CN100497647C - 使用纤维素酶吸附酶解秸秆纤维素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的使用纤维素酶吸附酶解秸秆纤维素的方法，步骤如下：将经蒸汽爆破和干燥处理的汽爆秸秆与纤维素酶酶液混合，在-4℃～0℃下进行吸附-解吸；待吸附-解吸达到平衡后，进行固液分离，得上清和吸附有纤维素酶的汽爆秸秆；再将吸附有纤维素酶的汽爆秸秆在40℃～50℃下酶解48～72小时；如此反复上述吸附-解吸和酶解过程1-4次。其优点：一批酶酶解多批底物，纤维素酶的平均用量最低至6IU/g底物，每国际单位纤维素酶可产生还原糖17.70～27.07mg，低于实施工业化估算的酶最低用量标准10IU/g底物；还可缩短酶解时间，节约耗能；而且纤维素酶可回收。
Description
技术领域
本发明属于纤维素酶解领域，特别涉及一种使用纤维素酶吸附酶解秸秆纤维素的方法，使纤维素酶得以高效利用的方法。
背景技术
我国可利用的植物纤维素资源丰富，仅农作物秸秆每年产量可达7亿吨之多。纤维素糖化的研究早在近二百年前就开始了。早期的研究主要采用浓酸法和稀酸法水解糖化纤维素成葡萄糖。酸水解法具有反应速度快这一最大优点，但由于要消耗大量的酸、对反应设备存在腐蚀性、能耗高，酸水解产生的糖易于降解而且通常会产生糖醛酸或糠醛等对后续发酵或加工过程极为不利的副产物。虽然酸法糖化纤维素物质存在上述问题，但由于当时认知水平及科研条件，酸法降解也曾经辉煌一时；直到二十世纪四、五十年代，酶法降解逐渐受到研究者的青睐并在进入二十一世纪的当下愈加受到重视，成为各国相关研究者的焦点。酶解法条件温和、产物得率高、设备要求低、能耗低，但其最大的缺点就是反应速率慢。为提高反应速度，就要增加转化过程中的酶用量，这势必使其商业化运作时面临酶应用成本远高于商业化运作水平的问题。
在酶解工艺中，循环利用酶是一种非常有效的节约用酶，进而降低酶解成本的方式。目前，大多数研究者采用分批形式在新鲜底物上直接重复吸附酶的方式，即批次酶解后，进行体系分离，上清可以吸附新鲜的底物继续酶解；含有残留纤维素酶的底物添加到新底物中继续酶解。如此反复，可以进行几个循环。许多底物如麦草、山杨在酶解一定时间后，进行体系分离，吸附酶的残渣与新鲜底物混合继续酶解后能得到较高的糖量。这种方式虽然能充分利用酶，但要想获得理想水解效率，则要通过延长每一轮水解的反应时间(如第1轮水解要3天，而第5轮要高达16天左右)。这就需要消耗额外的能量，同时增加了人工成本，使得节省下来得酶的成本被这额外的“负担”所抵消。可见，寻找其他循环利用酶的方式势在必行。经过大量的调研与研究，我们发明了一种纤维素酶吸附酶解汽爆秸秆的方法。
发明内容
本发明的目的是针对目前纤维素酶解过程中纤维素酶利用率低的问题，提出一种利用秸秆预处理和纤维素酶相结合使每国际单位纤维素酶产生更多还原糖的纤维素酶吸附酶解汽爆秸秆的方法。
本发明提供的纤维素酶吸附酶解汽爆秸秆的方法，首先对秸秆进行蒸汽爆破预处理；然后取一定量的纤维素酶酶液，与汽爆秸秆在一定温度下混合，待达到吸附-解吸平衡后，进行体系分离，吸附酶的残渣恢复固液比在一定温度下进行酶解；上清继续与新鲜汽爆秸秆混合，达到吸附-解吸平衡后，进行第二次体系分离......重复以上步骤，依次进行2—4次。
本发明提供的使用纤维素酶吸附酶解秸秆纤维素的方法，其步骤包括：
