采用含纖維素的原料制備單糖的方法

專利名稱：采用含纖維素的原料制備單糖的方法
技術領域：
本發明是關于糖的制備方法，更具體地是關于采用含纖維素的原料制備 單糖的方法。
背景技術：
現有技術的由含纖維素的原料，如秸稈制備乙醇用單糖的方法主要包括
秸稈的預處理，以及酶解纖維素和/或半纖維素制備單糖的步驟。現有的由含
纖維素的原料，如秸稈制備乙醇的方法除了包括上述步驟之外，還包括發酵 酶解產物單糖的步驟。
含纖維素的原料一般為植物的根、莖和葉，包括秸稈。所述秸稈即農作 物(一般為草本植物)收獲果實后留下的根、莖和葉，主要為莖和葉，如玉 米秸稈、高粱秸稈、麥秸等谷類植物的秸稈。秸稈的主要成分是木質纖維素。 所述木質纖維素是纖維素、半纖維素和木質素的混合物，秸稈中纖維素、半 纖維素和木質素通過共價鍵或非共價鍵緊密結合而成的木質纖維，約占秸稈
總重量的70-90%。秸稈中纖維素、半纖維素和木質素各自的含量會隨不同 來源的農作物或農作物的不同部分而有所區別。
含纖維素的原料的預處理方法一般為蒸汽爆破和/或酸水解進行預處 理，以破壞木質素對纖維素和半纖維素的包埋。酸水解雖然能夠破壞木質素， 但是也會破壞纖維素，繼而降低葡萄糖的產率，而且酸水解后還需要加大量 堿中和才能進行酶解和發酵。因此更傾向只通過蒸汽爆破完成預處理過程， 達到破壞木質素對纖維素和半纖維素的包埋作用。
纖維素被纖維素酶水解的反應通常稱為酶解反應，又可以稱為糖化反 應，酶解的主要產物是單糖。纖維素在纖維素酶的作用下能夠轉化成葡萄糖，半纖維素在半纖維素酶的作用下能夠轉化成木糖等單糖，葡萄糖和木糖都可 以用于發酵生產乙醇，比如釀酒酵母可以發酵葡萄糖制備乙醇，樹干畢赤酵 母可以發酵木糖制備乙醇。纖維素的非結晶結構是很容易被打破的，它可以 完全降解成葡萄糖，然后由葡萄糖發酵成乙醇。但是，纖維素的結晶結構難 以被破壞。另外，木質素是由苯基丙垸聚合而成的一種非多糖物質，由芳香 烴的衍生物以-C-C-鍵、-O-鍵縱橫交聯在一起，其側鏈又與半纖維素以共價 鍵結合，形成一個十分致密的網絡結構，將纖維素緊緊包裹在里面，不利于 纖維素酶對纖維素的進攻，使得纖維素酶和半纖維素酶無法接觸底物，因此， 需要先對秸稈進行預處理，如對秸稈進行蒸汽爆破或者酸處理后再與纖維素 酶和/或半纖維素酶接觸，對纖維素進行水解。
CN1117835C公開了一種乙醇溶解汽爆秸稈木質素制備液體燃料的方 法，該方法以汽爆秸稈為原料，在高壓反應釜中，用乙醇萃取汽爆秸稈中的 木質素；再用真空抽濾得到濾液，并將汽爆秸稈萃取渣進行同步糖化固態發 酵乙醇，乙醇萃取液及真空抽濾所得濾液即為該方法制備的液體燃料。
所述汽爆秸稈原料的制備方法包括將切碎的麥草、稻草或玉米稈等植物 原料裝入汽爆罐，在1.2-1.7兆帕壓力下，維持壓力5-10分鐘，之后，瞬間 減壓釋放。
所述的乙醇萃取汽爆秸稈中的木質素的方法為在高壓反應釜中，加入汽 爆秸稈和乙醇，汽爆秸稈和乙醇的體積比為1: 10-1: 50，在1.5-2.0兆帕的 壓力范圍內保持l-2小時。
所述的將汽爆秸稈萃取渣進行同步糖化固態發酵乙醇是指在33-35°C 范圍內(發酵)，維持14-16小時，在38-4(TC范圍內(酶解)，維持68小時， 并交替進行發酵2-3天。
CN1193099C公開了一種使用耐熱型酵母從木素纖維素生物質中生產乙 醇的方法，該方法包括以下步驟將木素纖維素生物質粉碎成顆粒大小為15-30毫米；對粉碎的木素纖維 素生物質進行蒸汽爆炸預處理，根據所用材料的類型保持1-3兆帕的壓力和
190-23(TC的溫度l-10分鐘的時間，之后引發迅速減壓；收集預處理過的物 料并且通過過濾分離液體和固體部分，將固體部分引入發酵貯器中；向發酵 貯器添加濃度為15FPU/克纖維素的纖維素酶和12.6國際單位/克纖維素的卩-葡萄糖苷酶；給發酵貯器接種馬克斯克魯維氏酵母CECT 10875耐熱型酵母 培養物的懸浮液；將混合物在42t:下搖動72小時。
文獻"對植物秸稈酒精生產工藝的介紹"，張學峰、蘭玉成，釀酒，第 29巻第4期，第37-38頁，2002年7月，公開了一種利用植物秸稈生產酒 精的方法，該方法包括將玉米秸稈除石除鐵清洗后，切割成1.5厘米的小段， 水浸40分鐘，通入2.5兆帕蒸汽，保溫8分鐘，泄壓，水洗十分之一的蒸汽 爆破產物，并在所述十分之一的蒸汽爆破產物中培養里斯木酶產生纖維素 酶，將所得培養物與另外十分之九的蒸汽爆破產物混合，保溫5(TC水解24 小時，經過濾得到6%糖液，無機膜濃縮成20%以上的糖液，加入休哈塔酵 母(0.8-1.2億/毫升)，發酵24小時，產酒份10%，蒸餾得99.5°/。的酒精。
采用上述方法均可實現由含纖維素的原料制備單糖的目的，但單糖的產 率較低， 一般為35%左右。

發明內容
本發明的目的是克服現有的采用含纖維素的原料制備單糖的方法單糖 產率較低、酶解效率較低的缺陷，提供一種單糖產率較高、酶解效率較高的 采用含纖維素的原料制備單糖的方法。
本發明的發明人發現，現有技術的含纖維素的原料的預處理方法通常采 用間歇式蒸汽爆破，該方法包括先將一批含纖維素原料輸送至蒸汽爆破裝 置，通入蒸汽至蒸汽爆破的壓力，并保溫一段時間，然后瞬間泄壓，完成蒸
7汽爆破并收集蒸汽爆破產物；然后將第二批含纖維的原料輸送至蒸汽爆破裝 置中，再次通入蒸汽至蒸汽爆破的壓力，并保溫一段時間，然后瞬間泄壓，
完成蒸汽爆破并收集蒸汽爆破產物；并根據處理量，按照上述方法對隨后的 含纖維的原料進行間歇式蒸汽爆破。本發明的發明人發現，在采用這樣的蒸 汽爆破方法時，即使保證每次蒸汽爆破的條件，如壓力和溫度均相同，但是， 卻無法保證每次蒸汽爆破后得到的蒸汽爆破產物的爆破程度均相同。推測的 原因可能是，由于每批置入蒸汽爆破裝置中的含纖維素的原料的量較多，且 每批原料的堆積方式的差異或者蒸汽爆破條件的不穩定等因素造成無法保 證使全部含纖維素原料在通入蒸汽后的短短幾分鐘內充分吸收水蒸汽，因 此，仍然會有大部分含纖維素的原料由于無法充分吸收水蒸汽，而不能完全 被其內部的水蒸氣爆開，導致含纖維素的原料中包埋纖維素和半纖維素的木 質素鞘無法被充分破壞，降低了含纖維素的原料中能與酶接觸的纖維素比 例，從而降低了單糖的產率。此外，間歇式蒸汽爆破的方法在原料的預處理 上耗費的時間較長，單位時間內原料的處理量較低，因而不利于生產效率的 提咼°
此外，現有技術的采用含纖維素的原料制備單糖的方法中，含纖維素的 原料，如秸稈原料通常是以液漿的形式存在，在將漿液狀的全部秸稈原料直 接與酶混合時，會使酶濃度降低，使酶活力下降。再者，將經過預處理的秸 稈與酶混合酶解的方法通常為將破碎的秸稈顆粒一次全部加入到酶與水的 混合液中與酶液混合，進行酶解糖化反應，或者，先將所用反應物料(經預 處理的秸稈顆粒)于反應罐中與水混合，然后在酶解溫度下，將酶直接加入 到反應罐中反應。盡管上述混合是在攪拌條件下進行的，但是秸稈顆粒仍然 不容易與酶混合均勻。因為，經過預處理后的秸稈粒度變小，顆粒以及碎屑
狀的秸稈顆粒很容易互相粘連和團聚，因此一次將全部秸稈完全與酶混合， 僅有部分秸稈能與酶充分接觸，由于秸稈之間的粘連和團聚會有部分秸稈不能充分與酶接觸，即使在攪拌下，也不能完全將秸稈打散。因此，酶解后纖 維素轉化為糖的轉化率低，單糖的產率較低。
本發明提供了一種采用含纖維素的原料制備單糖的方法，該方法包括蒸 汽爆破含纖維素的原料；將得到的蒸汽爆破產物與酶混合、酶解，其中，所 述蒸汽爆破含纖維素的原料的方法包括將含纖維素的原料連續輸送至保溫
壓力裝置中，使含纖維素的原料在該保溫壓力裝置中保持3-10分鐘后，每 隔5-12秒使所述保溫壓力裝置中的部分含纖維素的原料釋放到常壓；所述 將蒸汽爆破產物與酶混合的方法包括將蒸汽爆破產物分批與酶混合，所述分 批次數至少為2次，每批加入的蒸汽爆破產物的量至多為全部蒸汽爆破產物 重量的60。％。
