化組分的影響
[0026] 輻照處理可直接打斷木質(zhì)纖維素分子鏈，降低其聚合度，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的降 解。將木質(zhì)纖維素材料曬干或烘干，水分含量< 10%，打捆放置輻照箱中，在實(shí)驗(yàn)條件下用 6°C〇-y射線進(jìn)行輻照預(yù)處理，輻照劑量率為2kGy/h，處理劑量為400~1200kGy，將射線輻 照預(yù)處理的木質(zhì)纖維素材料粉碎過(guò)20目篩，獲得木質(zhì)纖維素原料。如圖1中的生化組分 含量變化結(jié)果所示，隨著輻照劑量的升高，稻草和玉米秸桿中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的 組分含量逐漸減小，說(shuō)明主要生化組分均發(fā)生了降解。經(jīng)1200kGy劑量處理后，稻草和玉米 秸桿中的纖維素降解率分別為26. 1%和29. 3% ;而半纖維素的降解則更加劇烈，半纖維素 降解率分別為77. 8%和78. 1%，這是由于半纖維素的低聚合度屬性更容易遭受降解所致； 木質(zhì)素降解率均大于10%，木質(zhì)素的脫除將促進(jìn)酶水解產(chǎn)糖得率的提高。
[0027] 2.射線輻照對(duì)木質(zhì)纖維素酶水解產(chǎn)糖的影響
[0028] 經(jīng)射線輻照處理后，木質(zhì)纖維素材料形態(tài)結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、超分子結(jié)構(gòu)均發(fā)生顯著 改變，可極大提高纖維素酶水解反應(yīng)效率。輻照處理前后芒草和玉米秸桿批式酶解產(chǎn)糖得 率如圖2所示，經(jīng)1200kGy劑量射線輻照預(yù)處理的芒草和玉米秸桿，纖維素酶水解產(chǎn)還原糖 得率可分別達(dá)到398. lmg/g和405. 5mg/g，與未經(jīng)輻照處理相比，可使酶解產(chǎn)還原糖得率分 別提高了 7. 1和6. 5倍，說(shuō)明射線輻照預(yù)處理可極大提高木質(zhì)纖維素酶水解產(chǎn)糖效率。
[0029] 實(shí)施例2