專利名稱：一種木質(zhì)纖維素酶水解與膜分離耦合生產(chǎn)高濃度還原糖的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種木質(zhì)纖維素酶解液中糖分的精制方法，尤其涉及應(yīng)用膜分離技術(shù) 與木質(zhì)纖維素酶解耦合生產(chǎn)高濃度還原糖的方法。
背景技術(shù)：
木質(zhì)纖維素是自然界中來源廣泛、價(jià)格低廉的可再生資源，其主要成分為纖維素、 半纖維素和木質(zhì)素。生物轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素中的糖類聚合物生產(chǎn)生物燃料或生物基化學(xué)品是 木質(zhì)纖維素綜合利用的一個(gè)有效途徑。木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化過程包括預(yù)處理、酶水解、微生 物發(fā)酵和產(chǎn)物分離四個(gè)步驟，其中酶水解是個(gè)很重要的步驟。目前，水解木質(zhì)纖維素的酶的 成本很高。因此在酶水解結(jié)束后，對(duì)水解酶進(jìn)行回收和利用是降低酶水解成本的有效方法。 水解酶的回收方法有新鮮底物吸附法和超濾法等。應(yīng)用酶膜反應(yīng)器進(jìn)行木質(zhì)纖維素酶解，實(shí)現(xiàn)水解酶的循環(huán)利用是一個(gè)較為理想的 方法。酶膜反應(yīng)器是利用一定截留分量的超濾膜，截留高分子量的木質(zhì)纖維素水解酶，實(shí)現(xiàn) 酶的反復(fù)使用，同時(shí)低分子量的酶解產(chǎn)物如葡萄糖、木糖和纖維二糖等可透過膜，因而能降 低末端產(chǎn)物對(duì)纖維素酶的抑制作用，提高纖維素的酶解效率。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的酶膜反應(yīng)器 大都是內(nèi)置式的，不利于工業(yè)化放大，而且存在著透過液中還原糖濃度低的缺點(diǎn)，不利于后 續(xù)微生物發(fā)酵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種木質(zhì)纖維素酶解液中糖分的分離和濃縮的方法，該方法 不僅能分離木質(zhì)纖維素底物、水解酶和酶解產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)底物和水解酶的循環(huán)利用，還能對(duì)酶 解產(chǎn)物進(jìn)行濃縮。該方法將微濾、超濾和納濾結(jié)合使用，有效減輕了木質(zhì)纖維素底物對(duì)超濾 膜的污染，避免了酶解產(chǎn)物對(duì)木質(zhì)纖維素酶解的抑制作用，提高了酶解效率，降低了酶解成 本，并節(jié)省了生產(chǎn)過程中的能耗和水耗，提高了酶解液中的還原糖濃度，易于微生物發(fā)酵生 產(chǎn)高濃度的產(chǎn)物。本發(fā)明提供了一種木質(zhì)纖維素酶水解與膜分離耦合生產(chǎn)高濃度還原糖的方法，其 特征在于生產(chǎn)過程如下(1)木質(zhì)纖維素糖化酶解預(yù)處理的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)還原糖；(2)微濾過濾將酶解糖化液通過微濾過濾，得到含水解酶和還原糖的透過液，截 留的木質(zhì)纖維素粒子返回酶解反應(yīng)器繼續(xù)酶解。(3)超濾過濾將微濾透過液用超濾過濾，得到含還原糖的透過液，截留的水解酶 返回酶解反應(yīng)器循環(huán)利用。(4)納濾濃縮超濾透過液經(jīng)納濾濃縮，制得高濃度的還原糖溶液，納濾透過液返 回酶解反應(yīng)器。本發(fā)明所述酶水解過程中初始底物濃度為 15%，水解用酶是纖維素酶、木聚糖酶、0 “葡萄糖苷酶(纖維二糖酶)、果膠酶或其復(fù)合物，酶用量為5 50IU/g底物，反 應(yīng)溫度 20 60°C，pH4. 