本發明的方法一方面采用連續蒸汽爆破的方法對含纖維的原料進行預 處理，能夠使所述置入蒸汽爆破裝置中的全部含纖維素的原料連續的在穩定 的蒸汽爆破條件下，在保溫壓力裝置中充分吸收水氣，并使含纖維素的原料 內部的水氣化成水蒸汽，在泄壓時水蒸氣由含纖維素的原料內部沖出，充分 破壞含纖維素的原料中包埋纖維素和半纖維素的木質素鞘，增加了含纖維素 的原料中能與酶接觸的纖維素比例，從而有效地提高了單糖的產率。并且， 本發明的蒸汽爆破含纖維素的原料的方法為連續的使含纖維素的原料在保 溫壓力裝置中保溫并維持壓力，然后連續的完成原料的蒸汽爆破，因此，本 發明的方法在單位時間內處理的含纖維素的原料的處理量較多，有利于生產 效率的提高。另一方面，本發明的方法通過將蒸汽爆破產物分批與酶混合， 使每批加入的蒸汽爆破產物都能與酶混合均勻并充分接觸，并且在反應過程 中，酶的濃度一直保持在較高的水平，因此，蒸汽爆破產物能與酶充分反應； 此外，嚴格控制用于蒸汽爆破的含纖維素的原料的含水量為30-60重量Q/^， 又可以保證在蒸汽爆破條件下使含纖維素的原料內部的水氣化成水蒸汽，在泄壓時水蒸氣由含纖維素的原料內部沖出，充分破壞含纖維素的原料中包埋 纖維素和半纖維素的木質素鞘，以增加了含纖維素的原料中能與酶接觸的纖 維素比例，從而有效地提高了原料的糖轉化率，因此大大提高了單糖的產率。 例如，在其它的酶解條件和蒸汽爆破條件都相同的情況下，實施例1的
單糖產率達45.8%，而對比例1的單糖產率僅為34.7%，對比例2的單糖產 率僅為35.0%，提高幅度高達30.8-32.0。％。且實施例1的連續蒸汽爆破方法 每小時可以處理含纖維素的原料400-500公斤，每小時酶解的纖維素的量為 12.6克，而對比例1的蒸汽爆破方法每小時只能處理含纖維素的原料180-260 公斤，每小時酶解的纖維素的量為2.7克。


圖1為天然玉米秸稈的掃描電子顯微鏡照片；
圖2為按照對比例1的方法蒸汽爆破后秸稈的掃描電子顯微鏡照片； 圖3為按照對比例2的方法蒸汽爆破后秸稈的掃描電子顯微鏡照片； 圖4為按照本發明實施例1的方法蒸汽爆破后秸稈的掃描電子顯微鏡照片。
具體實施例方式
按照本發明，該方法包括蒸汽爆破含纖維素的原料；將得到的蒸汽爆破 產物與酶混合、酶解，其中，所述蒸汽爆破含纖維素的原料的方法包括將含 纖維素的原料連續輸送至保溫壓力裝置中，使含纖維素的原料在該保溫壓力 裝置中保持3-10分鐘后，優選為4-7分鐘后，每隔5-12秒，優選為7-10秒 使所述保溫壓力裝置中的部分含纖維素的原料釋放到常壓；所述將蒸汽爆破 產物與酶混合的方法包括將蒸汽爆破產物分批與酶混合，所述分批次數至少 為2次，每批加入的蒸汽爆破產物的量至多為全部蒸汽爆破產物重量的60按照本發明，所述含纖維素的原料是被連續輸送至保溫壓力裝置中的， 并在該裝置中被繼續傳送，并在該保溫壓力裝置中進行保溫和維持壓力。不 同的生產規模所采用的保溫壓力裝置的規格也不同，因此，不同規格的保溫 壓力裝置的傳送速度也不同，本發明對所述含纖維素的原料的輸送線速度沒 有特別限定，所述含纖維素的原料的輸送線速度只要保證所述含纖維素的原 料在該保溫壓力裝置中保持3-10分鐘即可，以使在該裝置的溫度、壓力下 形成的水氣能夠充分進入含纖維素的原料中，以在泄壓時使水蒸氣由含纖維 素的原料內部沖出，以充分破壞含纖維素的原料中包埋纖維素和半纖維素的 木質素鞘。
所述保溫壓力裝置可以為各種保溫壓力裝置，只要能夠使連續輸送的含 纖維素的原料在該裝置中達到蒸汽爆破的條件即可。所述連續蒸汽爆破的條 件可以采用現有技術常規的蒸汽爆破條件，如蒸汽爆破的溫度，即保溫壓力
裝置的溫度可以為180-200°C，更優選為185-195°C;所述蒸汽爆破的壓力， 即保溫壓力裝置的壓力可以為1.4-2.0兆帕，更優選為1.5-1.8兆帕。在上述
蒸汽爆破條件下都能充分破壞秸稈包埋纖維素和半纖維素的木質素鞘，實現 本發明的目的。
所述將保溫壓力裝置中的部分含纖維素的原料釋放到常壓的方法可以 采用各種常規的方法，例如，可以通過控制設置在保溫壓力裝置上的壓力閥 門實現，所述壓力閥門設置在保溫壓力裝置的出口處，當保溫壓力裝置中的 壓力達到所述蒸汽爆破的壓力時，閥門開啟，在閥門開啟的瞬間使保溫壓力 裝置中的部分含纖維素的原料噴出并釋放到常壓，所述開啟時間約為2-3秒 鐘，然后關閉壓力閥門，恢復保溫壓力裝置中的溫度和壓力，隨后，每隔5-12 秒，優選為7-10秒，壓力閥門會自動開啟以使在保溫壓力裝置中的部分含 纖維素的原料釋放到常壓，然后自動關閉，以實現含纖維的原料的連續蒸汽爆破。
所述每次釋放到常壓的含纖維的原料的量沒有特別限定，不同的生產規 模所采用的保溫壓力裝置的規格不同，每次蒸汽爆破的處理能力也不同，因 此，可以根據生產需要選用不同規格的裝置，從而決定每次處理的含纖維素 原料的量。按照本發明，優選情況下，每次釋放到常壓的含纖維素的原料為
保溫壓力裝置中含纖維素原料的6-15重量％,更優選為8-12重量％。通常 情況下，每次釋放到常壓的含纖維素的原料為120-180克，優選為120-150 克。 一般情況下，所述含纖維素的原料是以勻速輸送的，因此，含纖維素的 原料的輸送速度使在該保溫壓力裝置中的含纖維素的原料的量基本保持不 變。
優選情況下，為了提高生產效率又同時能夠保證蒸汽爆破產物與酶的充 分混合、得到較高的蒸汽爆破產物濃度以及較高水平的酶作用速度，與酶混 合的第一批蒸汽爆破產物的量為全部蒸汽爆破產物重量的20-60%,更優選 為20-40%;第一批以后加入的蒸汽爆破產物的量為全部蒸汽爆破產物重量 的40-80% ，更優選為60-80% 。
更優選情況下，所述分批次數為3次，與酶混合的第一批蒸汽爆破產物 的量為全部蒸汽爆破產物重量的20-60。％，更優選為20-40%;第二批加入的 蒸汽爆破產物的量為全部蒸汽爆破產物重量的20-50%，更優選為20-40。％; 第三批加入的蒸汽爆破產物的量為全部蒸汽爆破產物重量的20-40%，更優 選為20-30%。
為了保證酶具有最佳的反應活性，在將第一批蒸汽爆破產物與酶混合 前，調節蒸汽爆破產物的pH值為大于3小于7，優選為4-5.5，以使得蒸汽 爆破產物與酶混合后，酶具有最佳的反應活性。所述調節反應物料pH值的 方法可以采用本領域技術人員公知的各種方法，如根據所得蒸汽爆破產物的 pH值，在該蒸汽爆破產物中加入酸性物質或堿性物質。例如，所述酸性物質可以是硫酸、鹽酸和磷酸中的一種或幾種；所述堿性物質可以是氫氧化鈉 和/或氫氧化鉀。
優選情況下，所述相鄰的兩個分批混合步驟之間還包括時間間隔。為了 使酶能充分水解蒸汽爆破產物，提高糖的轉化率，所述時間間隔優選為
10-120分鐘，更優選為30-60分鐘。
為了使酶與反應原料混合的更均勻，所述蒸汽爆破產物的酶解優選在水 存在的條件下進行，更優選在含有水與蒸汽爆破產物的懸浮液中進行。也就 是說，本發明優選將第一批蒸汽爆破產物與酶混合時，加入水，將第一批蒸 汽爆破產物與水混合制備懸浮液后，再將酶解所需全部酶與懸浮液混合，然 后再按照本發明的方法繼續分批加入蒸汽爆破產物。對所加入的水的量沒有 特別限定，優選情況下，所述水的加入量與全部蒸汽爆破產物的重量比為 1-4:1。更優選的情況下，以第一批蒸汽爆破產物、水和酶混合后得到的混合 物為基準，以蒸汽爆破產物的干重計，第一批蒸汽爆破產物的含量至少為1 重量％，優選為1-20重量％，更優選為1.2-10重量％。在現有的由含纖維 素的原料制備乙醇的方法中，在酶解時，由于含纖維素的原料的濃度太稀， 導致生產周期長，生產效率低。而本發明的發明人發現，在酶解時控制第一 批蒸汽爆破產物、水與酶混合后得到的混合物中蒸汽爆破產物的濃度，以第 一批蒸汽爆破產物、水與酶混合后得到的混合物為基準，以蒸汽爆破產物的 干重計，使蒸汽爆破產物的含量至少為1重量％,優選為1-20重量％，更 優選為1.2-10重量％，既能夠保證酶解的周期短，同時保證具有高的生產效 率，即單糖的產率高。