(1)将含水量10～35％的秸秆在蒸汽压力1.0～1.5Mpa的条件进行下蒸汽爆破处理，之后再将经蒸汽汽爆处理后的蒸汽秸秆进行干燥处理；
(2)将纤维素酶用pH4.8的缓冲液混合配制纤维素酶酶液；
(3)将干燥的汽爆秸秆与纤维素酶酶液按固液的重量份配比1：6～1：10的配比混合，其纤维素酶用量为30～150IU/g汽爆麦秸，在-4℃～0℃下进行吸附-解吸；待吸附-解吸达到平衡后，进行固液分离，得上清和吸附有纤维素酶的汽爆秸秆；
所述缓冲液选自醋酸、醋酸钠、柠檬酸或柠檬酸钠缓冲液；
所述的纤维素酶选自里氏木霉、绿色木霉、黑曲霉或康氏木霉所产生的纤维素酶；
(4)将吸附有纤维素酶的汽爆秸秆在40℃～50℃下酶解48～72小时。
本发明提供的使用纤维素酶吸附酶解秸秆纤维素的方法，所述步骤还包括在步骤3)之后重复下述步骤1—4次：向步骤(3)中分离所得的上清中添加新鲜汽爆秸秆，使混合液固液的重量份配比为1:6～1:10，在-4℃～0℃下进行吸附-解吸，待吸附-解吸达到平衡后，进行固液分离，得上清和吸附有纤维素酶的汽爆秸秆，将吸附有纤维素酶的汽爆秸秆在40℃～50℃下酶解48～72小时。
所述吸附-解吸的时间为2～4小时。
所述秸秆选自麦秸、玉米秸秆、稻草、高梁秸、芦苇、花生秧或花生壳。
酶解结束后，抽滤，所得溶液用DNS法测量溶液中的还原糖量。当纤维素酶用量为50IU/g底物时，单位酶产生的还原糖量(27.07mg)较对照(9.88mg)提高了近2倍。
酶解结束后，体系中的纤维素酶可以进行回收：上清中采用硫酸铵分级沉淀法，吸附于固体残渣的酶可采用Ca(OH)2-Tween20回收。
本发明的方法具有以下优点：
(1)一批酶酶解多批底物：一批酶可以反复与新鲜底物进行吸附5次后而得到很好的酶解效果，使纤维素酶的平均用量最低至6IU/g底物，低于可以实施工业化估算的酶的最低用量标准10IU/g底物。
(2)较常规的批次酶解后循环使用工艺缩短了酶解时间，节约了大量能量；
(3)酶解后，纤维素酶可回收。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
1、将含水量为10％的麦秸15g，投入汽爆罐中在蒸汽压力1.0Mpa下处理5分钟，之后瞬间减压释放，得到经蒸汽爆破处理后的麦秸，并将其在60℃下干燥48小时；
2、将干燥后的汽爆麦秸与纤维素酶液(用pH为4.8的醋酸缓冲溶液配制的纤维素酶液)按固液的重量份配比1：7混合，其纤维素酶用量为30IU/g汽爆麦秸，在—1℃下吸附2小时后进行体系分离；
3、吸附酶的底物恢复固液比(固液的重量份配比1：7)在50℃下，酶解72小时。
本实施例使用的酶为里氏木霉所产生的纤维素酶，其单位酶产生的还原糖量为22.62mg。
实施例2
1、将含水量为10％的高梁秸秆15g，投入汽爆罐中在蒸汽压力1.4Mpa下处理6分钟，之后瞬间减压释放，得到经蒸汽爆破处理后的高梁秸秆，并将其在60℃下干燥48小时；
2、将干燥后的汽爆高梁秸秆与纤维素酶(用pH为4.8的柠檬酸缓冲溶液配制的酶液)按固液的重量份配比1：6混合，纤维素酶用量为50IU/g底物，在—3℃下吸附2小时后进行体系分离；
3、向步骤2中分离所得的上清中添加新鲜汽爆高梁秸秆，使混合液固液的重量份配比为1:6，在-3℃下再进行吸附-解吸；
待吸附-解吸达到平衡后，再进行固液分离，得上清和吸附有纤维素酶的汽爆秸秆；将吸附有纤维素酶的汽爆秸秆在50℃下酶解60小时。