8. 0。本發(fā)明所述的木質(zhì)纖維素可以是玉米秸稈、稻草秸稈、小麥秸稈、甘蔗渣、草類以 及闊葉樹或針葉樹的木屑。木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法可以是稀酸等化學(xué)預(yù)處理、雙氧水等氧 化預(yù)處理、蒸汽爆破等理化預(yù)處理或酒精等有機(jī)溶劑預(yù)處理。本發(fā)明所述的微濾膜的孔徑為0. 1 1. Oym，超濾膜的截留分子量為5000 50000道爾頓，膜材料為聚醚砜、聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈和聚酰胺中的一種。本發(fā)明所述的納濾膜的截留分子量為90 300道爾頓；其膜組件形式為卷式、管 式或板框式有機(jī)膜組件或管式無機(jī)膜組件；有機(jī)納濾膜材料為醋酸纖維素、磺化聚砜、聚酰 胺、聚醚砜、磺化聚醚砜、聚哌嗪或聚乙烯醇；無機(jī)納濾膜材料為陶瓷。本發(fā)明的反應(yīng)分離耦合操作方式可以是連續(xù)操作，也可以是間歇操作。原料補(bǔ)加 方式可以是間歇補(bǔ)料，也可以是連續(xù)補(bǔ)料。間歇補(bǔ)料是在膜分離單元排出一定量后，向酶反 應(yīng)器中加入相同體積的原料液，連續(xù)補(bǔ)料是在膜分離單元排出的同時(shí)向酶解反應(yīng)器中加入 原料液，補(bǔ)加速率與排出速率相等。本發(fā)明提供的木質(zhì)纖維素酶水解與膜分離耦合生產(chǎn)高濃度還原糖的方法將微濾、 超濾和納濾結(jié)合使用，不但可以減輕木質(zhì)纖維素底物對(duì)超濾膜的污染，顯著提高系統(tǒng)運(yùn)行 的連續(xù)性，而且可以避免酶解產(chǎn)物對(duì)木質(zhì)纖維素酶解的抑制作用，提高酶解效率。利用納濾 技術(shù)濃縮酶解液中的還原糖，提高酶解液中的還原糖濃度，易于微生物發(fā)酵生產(chǎn)高濃度的 產(chǎn)物。本發(fā)明提供的方法將木質(zhì)纖維素和水解酶的分離以及還原糖的濃縮等工藝與酶水解 過程緊密耦合，節(jié)省了生產(chǎn)過程中的能耗和水耗，易于自動(dòng)化控制和產(chǎn)業(yè)化。


圖1是木質(zhì)纖維素酶水解與膜分離單元耦合生產(chǎn)高濃度還原糖的工藝流程示意 圖。附圖標(biāo)記1.酶解反應(yīng)器2.進(jìn)料泵3.微濾組件4.超濾組件5.料液槽6.進(jìn)料泵 7.納濾組件8.閥門9.閥門10.閥門11.閥門
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，本發(fā)明所涉及的主題保護(hù)范圍并非僅限 于這些實(shí)施例。實(shí)施例1 一種木質(zhì)纖維素酶水解與膜分離耦合生產(chǎn)高濃度還原糖的方法，包括 如下步驟(1)在酶解反應(yīng)器中按5% (w/v)的比例加入稀酸處理的甘蔗渣、纖維素酶和 葡萄糖苷酶，纖維素酶和葡萄糖苷酶用量分別是20IU/g底物和20IU/g底物。pH
調(diào)整為4.8，50°C保溫1天。(2)開啟進(jìn)料泵，將酶解液泵入微濾組件(聚偏氟乙烯(PVDF)膜)，截留的木質(zhì)纖 維素底物返回酶解反應(yīng)器。微濾膜的孔徑約為0. 45微米，組件內(nèi)的壓力為0. 1 0. 2MPa。(3)步驟(2)得到的透過液進(jìn)入截留分子量為10000道爾頓的管式聚酰胺超濾組