此外，在采用現有技術蒸汽爆破含纖維素的原料時，通常認為所述含纖 維素的原料例如玉米秸稈，必須充分水浸，才能夠得到更好的蒸汽爆破的效 果，因為充分水浸可以使所述含纖維素的原料例如玉米秸稈內部含有大量的 水，在蒸汽爆破時，所述含纖維素的原料例如玉米秸稈內部的水可以氣化成水蒸汽，泄壓時由所述含纖維素的原料例如玉米秸稈內部沖出，以由內向外 充分破壞所述含纖維素的原料例如玉米秸稈包埋纖維素和半纖維素的木質 素鞘，本發明的發明人意外地發現，控制用于蒸汽爆破的含纖維素的原料的 含水量為30-60重量％，能夠進一步保證在蒸汽爆破條件下使含纖維素的原 料內部的水氣化成水蒸汽，有利于在泄壓時水蒸氣由含纖維素的原料內部沖 出，以充分破壞含纖維素的原料中包埋纖維素和半纖維素的木質素鞘，從而 進一步提高乙醇的產率。根據本發明，任意含水量的含纖維素的原料都是可
用的，優選情況下，本發明所用含纖維素的原料的含水量為30-60重量％， 更優選為35-50重量％。
根據本發明，可以通過各種方式獲得含水量為30-60重量％的含纖維素 的原料。對于含水量存在差異的不同批次含纖維素的原料，可以進行不同的 處理，比如對于含水量高的秸稈原料，可以在45-9(TC烘干部分水分，使其 含水量降低到30-60重量％;對于含水量低的秸稈原料，可以采用控制水浸 時間的方法，增加秸稈原料的含水量到30-60重量％;對于含水量正好在到 30-60重量％的秸稈原料，可以直接進行蒸汽爆破。優選所述用于蒸汽爆破 的含纖維素的原料的含水量為35-50重量％。除非特殊說明，本發明所述含 纖維素的原料的含水量均是指含纖維素原料的初始重量W1與在70-10(TC下 烘干至恒重的含纖維素原料的干計重量W2之差，與含纖維素原料的初始重 量W1的重量百分比，即含水量(重量％) = (Wl-W2) /W1X100%。
優選情況下，為了實現含纖維素的原料的連續處理，可以將含纖維素的 原料在連續輸送至保溫壓力裝置中之前的連續輸送過程中進行水淋，水淋的 水用量使含纖維素的原料的含水量保持在30-60重量％，優選為35-50重量 %，然后再連續輸送至保溫壓力裝置中進行蒸汽爆破。
由于本發明僅涉及對蒸汽爆破的方法以及由蒸汽爆破含纖維素的原料 得到的蒸汽爆破產物的加料方式的改進，因此對用含纖維素的原料制備單糖的方法的其它步驟沒有特別的限制。
所述酶解使用的酶包括纖維素酶。所述纖維素酶可以通過各種方式獲 得，例如商購得到，或者通過使用產酶微生物分泌得到。
由于使用產酶微生物分泌得到的酶會含有各種副產物，因此優選直接加 入酶。所述酶的用量越多越好，出于成本考慮，優選以每克蒸汽爆破產物的
干重計，所述纖維素酶的用量為8-20酶活力單位，更優選為10-15酶活力單 位。本發明所述纖維素酶的酶活力按照美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)提供的標準方法——纖維素酶活力測 定NRELLAP-006測定，所述纖維素酶的酶活力單位為在該標準方法規定的 測定條件下，1分鐘內將1克Whatman No. 1濾紙轉化為葡萄糖所需酶的微 克數。
所述酶解的溫度可以為纖維素酶的任何最適作用溫度， 一般為45-55°C， 更優選為48-52°C。所述酶解的時間理論上越長越好，考慮到設備利用率， 優選所述酶解的時間為25-48小時，更優選為30-40小時。所述酶解時間從 將酶與含纖維素的原料混合時開始計算，即，所述酶解時間指將含纖維素的 原料與酶混合開始至將含纖維素的原料轉化為糖后糖的含量不再增加所用 的時間。因此，按照本發明，所述相鄰的兩個分批混合步驟之間的時間間隔 也包括在所述酶解時間之內。
所述纖維素酶為復合酶，至少包括d型纖維素酶、Cx型纖維素酶和纖 維二糖酶三種酶。
C,酶可以使結晶的纖維素轉變為非結晶的纖維素。
Cx型纖維素酶又分為Cx,型纖維素酶和Cx2型纖維素酶兩種。Cx,型纖
維素酶為內切型纖維素酶，可以從水合非結晶纖維素分子內部作用于P-l，4-
糖苷鍵，生成纖維糊精和纖維二糖。Cx2型纖維素酶是一種外切型纖維素酶，
可以從水合非纖維素分子的非還原端作用于P-1,4-糖苷鍵，逐一切斷(3-l，4-糖苷鍵生成葡萄糖。
纖維二糖酶則作用于纖維二糖，生成葡萄糖。
優選情況下，所述酶解使用的酶還包括半纖維素酶。因為半纖維素酶可 以使半纖維素降解成為溶于水的木糖，所以酶解使用的酶包括半纖維素酶， 一方面可以更充分地暴露纖維素，增加纖維素與纖維素酶的接觸幾率，另一 方面半纖維素降解產物木糖也是重要的單糖產物。以每克蒸汽爆破產物的干 重計，所述半纖維素酶的用量為4.4-8.8酶活力單位。
本發明所述半纖維素酶的酶活力單位(U)為在5(TC、 pl^4.8條件下，
每分鐘分解濃度為1重量％木聚糖溶液產生1微克還原糖(以木糖計)所需 的酶量。
本發明所述半纖維素酶的活力指每克半纖維素酶所具有的活力單位。所 述半纖維素酶的活力利用半纖維素酶在50°C、 pH為4.8的條件下水解1重 量％木聚糖產生還原糖(以木糖計)，所得還原糖與過量3，5—二硝基水楊酸 (DNS)發生顏色反應，用分光光度計測得反應液550納米的光吸收值與還 原性糖(以木糖計)的生成量成正比關系測定。具體測定方法如下
準確稱取1.000克木聚糖，用0.5毫升pH=4.8的0.1摩爾/升乙酸-乙酸 鈉緩沖溶液溶解，然后用去離子水定容到IOO毫升，得到l重量Q/^木聚糖溶 液；
稱取30克四水合酒石酸鉀鈉放入500毫升錐形瓶內，加16克NaOH后， 加50毫升去離子水，以5。C/分鐘的速度水浴加熱至固體物質溶解，加入1 克3,5-二硝基水楊酸，至溶解，冷卻至室溫，用去離子水定容至IOO毫升， 可得3，5-二硝基水楊酸(DNS)溶液；
將木糖8(TC烘干至恒重，準確稱取1.000克溶于1000毫升水中，加10 毫克疊氮化鈉防腐，得到1毫克/毫升的標準木糖溶液；
準確稱取1.000克固體半纖維素酶或移取1毫升液體半纖維素酶原液，用0.5毫升pH=4.8的0.1摩爾乙酸-乙酸鈉緩沖溶液溶解，然后用去離子水
定容到100毫升，得到稀釋100倍的待測酶液；
分別將在5(TC水浴加熱60分鐘的2毫升木糖梯度標準溶液(0.1毫克/ 毫升、0.2毫克/毫升、0.3毫克/毫升、0.4毫克/毫升和0..5毫克/毫升，所述 木糖梯度標準溶液用去離子水與1毫克/毫升的標準木糖溶液混合制備)或去 離子水(木糖空白對照)，與2毫升DNS混合沸水浴5分鐘，冷卻，去離子 水定容15毫升后，用分光光度計在550納米下分別測定反應后木糖梯度標 準溶液的光吸收值，以光吸收值為橫坐標，木糖濃度為縱坐標繪制標準曲線。 由該標準曲線可得回歸方程y二bx+a，其中，x為光吸收值，y為木糖濃度， a為所得直線方程的截距，b為所得直線方程的斜率；
取0.2毫升待測酶液與1.8毫升所述1重量。/。木聚糖溶液或pH-4.8的O.l 摩爾/升乙酸一乙酸鈉緩沖溶液(木聚糖空白對照)，按照與上述木糖梯度標 準溶液相同的步驟測試光吸收值。并按照下式計算半纖維素酶的活力
半纖維素酶的活力=1——^-U/克(毫升)
式中x為待測酶液的光吸收值，b和a與木糖濃度對光吸收值的回歸方 程中的b和a—致，n為酶的稀釋倍數，60表示為酶促反應的時間為60分 鐘，5為取樣倍數(這里從1毫升待測酶液中取出了 0.2毫升進行測試)。
根據上述方法可以測定出具體的半纖維素酶的活力，進而計算出半纖維 素酶的用量。
另外，蒸汽爆破的壓力和溫度可以滅菌，為防止在酶解過程中雜菌(主 要是細菌)污染產生影響酶活力的毒素，并防止在發酵過程中雜菌污染影響 酵母的生長，優選在酶解之前加入諸如工業青霉素的細菌抗生素，所述抗生 素對酵母沒有作用但可以抑制雜菌的生長。以每毫升酶解液或發酵液為基 準，所述抗生素的加入量為1-10單位。所述酶解液包括蒸汽爆破產物、酶 以及水。由于在蒸汽爆破的高溫高壓條件下，含纖維素的原料中的半纖維素會產 生諸如糠醛、呋喃之類的抑制物，所述抑制物會降低酶的活力和發酵菌的活 性，因此所述方法還包括在蒸汽爆破含纖維素的原料之后，酶解得到的蒸汽 爆破產物之前，水洗所述蒸汽爆破產物。所述水洗是將蒸汽爆破產物與水混 合，攪拌，使上述抑制物溶解在水中，然后離心分離蒸汽爆破產物，從而從 蒸汽爆破產物中除去抑制物。理論上所述水洗的溫度越高，能夠溶解的抑制