本实施例使用的酶为绿色木霉所产生的纤维素酶，单位酶产生的还原糖量为27.07mg。
实施例3
1、将含水量为35％的稻草15g，投入汽爆罐中在蒸汽压力1.1Mpa下处理7分钟，之后瞬间减压释放，得到经蒸汽爆破处理后的稻草，并将其在60℃下干燥48小时；
2、将干燥后的汽爆稻草与纤维素酶(用pH为4.8的醋酸钠缓冲溶液配制的酶液)按按固液的重量份配比1：8混合，纤维素酶用量为100IU/g底物，在0℃下吸附3小时后进行体系分离；
3、本实施例还包括重复下述步骤2次：向步骤2中分离所得的上清中添加新鲜汽爆高梁秸秆，使混合液固液的重量份配比为1:8，在0℃下进行吸附-解吸4小时后，进行固液分离，得上清和吸附有纤维素酶的汽爆秸秆；将吸附有纤维素酶的汽爆秸秆在40℃下酶解52小时。
本实施例使用的酶为黑曲霉所产生的纤维素酶，单位酶产生的还原糖量为19.90mg。
实施例4
1、将含水量为20％的玉米秸秆15g，投入汽爆罐中在蒸汽压力1.5Mpa下处理6分钟，之后瞬间减压释放，得到经蒸汽爆破处理后的玉米秸秆，并将其在60℃下干燥48小时；
2、将干燥后的汽爆玉米秸秆与纤维素酶(用pH为4.8的柠檬酸钠缓冲溶液配制的酶液)按固液的重量份配比1：10混合，纤维素酶用量为150IU/g底物，在-4℃下吸附4小时后进行体系分离；
3、本实施例还包括重复下述步骤3或4次：向步骤2中分离所得的上清中添加新鲜汽爆高梁秸秆，使混合液固液的重量份配比为1:10，在—4℃下进行吸附-解吸2小时后，进行固液分离，得上清和吸附有纤维素酶的汽爆秸秆；将吸附有纤维素酶的汽爆秸秆在45℃下酶解48小时。
本实施例使用的酶为康氏木霉所产生的纤维素酶，单位酶产生的还原糖量为17.70mg。
Claims (4)
1、一种使用纤维素酶吸附酶解秸秆纤维素的方法，其步骤包括：
(1)将含水量10～35％的秸秆在蒸汽压力1.0～1.5Mpa的条件进行下蒸汽爆破处理，之后再将经蒸汽汽爆处理后的蒸汽秸秆进行干燥处理；
(2)将纤维素酶用pH4.8的缓冲液混合配制纤维素酶酶液；
(3)将干燥的汽爆秸秆与纤维素酶酶液按固液的重量份配比1：6～1：10的配比混合，其纤维素酶用量为30～150IU/g汽爆麦秸，在-4℃～0℃下进行吸附-解吸；待吸附-解吸达到平衡后，进行固液分离，得上清和吸附有纤维素酶的汽爆秸秆；
所述缓冲液选自醋酸、醋酸钠、柠檬酸或柠檬酸钠缓冲液；
所述的纤维素酶选自里氏木霉、绿色木霉、黑曲霉或康氏木霉所产生的纤维素酶；
(4)将吸附有纤维素酶的汽爆秸秆在40℃～50℃下酶解48～72小时。
2、按权利要求1所述的使用纤维素酶吸附酶解秸秆纤维素的方法，其特征在于，所述步骤还包括在步骤3)之后重复下述步骤1—4次：向步骤(3)中分离所得的上清中添加新鲜汽爆秸秆，使混合液固液的重量份配比为1:6～1:10，在-4℃～0℃下进行吸附-解吸，待吸附-解吸达到平衡后，进行固液分离，得上清和吸附有纤维素酶的汽爆秸秆，将吸附有纤维素酶的汽爆秸秆在40℃～50℃下酶解48～72小时。
3、按权利要求1或2所述的使用纤维素酶吸附酶解秸秆纤维素的方法，其特征在于，所述吸附-解吸的时间为2～4小时。
4、按权利要求1或2所述的使用纤维素酶吸附酶解秸秆纤维素的方法，其特征在于，所述秸秆选自麦秸、玉米秸秆、稻草、高梁秸、芦苇、花生秧或花生壳。
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