4件，截留的水解酶返回酶解反應(yīng)器。同時(shí)向酶解反應(yīng)器中加入緩沖液，使酶反應(yīng)器中的液體 體積保持不變。酶解反應(yīng)2天后，關(guān)閉進(jìn)料泵，停止微濾和超濾操作。(4)步驟(3)得到的透過液進(jìn)入料液槽中，然后經(jīng)進(jìn)料泵加壓后以26. 5L/m2 h 的膜通量通過截留分子量為90道爾頓的平板式聚酰胺納濾膜組件，直至料液槽中還原糖 濃度達(dá)到40g/L時(shí)停止操作，納濾濃縮后還原糖濃度提高近10倍，甘蔗渣的轉(zhuǎn)化率提高了 45%。實(shí)施例2 —種木質(zhì)纖維素酶水解與膜分離耦合生產(chǎn)高濃度還原糖的方法，包括 如下步驟(1)在酶解反應(yīng)器中按3% (w/v)的比例加入稀堿處理的楊木木屑、纖維素酶和 葡萄糖苷酶，纖維素酶和葡萄糖苷酶用量分別是10iu/g底物和20IU/g底物。pH
調(diào)整為4.8，50°C保溫1天。(2)開啟進(jìn)料泵，將酶解液泵入微濾組件(PVDF膜)，截留的木質(zhì)纖維素底物返回 酶解反應(yīng)器。微濾膜的孔徑約為0. 45微米，組件內(nèi)的壓力為0. 1 0. 2MPa。(3)步驟(2)得到的透過液進(jìn)入截留分子量為5000道爾頓的平板式聚醚砜超濾組 件，截留的水解酶返回酶解反應(yīng)器。同時(shí)不斷補(bǔ)加原料和緩沖液到酶解反應(yīng)器中，使酶反應(yīng) 器中的液體體積保持不變。酶解反應(yīng)2天后，關(guān)閉進(jìn)料泵，停止微濾和超濾操作。(4)步驟(3)得到的透過液進(jìn)入料液槽中，然后經(jīng)進(jìn)料泵加壓后以39. 8L/m2 -h的 膜通量通過截留分子量為150道爾頓的管式聚酰胺納濾膜組件，直至料液槽中還原糖濃度 達(dá)到50g/L時(shí)停止操作，納濾濃縮后還原糖濃度提高近14倍，木屑的轉(zhuǎn)化率提高了 34%。實(shí)施例3 —種木質(zhì)纖維素酶水解與膜分離耦合生產(chǎn)高濃度還原糖的方法，包括 如下步驟(1)在酶解反應(yīng)器中按10% (w/v)的比例加入汽爆處理的小麥秸稈、纖維素酶、 3 -葡萄糖苷酶和木聚糖酶，纖維素酶、3 “葡萄糖苷酶和木聚糖酶用量分別是40IU/g底 物、20IU/g底物和20IU/g底物。pH調(diào)整為4. 8，50°C保溫1天。(2)開啟進(jìn)料泵，將酶解液泵入微濾組件(陶瓷膜)，截留的木質(zhì)纖維素底物返回 酶解反應(yīng)器。微濾膜的孔徑約為0. 22微米，組件內(nèi)的壓力為0. 1 0. 2MPa。(3)步驟(2)得到的透過液進(jìn)入截留分子量為10000道爾頓的中空纖維聚醚砜超 濾組件，截留的水解酶返回酶解反應(yīng)器。每隔12小時(shí)向酶解反應(yīng)器中補(bǔ)加原料和緩沖溶 液，使酶反應(yīng)器中的液體體積保持不變。酶解反應(yīng)2天后，關(guān)閉進(jìn)料泵，停止微濾和超濾操 作。(4)步驟(3)得到的透過液進(jìn)入料液槽中，然后經(jīng)進(jìn)料泵加壓后以53. 09L/m2 h 的膜通量通過截留分子量為150道爾頓的平板式聚酰胺納濾膜組件，直至料液槽中還原糖 濃度達(dá)到103g/L時(shí)停止操作，納濾濃縮后還原糖濃度提高近18倍，秸稈的轉(zhuǎn)化率提高了 73%。
權(quán)利要求
一種木質(zhì)纖維素酶水解與膜分離耦合生產(chǎn)高濃度還原糖的方法，其特征在于，該生產(chǎn)方法包括以下步驟(1)木質(zhì)纖維素糖化酶解預(yù)處理的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)還原糖；(2)微濾過濾將酶解糖化液通過微濾過濾，得到含水解酶和還原糖的透過液，截留的木質(zhì)纖維素粒子返回酶解反應(yīng)器繼續(xù)酶解；(3)超濾過濾將微濾透過液用超濾過濾，得到含還原糖的透過液，截留的水解酶返回酶解反應(yīng)器循環(huán)利用；(4)納濾濃縮超濾透過液經(jīng)納濾濃縮，制得高濃度的還原糖溶液，納濾透過液返回酶解反應(yīng)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，步驟(1)中酶水解過程所用初始底物濃 度為 15% (w/v，質(zhì)量體積比)，水解用酶是纖維素酶、木聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、果 膠酶或其復(fù)合物，酶用量為5 50IU/g底物，反應(yīng)溫度20 60°C，pH4. 