物越多，考慮到能耗，優選所述水洗的溫度至少為6(TC，更優選為60-8(TC。 由于水洗所加入的水越多，則溶解抑制物的溶劑越多，但是考慮到離心分離 的能耗，優選以每克含纖維素的原料的干重計，所述水洗的加水量為2-10 克，更優選為2-3克。
由于含纖維素的原料中可能會含有沙石雜質以及鐵雜質，對蒸汽爆破設 備會造成損害，因此本發明的制備單糖的方法，可以包括在蒸汽爆破之前對 含纖維素的原料進行除石除鐵常規操作，比如以"風送"含纖維素的原料并 磁鐵吸引的方法進行除石除鐵。沙石由于質量大，不能被風送到蒸汽爆破設 備中，鐵雜質由于磁鐵的吸引也不會隨原料進入蒸汽爆破設備中，從而可以 完成除石除鐵。此外，由于含纖維素的原料本身容易纏結而堵塞設備管路， 因此，在進入蒸汽爆破設備前，優選使所述含纖維素的原料的大小為0.5-3 厘米x0.2-l厘米x0.2-l厘米，更優選使所述含纖維素的原料的大小為1-2厘 米x0.4-0.6厘米x0.5-l厘米。
酶解產物中的單糖可以通過制糖工業常用的方法分離精制。例如通過過 濾、離心的方法將除去酶解產物中的固體物質(例如未降解完的含纖維素的 原料)。收集濾液或上清液，蒸發除去部分水分得到單糖含量為60-65重量％ 的過飽和糖漿。在真空結晶罐中通過蒸發水分使單糖結晶析出，晶體與糖漿 形成糖膏；當晶體體積符合要求時，將糖膏從真空結晶罐轉移至助晶機，逐 漸降溫，使未結晶的單糖進一步析出。用離心機進行固液分離，即得成品結晶單糖與糖蜜。將糖蜜重復上述過程結晶2-4次，可以充分提取單糖。結晶 過程可以采用自然起晶法、刺激起晶法和晶核起晶法起晶，優選向糖漿中加 入結晶用種糊作為晶種的晶核起晶法起晶。
下面結合實施例對本發明進行更詳細的說明。
實施例1
本實施例用于說明本發明的采用含纖維素的原料制備單糖的方法。
(1)連續蒸汽爆破 測試如圖1所示的玉米秸稈原料，按照上述的方法測得玉米秸稈的含水
量為20重量％，將原料切成1.5厘米X0.2厘米X0.5厘米的小段，將該含水 量為20重量％的玉米秸稈段連續從喂料器中送入，并在輸送至保溫壓力裝 置中之前進行水淋，水淋使該玉米秸稈段的含水量為40重量％。然后連續 將2000克該含水量為40重量％的玉米秸稈輸送至保溫壓力裝置中，所述保 溫壓力裝置的壓力為1.6兆帕，溫度為195°C，所述玉米秸稈在該保溫壓力 裝置中連續傳送，傳送的線速度使得該玉米秸稈能夠在195。C、 1.6兆帕下維 持5分鐘，之后，每隔10秒鐘，使該保溫壓力裝置的閥門開啟一次，2秒鐘 后，閥門關閉，使部分玉米秸稈噴出、釋放到常壓，完成蒸汽爆破，并重復 上述過程進行連續蒸汽爆破。每次釋放到常壓的含纖維素的原料為保溫壓力 裝置中含纖維素原料的11重量％，約165克。最后收集蒸汽爆破產物，并將 所得蒸汽爆破產物與7(TC的水按照重量比1:3攪拌混合30分鐘，然后用 LW400型臥螺離心機(張家港華大離心機制造有限公司)在900轉/分鐘轉 速下進行固液分離，共得到2700克固體蒸汽爆破產物(含水量為55.6重量 %)。
所得固體蒸汽爆破產物中纖維素總重量和半纖維素總重量的測定
取5克所述水洗后的蒸汽爆破產物在45。C下烘干至恒重2.22克，稱量300.0毫克該干燥后的蒸汽爆破產物，放置于重80克的IOO毫升干燥三角燒 瓶內。向所述三角燒瓶加入3.00毫升濃度為72重量％的硫酸溶液，攪拌l 分鐘。然后將三角燒瓶在30。C水浴中加熱60分鐘，每隔5分鐘攪拌一次以 確保均勻水解。水浴結束后，用去離子水使硫酸的濃度稀釋到4重量％。用 布氏漏斗過濾所述稀釋后的蒸汽爆破產物酸水解液，共得到濾液84毫升。 將20毫升濾液轉移至干燥的50亳升的三角瓶中。使用2.5克碳酸鈣調節該 濾液的pH值至5.5，靜置5小時，收集上層清液。0.2微米濾膜過濾收集的 上層清液，所得上層清液的濾液用Biorad Aminex HPX-87P高效液相色譜 (HPLC)分析。HPLC條件進樣量20微升；流動相為0.2微米濾膜過濾， 并且超聲振蕩脫氣的HPLC超純水；流速為0.6毫升/分鐘；柱溫80-85"C; 檢測器溫度80-85°C;檢測器為折光率檢測器；運行時間為35分鐘。以0.1-4.0 毫克Z毫升濃度范圍的D- ( + )葡萄糖和0.1-4.0毫克Z毫升濃度范圍D- ( + ) 木糖作為標準樣品。HPLC分析得到蒸汽爆破產物酸水解液中葡萄糖濃度為 2.59毫克/毫升，計算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破產物酸水解能得到重量 為0.218克的葡萄糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將蒸汽爆破的產 物的纖維素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是蒸汽爆破產物中纖 維素的重量的1.11倍，即1克所述水洗后的蒸汽爆破產物中含纖維素0.196 克，則2700克蒸汽爆破產物中共含纖維素528克。HPLC分析得到蒸汽爆 破產物酸水解液中木糖濃度為0.73毫克/毫升，計算可得1克所述水洗后的 蒸汽爆破產物酸水解能得到重量為0.061克的木糖，因為濃度為72重量％的 硫酸溶液可以將蒸汽爆破的產物中半纖維素全部水解成木糖，因此所得木糖 的重量是蒸汽爆破產物中半纖維素的重量的1.14倍，即1克蒸汽爆破產物中 含半纖維素0.054克，則2700克蒸汽爆破產物中共含半纖維素145克。 (2)酶解
向酶解罐中加入水，并在攪拌下，加入第一批步驟(1)取樣測試后剩余的水洗蒸汽爆破產物，第一批加入的水洗蒸汽爆破產物的量為步驟(1)
取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產物重量的35%，然后調節pH值為4， 加熱至52。C后，以每克蒸汽爆破產物的干重計，加入20酶活力單位的纖維 素酶計算，全部蒸汽爆破產物的干重為1200克，共加入24000酶活力單位 (酶的重量約為160克)的纖維素酶(和氏璧生物技術有限公司)，并在52 r下保溫混合30分鐘；然后加入第二批水洗蒸汽爆破產物，第二批加入的 水洗蒸汽爆破產物的量為步驟(1)取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產 物重量的35%，并在52。C下保溫混合50分鐘；然后再加入第三批水洗蒸汽 爆破產物，第三批加入的水洗蒸汽爆破產物的量為步驟(1)取樣測試后剩 余的全部水洗蒸汽爆破產物重量的30%，并在52'C下保溫酶解38小時后得 到酶解產物。所述水的加入量與全部水洗蒸汽爆破產物的重量比為2:1。將 酶解產物用布氏漏斗過濾，將20毫升濾液轉移至干燥的50毫升的三角瓶中， 靜置5小時，收集上層清液。0.2微米濾膜過濾收集的上層清液，按照上述 步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產物中的葡萄糖共549.7 克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破產物中被酶解的纖維 素的重量共495.3克，按照下式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見 表1。每小時酶解的纖維素的量為12.6克(酶解時間為39.3小時)。(以蒸汽 爆破產物的干重計，以得到的混合物的重量為基準，第一批蒸汽爆破產物的 含量為6.5重量％。)
纖維素轉化率-iooc/。x被酶解的纖維素的重量/纖維素的總重量
單糖產率=100%乂酶解得到的葡萄糖重量/秸稈干重 實施例2
本實施例用于說明本發明的采用含纖維素的原料制備單糖的方法。 按照實施例1的方法制備單糖，不同的是，在將含水量為20重量％的 玉米秸稈段連續從喂料器中送入，并在輸送至保溫壓力裝置中之前進行水淋，水淋使該玉米秸稈段的含水量為75重量％。然后按照實施例1的條件
和方法連續將2000克該含水量為75重量％的玉米秸稈輸送至保溫壓力裝置 中進行連續蒸汽爆破，收集蒸汽爆破產物并水洗后共得到3000克固體蒸汽 爆破產物(含水量為83.3重量％)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物的方法，測得 3000克蒸汽爆破產物中共含纖維素210克，半纖維素60克。
按照實施例1的方法對上述蒸汽爆破產物進行酶解和發酵，酶的用量約 為65克，在加入第三批蒸汽爆破產物后在52'C下保溫酶解25小時后得到酶 解產物。并按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解 產物中的葡萄糖共218.2克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽 爆破產物中被酶解的纖維素的重量共196.6克。每小時酶解的纖維素的量為 7.5克(酶解時間為26.3小時)。(以蒸汽爆破產物的干重計，以得到的混合 物的重量為基準，第一批蒸汽爆破產物的含量為2.5重量％)。并按照實施例 1的方法和公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表l。
實施例3
本實施例說明本發明用含纖維素的原料制備單糖的方法。
按照實施例1的方法制備單糖，不同的是，在將2000克含水量為20重 量％的玉米秸稈段連續從喂料器中送入后不進行水淋直接輸送至保溫壓力 裝置中進行連續蒸汽爆破，蒸汽爆破的條件同實施例1，收集蒸汽爆破產物 并水洗后共得到3556克固體蒸汽爆破產物(含水量為55重量°/。)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物的方法，測得 3556克蒸汽爆破產物中共含纖維素680克，半纖維素193.8克。
按照實施例1的方法對上述蒸汽爆破產物進行酶解和發酵，酶的用量約 為210克，在加入第三批蒸汽爆破產物后在52。C下保溫酶解40小時后得到 酶解產物。并按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產物中的葡萄糖共703.5克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以Ul，即蒸
汽爆破產物中被酶解的纖維素的重量共633.8克。每小時酶解的纖維素的量 為15.3克(酶解時間為41.3小時)。(以蒸汽爆破產物的干重計，以得到的 混合物的重量為基準，第一批蒸汽爆破產物的含量為6.5重量％)。并按照實 施例1的方法和公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表1。
對比例1
本對比例說明采用含纖維素的原料制備單糖的參比方法。 按照實施例1的方法制備乙醇，不同的是，按照文獻"對植物秸稈酒精 生產工藝的介紹"(張學峰、蘭玉成，釀酒，第29巻第4期，第37-38頁， 2002年7月)所公開的方法，將秸稈原料在蒸汽爆破前先用水浸泡40分鐘， 測得浸泡后的玉米秸稈原料的含水量達到83重量。％，然后取2000克該含水 量為83重量％的玉米秸稈分兩批(每批1000克)進行間歇式蒸汽爆破，所 述間歇式蒸汽爆破的方法為先將1000克所述玉米秸稈在195'C下以1.6兆帕 的壓力維持5分鐘，然后泄壓；然后再將剩余的1000克所述玉米秸稈在同 樣的條件下進行蒸汽爆破，收集蒸汽爆破產物并水洗后共得到2300克蒸汽 爆破產物(含水量為85.2重量°/。)。按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解 的蒸汽爆破產物的方法，測得2300克蒸汽爆破產物中共含纖維素142.8克， 半纖維素45克。
然后按照實施例1的方法進行酶解，不同的是，在酶解步驟中將步驟(l) 取樣測試后剩余的水洗蒸汽爆破產物一次全部加入到含水的酶解罐中，然后 與酶混合均勻(全部水洗蒸汽爆破產物與水的重量比為2:1)，酶解時間需要 40小時。將酶解產物用布氏漏斗過濾，將20毫升濾液轉移至干燥的50毫升 三角瓶中，靜置5小時，收集上層清液。0.2微米濾膜過濾收集的上層清液， 按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產物中的葡 萄糖共117.9克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破產物中被酶解的纖維素的重量共106.2克。每小時酶解的纖維素的量為2.7克。并 按照實施例1的方法和公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表1。
對比例2
本對比例說明采用含纖維素的原料制備單糖的參比方法。 按照實施例1的方法制備單糖，不同的是，將1500克含水量為20重量 %玉米秸稈直接在19(TC下以1.8兆帕的壓力下維持4分鐘，然后泄壓，完 成蒸汽爆破，收集蒸汽爆破產物并水洗后共得到3000克蒸汽爆破產物(含 水量為60重量％)。按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物 的方法，測得3000克蒸汽爆破產物中共含纖維素494克，半纖維素146.6 克。并按照上述對比例1的方法對蒸汽爆破產物進行酶解，酶解時間需要46 小時，然后按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解 產物中的葡萄糖共420.0克，所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽 爆破產物中被酶解的纖維素的重量共378.4克。并按照實施例1的方法和公 式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表l。
電鏡觀察結果
用JSM-35CF掃描電鏡放大1000倍觀察對比例1、對比例2和實施例1 的蒸汽爆破產物，結果分別如圖2、圖3和圖4所示。從圖2可以看出，由 于秸稈原料內部沒有水分可以氣化成水蒸汽，因此蒸汽爆破不能由內向外充 分破壞秸稈原料；從圖3可以看出，對比例2玉米秸稈蒸汽爆破的效果并不 好，纖維素仍然呈束狀，并且纖維素表面殘留有木質素鞘；而如圖4所示的 實施例1的蒸汽爆破效果很好，可以看到游離的纖維素。
實施例4
本實施例用于說明本發明的采用含纖維素的原料制備單糖的方法。按照實施例1的方法對玉米秸稈進行連續蒸汽爆破，不同的是，水淋使
進入保溫壓力裝置之前的玉米秸稈的含水量為65重量％，并連續將該2000 克含水量為65重量％的玉米秸稈輸送至保溫壓力裝置中進行連續蒸汽爆破。 每次釋放到常壓的含纖維素的原料為保溫壓力裝置中含纖維素原料的8.5重 量％，約127.5克。條件與實施例l相同，收集蒸汽爆破產物，并與6(TC的 水按照重量比1:3攪拌混合30分鐘，然后用LW400型臥螺離心機(張家港 華大離心機制造有限公司)在卯0轉/分鐘轉速下進行固液分離，共得到2500 克固體蒸汽爆破產物(含水量為72重量°/。)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物的方法，測得 2500克蒸汽爆破產物中共含纖維素297.7克，半纖維素80.6克。
按照實施例1的方法對上述蒸汽爆破產物進行酶解，酶的用量約為95 克，在加入第三批蒸汽爆破產物后在52r下保溫酶解27小時后得到酶解產 物。并按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產物 中的葡萄糖共308.7克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破 產物中被酶解的纖維素的重量共278.1克。每小時酶解的纖維素的量為9.8 克(酶解時間為28.3小時)。(以蒸汽爆破產物的干重計，以得到的混合物的 重量為基準，第一批蒸汽爆破產物的含量為4.1重量％)。并按照實施例1 的方法和公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表1。