0 8. 0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，步驟(1)中所述的木質(zhì)纖維素可以是玉 米秸稈、稻草秸稈、小麥秸稈、甘蔗渣、草類以及闊葉樹或針葉樹的木屑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，步驟(1)中所述的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方 法可以是稀酸等化學(xué)預(yù)處理、雙氧水等氧化預(yù)處理、蒸汽爆破等理化預(yù)處理或酒精等有機(jī) 溶劑預(yù)處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所用微濾膜的孔徑為0.1 1. 0 μ m，膜材質(zhì)為有機(jī)膜或無機(jī)陶瓷膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，步驟(3)中所用超濾膜的截留分子量為 5000 50000道爾頓，膜材料為聚醚砜、聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺和無機(jī)陶瓷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，步驟(4)中所用納濾膜的截留分子量為 90 300道爾頓；其膜組件形式為卷式、管式或板框式有機(jī)膜組件或管式無機(jī)膜組件；有機(jī) 納濾膜材料為醋酸纖維素、磺化聚砜、聚酰胺、聚醚砜、磺化聚醚砜、聚哌嗪或聚乙烯醇；無 機(jī)納濾膜材料為陶瓷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、5、6或7中所述的方法，其特征在于，反應(yīng)分離連續(xù)操作或者間歇操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8中所述的方法，其特征在于，連續(xù)操作時(shí)間歇補(bǔ)料或連續(xù)補(bǔ)料；間歇 補(bǔ)料是在膜分離單元排出一定量后，向酶反應(yīng)器中加入相同體積的原料液；連續(xù)補(bǔ)料是在 膜分離單元排出的同時(shí)向酶解反應(yīng)器中加入原料液，補(bǔ)加速率與排出速率相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種木質(zhì)纖維素酶水解與膜分離單元耦合生產(chǎn)高濃度還原糖的方法。該方法利用微濾和超濾分離酶解液中的木質(zhì)纖維素底物、水解酶和酶解產(chǎn)物還原糖，實(shí)現(xiàn)底物和酶的反復(fù)使用，并通過納濾濃縮酶解液，制得高濃度的還原糖溶液。本發(fā)明將微濾、超濾和納濾結(jié)合使用，有效減輕了木質(zhì)纖維素底物對(duì)超濾膜的污染，避免了酶解產(chǎn)物對(duì)木質(zhì)纖維素酶解的抑制作用，提高了酶解效率，降低了酶解成本，并節(jié)省了生產(chǎn)過程中的能耗和水耗，提高了酶解液中的還原糖濃度，易于微生物發(fā)酵生產(chǎn)高濃度的產(chǎn)物。
文檔編號(hào)C07H1/06GK101899488SQ20101022858
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者萬印華, 伊守亮, 沈飛, 蘇儀, 陳向榮, 齊本坤 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院過程工程研究所