實施例5
本實施例用于說明本發明的采用含纖維素的原料制備單糖的方法。 按照實施例1的方法對玉米秸稈進行連續蒸汽爆破，不同的是，先將含 水量為20重量％的玉米秸稈切成2.5厘米X0.5厘米X0.5厘米的小段后，用 立式浸漬器(山東汶瑞機械有限公司)與重量為所述玉米秸稈原料重量的三 分之一的水混合后，可得含水量50重量％的玉米秸稈。然后連續將該2000 克含水量為50重量％的玉米秸稈輸送至保溫壓力裝置中，所述保溫壓力裝置的壓力為1.5兆帕，溫度為185°C，所述玉米秸稈在該保溫壓力裝置中連 續傳送，傳送的線速度使得該玉米秸稈能夠在185°C、1.5兆帕下維持7分鐘， 之后，每隔8秒鐘，使該保溫壓力裝置的閥門開啟一次，2秒鐘后，閥門關 閉，使部分玉米秸稈釋放到常壓噴出，完成蒸汽爆破，并重復上述過程進行 連續蒸汽爆破。每次釋放到常壓的含纖維素的原料為保溫壓力裝置中含纖維 素原料的9.2重量％，約138克。最后收集蒸汽爆破產物，在將所述連續蒸 汽爆破后收集到未經過水洗的共2250克蒸汽爆破產物(含水量為55.5重量 %)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物的方法，測得 2250克蒸汽爆破產物中共含纖維素426克，半纖維素118.5克。
按照實施例1的方法對上述蒸汽爆破產物進行酶解，酶的用量約為130 克，在加入第三批蒸汽爆破產物后在52'C下保溫酶解33小時后得到酶解產 物。并按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產物 中的葡萄糖共434克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破產 物中被酶解的纖維素的重量共391克。每小時酶解的纖維素的量為11.4克(酶 解時間為34.3小時)。(以蒸汽爆破產物的干重計，以得到的混合物的重量為 基準，第一批蒸汽爆破產物的含量為6.5重量％)。并按照實施例1的方法和 公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表l。
實施例6
本實施例用于說明本發明的采用含纖維素的原料制備單糖的方法。 取2000克含水量為35重量°/。的玉米秸稈，切成1.2厘米X0.4厘米X0.7 厘米的小段，然后連續將該2000克含水量為35重量％的玉米秸稈輸送至保 溫壓力裝置中，所述保溫壓力裝置的壓力為1.7兆帕，溫度為20(TC，所述 玉米秸稈在該保溫壓力裝置中連續傳送，傳送的線速度使得該玉米秸稈能夠 在20(TC、 1.7兆帕下維持4分鐘，之后，每隔8秒鐘，使該保溫壓力裝置的閥門開啟一次，2秒鐘后，閥門關閉，使部分玉米秸稈釋放到常壓噴出，完 成蒸汽爆破，并重復上述過程進行連續蒸汽爆破。每次釋放到常壓的含纖維 素的原料為保溫壓力裝置中含纖維素原料的10重量％，約150克。最后收
集蒸汽爆破產物，將所得蒸汽爆破產物與75"C的水按照重量比1:2.5攪拌混 合50分鐘，然后用離心泵LW400型臥螺離心機(張家港華大離心機制造有 限公司)在900轉/分鐘轉速下進行固液分離，共得到5200克蒸汽爆破產物
(含水量為75重量°/0)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物的方法，測得 5200克蒸汽爆破產物中共含纖維素559克，半纖維素150克。
按照實施例1的方法對上述蒸汽爆破產物進行酶解，酶的用量約為170 克，在加入第三批蒸汽爆破產物后在52。C下保溫酶解40小時后得到酶解產 物。并按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產物 中的葡萄糖共572克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破產 物中被酶解的纖維素的重量共515.3克。每小時酶解的纖維素的量為12.5克
(酶解時間41.3小時)。(以蒸汽爆破產物的干重計，以得到的混合物的重量 為基準，第一批蒸汽爆破產物的含量為3.7重量％)。并按照實施例1的方法 和公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表l。
實施例7
本實施例用于說明本發明的采用含纖維素的原料制備單糖的方法。 (1)連續蒸汽爆破
取2000克含水量為55重量％的玉米秸稈，切成2.0厘米X 0.6厘米X 0.8 厘米的小段，然后連續將該2000克含水量為55重量％的玉米秸稈輸送至保 溫壓力裝置中，所述保溫壓力裝置的壓力為1.55兆帕，溫度為19(TC，所述 玉米秸稈在該保溫壓力裝置中連續傳送，傳送的線速度使得該玉米秸稈能夠 在19(TC、 1.55兆帕下維持6分鐘，之后，每隔7秒鐘，使該保溫壓力裝置的閥門開啟一次，2秒鐘后，閥門關閉，使部分玉米秸稈釋放到常壓噴出， 完成蒸汽爆破，并重復上述過程進行連續蒸汽爆破。每次釋放到常壓的含纖
維素的原料為保溫壓力裝置中含纖維素原料的8重量％，約120克。最后收 集蒸汽爆破產物，將所得蒸汽爆破產物與65。C的水按照重量比l:2攪拌混合 40分鐘，然后用離心泵LW400型臥螺離心機(張家港華大離心機制造有限 公司)在900轉/分鐘轉速下進行固液分離，共得到2500克蒸汽爆破產物(含 水量為64重量％)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物的方法，測得 2500克蒸汽爆破產物中共含纖維素388克，半纖維素99.5克。
按照實施例1的方法對上述蒸汽爆破產物進行酶解，酶的用量約為120 克，在加入第三批蒸汽爆破產物后在52。C下保溫酶解39小時后得到酶解產 物。并按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產物 中的葡萄糖共403.2克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破 產物中被酶解的纖維素的重量共363.2克。每小時酶解的纖維素的量為9.0 克(酶解時間40.3小時)。(以蒸汽爆破產物的干重計，以得到的混合物的重 量為基準，第一批蒸汽爆破產物的含量為5.3重量％)。并按照實施例1的方 法和公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表1。。
實施例8
本實施例用于說明本發明的采用含纖維素的原料制備單糖的方法。 按照實施例1的方法對所述含水量為40重量％的1950克玉米秸稈進行
連續蒸汽爆破，最后收集得到未經過水洗的蒸汽爆破產物3050克(含水量
為61.6重量％)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物的方法，測得 3050克蒸汽爆破產物中共含纖維素503克，半纖維素135克。
按照實施例1的方法酶解上述未經過水洗的蒸汽爆破產物，不同的是，
28在向酶解罐中加入水后，并在攪拌下，將蒸汽爆破產物分三批與酶混合，第 一批加入的蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部蒸汽爆破產物重量 的60%，在5(TC下保溫混合100分鐘；然后加入第二批蒸汽爆破產物，第 二批加入的蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部蒸汽爆破產物重量
的20%，在5(TC下保溫混合30分鐘；然后再加入第三批蒸汽爆破產物，第
三批加入的蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部蒸汽爆破產物重量
的20%,在5(TC下保溫酶解37小時后得到酶解產物，酶的用量約為156克。 按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產物中的葡 萄糖共517.1克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破產物中 被酶解的纖維素的重量共465.9克，每小時酶解的纖維素的量為11.9克(酶 解時間為39.2小時)。(以蒸汽爆破產物的干重計，以得到的混合物的重量為 基準，第一批蒸汽爆破產物的含量為8.7重量％。)并按照實施例1的方法和 公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表l。
實施例9
本實施例用于說明本發明的釆用含纖維素的原料制備單糖的方法。
按照實施例1的方法對所述含水量為40重量％的1950克玉米秸稈進行 連續蒸汽爆破，含纖維素的原料進行連續蒸汽爆破，將所得蒸汽爆破產物與 75'C的水按照重量比1:2.5攪拌混合50分鐘，然后用離心泵LW400型臥螺 離心機(張家港華大離心機制造有限公司)在900轉/分鐘轉速下進行固液分 離，共得到2950克水洗固體蒸汽爆破產物(含水量為60.3重量％)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物的方法，測得 2950克水洗蒸汽爆破產物中共含纖維素503克，半纖維素136克。
按照實施例1的方法酶解上述蒸汽爆破產物，不同的是，在向酶解罐中 加入水后，并在攪拌下，將水洗蒸汽爆破產物分三批與酶混合，第一批加入 的水洗蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產物重量的20%，在52"C下保溫混合20分鐘；然后加入第二批水洗蒸汽爆破產物， 第二批加入的水洗蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆
破產物重量的40%，在52匸下保溫混合40分鐘；然后再加入第三批水洗蒸
汽爆破產物，第三批加入的水洗蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部
水洗蒸汽爆破產物重量的40%，在521:下保溫酶解40小時后得到酶解產物， 酶的用量約為156克。按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并 計算出酶解產物中的葡萄糖共522.0克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以 1.11，即蒸汽爆破產物中被酶解的纖維素的重量共470.3克，每小時酶解的 纖維素的量為11.5克(酶解時間為41小時)。(以蒸汽爆破產物的干重計， 以得到的混合物的重量為基準，第一批蒸汽爆破產物的含量為3.5重量％。) 并按照實施例1的方法和公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表 1。
實施例10
本實施例用于說明本發明的采用含纖維素的原料制備單糖的方法。
按照實施例1的方法對所述含水量為40重量％的1950克玉米秸稈進行 連續蒸汽爆破，含纖維素的原料進行連續蒸汽爆破，含纖維素的原料進行連 續蒸汽爆破，將所得蒸汽爆破產物與65。C的水按照質量比1:2攪拌混合40 分鐘，然后用離心泵LW400型臥螺離心機(張家港華大離心機制造有限公 司)在900轉/分鐘轉速下進行固液分離，共得到2950克固體蒸汽爆破產物 (含水量為60.3重量％)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物的方法，測得 2950克蒸汽爆破產物中共含纖維素503克，半纖維素136克。
按照實施例1的方法酶解上述蒸汽爆破產物，不同的是，在向酶解罐中 加入水后，并在攪拌下，將水洗蒸汽爆破產物分三批與酶混合，第一批加入 的水洗蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產物重量
3的10%，在52。C下保溫混合10分鐘；然后加入第二批水洗蒸汽爆破產物，第二批加入的水洗蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆
破產物重量的40%，在52。C下保溫混合40分鐘；然后再加入第三批水洗蒸
汽爆破產物，第三批加入的水洗蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部
水洗蒸汽爆破產物重量的50%，在52。C下保溫酶解40小時后得到酶解產物，酶的用量約為156克。所述水的加入量與全部水洗蒸汽爆破產物的重量比為4:1。按照實施例l步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產物中的葡萄糖共518.0克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破產物中被酶解的纖維素的重量共466.7克，每小時酶解的纖維素的量為11.4克(酶解時間為40.8小時)。(以纖維素原料的干重計，第一批含纖維素的原料的含量為0.95重量Q/^)。并按照實施例1的方法和公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表l。
實施例11
本實施例用于說明本發明的采用含纖維素的原料制備單糖的方法。
按照實施例1的方法對1950克含水量為40重量％的玉米秸稈進行連續蒸汽爆破，將所得蒸汽爆破產物與65C的水按照質量比1:2攪拌混合40分鐘，然后用離心泵LW400型臥螺離心機(張家港華大離心機制造有限公司)在900轉/分鐘轉速下進行固液分離，共得到2950克固體蒸汽爆破產物(含水量為60.3重量％)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物的方法，測得2950克蒸汽爆破產物中共含纖維素503克，半纖維素136克。
按照實施例1的方法酶解上述經過水洗的蒸汽爆破產物，不同的是，在向酶解罐中加入水后，并在攪拌下，加入第一批步驟(1)取樣測試后剩余的水洗蒸汽爆破產物，第一批加入的水洗蒸汽爆破產物的量為步驟(1)取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產物重量的60。％，然后調節反應物料的pH值為5，并加熱至5(TC后，以每克蒸汽爆破產物的干重計，加入15酶活力單位的纖維素酶，5酶活力單位的半纖維素酶計算，全部蒸汽爆破產物的干重為1170克，共加入17550酶活力單位(約110克)的纖維素酶(和氏璧生物技術有限公司)和5850酶活力單位(約79克)的半纖維素酶(北京化學試劑公司)，所述水的加入量與全部水洗蒸汽爆破產物的重量比為2.5:1 ，并保溫混合80分鐘；然后加入第二批水洗蒸汽爆破產物，第二批加入的水洗蒸汽爆破產物的量為步驟(1)取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產物重量的40%，保溫酶解38小時后得到酶解產物。并按照實施例l步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產物中的葡萄糖共521.5克，所述酶解得到的葡萄糖的重量除以1.11，即蒸汽爆破產物中被酶解的纖維素的重量共469.8克，測定并計算出酶解產物中的木糖共111.9克，所述酶解得到的木糖的重量除以1.14，即蒸汽爆破產物中被酶解的半纖維素的重量共98.2克，每小時酶解的纖維素和半纖維素的總重量為14.5克(酶解時間為39.3小時)；并按照下述公式計算纖維素、半纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表l。(以蒸汽爆破產物的干重計，以得到的混合的重量為基準，所述第一批蒸汽爆破產物的含量為7.5重量％ 。)
纖維素轉化率-100。/。X被酶解的纖維素的重量/纖維素的總重量半纖維素轉化率二100。/。x被酶解的半纖維素的重量/半纖維素的總重量單糖產率=100%乂 (酶解得到的葡萄糖重量+酶解得到的木糖重量)/秸稈干重
實施例12
本實施例用于說明本發明的采用含纖維素的原料制備單糖的方法。按照實施例1的方法將2000克該含水量為40重量％的玉米秸稈輸送至
保溫壓力裝置中，對所述含纖維素的原料進行連續蒸汽爆破，共得到3000
克固體蒸汽爆破產物(含水量為60重量％)。按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產物的方法，測得
3000克蒸汽爆破產物中共含纖維素528克，半纖維素145克。
按照實施例11的方法對蒸汽爆破產物進行酶解，不同的是，在向酶解罐中加入水后，并在攪拌下，將蒸汽爆破產物分三批與酶混合，第一批加入的蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部蒸汽爆破產物重量的40% ，在5(TC下保溫混合50分鐘；然后加入第二批蒸汽爆破產物，第二批加入的蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部蒸汽爆破產物重量的30%，在50。C下保溫混合30分鐘；然后再加入第三批蒸汽爆破產物，第三批加入的蒸汽爆破產物的量為取樣測試后剩余的全部蒸汽爆破產物重量的30%，在50。C下保溫酶解40小時后得到酶解產物。且，以每克蒸汽爆破產物的干重計，加入20酶活力單位的纖維素酶、8酶活力單位的半纖維素酶計算，全部蒸汽爆破產物的干重為約1200克，共加入24000酶活力單位(約160克)的纖維素酶(和氏璧生物技術有限公司)和9600酶活力單位(約110克)的半纖維素酶(北京化學試劑公司)。并按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產物中的葡萄糖共550.9克，所述酶解得到的葡萄糖的重量除以l.ll，即蒸汽爆破產物中被酶解的纖維素的重量共496.3克，測定并計算出酶解產物中的木糖共119.8克，所述酶解得到的木糖的重量除以1.14，即蒸汽爆破產物中被酶解的半纖維素的重量共105.1克，每小時酶解的纖維素和半纖維素的總重量為14.6克(酶解時間為41.3小時)。(以蒸汽爆破產物的干重計，以得到的混合物的重量為基準，所述第一批蒸汽爆破產物的含量為5.4重量。^。)并按照實施例1的方法和公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表l。表l
實施例或 對比例纖維素轉化率 (%)半纖維素轉化率 (%)單糖產率(％)
實施例193.8-45.8
對比例174.4-34.7
對比例276.6-35.0
實施例293.6-43.6
實施例393.2-43.9
實施例493,4—44.1
實施例591.8-43.4
實施例692.2-44.0
實施例793.6-44.8
實施例892.6-44.2
實施例993.5-44.6
實施例1092.8-44.3
實施例1193.472.254.1
實施例1294.072.556.0
從上表1中的數據可以看出，采用本發明的含纖維素的原料制備單糖的
方法得到的單糖的產率與對比例1和對比例2的方法比較均有明顯的提高，且每小時酶解的纖維素的量也明顯高于對比例。
權利要求
1、一種采用含纖維素的原料制備單糖的方法，該方法包括蒸汽爆破含纖維素的原料；將得到的蒸汽爆破產物與酶混合、酶解，其特征在于，所述蒸汽爆破含纖維素的原料的方法包括將含纖維素的原料連續輸送至保溫壓力裝置中，使含纖維素的原料在該保溫壓力裝置中保持3-10分鐘后，每隔5-12秒使所述保溫壓力裝置中的部分含纖維素的原料釋放到常壓；所述將蒸汽爆破產物與酶混合的方法包括將蒸汽爆破產物分批與酶混合，所述分批次數至少為2次，每批加入的蒸汽爆破產物的量至多為全部蒸汽爆破產物重量的60％。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中，含纖維素的原料在該保溫壓力 裝置中保持4-7分鐘，每隔7-10秒使所述保溫壓力裝置中的部分含纖維素的 原料釋放到常壓。
3、 根據權利要求1所述的方法，其中，每次釋放到常壓的含纖維素的 原料為保溫壓力裝置中含纖維素的原料的6-15重量％。
4、 根據權利要求1-3中任意一項所述的方法，其中，每次釋放到常壓 的含纖維素的原料為120-180克。
5、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述保溫壓力裝置的溫度為 180-200°C，壓力為1.4-2.0兆帕。
6、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述與酶混合的第一批蒸汽爆 破產物的量為全部蒸汽爆破產物重量的20-60%，第一批以后加入的蒸汽爆 破產物的量為全部蒸汽爆破產物重量的40-80%。
7、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述分批次數為3次，與酶混 合的第一批蒸汽爆破產物的量為全部蒸汽爆破產物重量的20-60%;第二批 加入的蒸汽爆破產物的量為全部蒸汽爆破產物重量的20-50%;第三批加入 的蒸汽爆破產物的量為全部蒸汽爆破產物重量的20-40%。
8、 根據權利要求l、 6或7所述的方法，其中，將第一批蒸汽爆破產物 與酶混合時，該方法還包括加入水，以蒸汽爆破產物的干重計，以得到的混 合物的重量為基準，第一批蒸汽爆破產物的含量至少為1重量％。
9、 根據權利要求8所述的方法，其中，以蒸汽爆破產物的干重計，以 得到的混合物的重量為基準，第一批蒸汽爆破產物的含量為1.2-10重量％。
10、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述含纖維素的原料的含水量 為30-60重量％。
11、 根據權利要求IO所述的方法，其中，所述含纖維素的原料的含水 量為35-50重量％。
12、 根據權利要求1所述的方法，其中，相鄰的兩個分批混合步驟之間 還包括時間間隔。
13、 根據權利要求12所述的方法，其中，所述時間間隔為10-120分鐘。
14、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述酶解使用的酶包括纖維素 酶，以每克蒸汽爆破產物的干重計，所述纖維素酶的用量為8-20酶活力單 位；所述酶解的溫度為45-55°C，所述酶解的時間為25-48小時，所述酶解的pH值為3.0-7.0。
15、 根據權利要求14所述的方法，其中，所述酶解使用的酶還包括半 纖維素酶，以每克蒸汽爆破產物的干重計，所述半纖維素酶的用量為4.4-8.8酶活力單位。
16、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述含纖維素的原料為秸稈。
17、 根據權利要求1或16所述的方法，其中，所述含纖維素的原料的 大小為0.5-3厘米X0.2-1厘米X0.2-1厘米。
全文摘要
采用含纖維素的原料制備單糖的方法，該方法包括蒸汽爆破含纖維素的原料；將得到的蒸汽爆破產物與酶混合、酶解，其中，所述蒸汽爆破含纖維素的原料的方法包括將含纖維素的原料連續輸送至保溫壓力裝置中，使含纖維素的原料在該保溫壓力裝置中保持3-10分鐘后，每隔5-12秒使所述保溫壓力裝置中的部分含纖維素的原料釋放到常壓；所述將蒸汽爆破產物與酶混合的方法包括將蒸汽爆破產物分批與酶混合，所述分批次數至少為2次，每批加入的蒸汽爆破產物的量至多為全部蒸汽爆破產物重量的60％。本發明的方法能夠有效提高單糖的產率。
文檔編號C12P19/14GK101525644SQ20081010131
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月4日 優先權日2008年3月4日
發明者岳國君, 杰 李, 李春玲, 林海龍, 袁敬偉, 解成華 申請人:中糧集團有限公司