一種適用于高固體含量木質纖維素酶促糖化的兩階段糖化方法與流程

本發明涉及木質纖維素生物煉制領域，是一種適用于高固體含量木質纖維素酶促糖化的兩階段糖化方法。

背景技術：

由于高固體含量木質纖維素的糖化與發酵可以獲得高濃度產物且有利于后續的產物分離，而逐漸成為木質纖維素生物轉化中的主流操作條件。而隨著木質纖維素固體含量的增加，纖維素固體和液體纖維素酶以及發酵微生物的混合變得越來越困難。為了解決高固體含量木質纖維素糖化與發酵過程中的固液混合難題，研究人員開發了包括依賴自身重力的臥式反應器、耙式攪拌反應器、螺帶式攪拌反應器和框式攪拌反應器等不同類型的反應器。但是，在對木質纖維素生物煉制的過程進行放大時，即需要加工上百至上前噸規模的糖化反應器時，帶有攪拌槳的反應器制造以及巨大的機械攪拌能耗將成為首要解決的問題。

針對此問題，美國可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)設計了一個包括秸稈糖化和發酵生產乙醇的工藝過程。該工藝第一步是24小時的液化過程，該步驟在20％固體含量下進行，通過秸稈固體的自身重力實現良好的混合；第二步是將液化后的寡聚糖進一步糖化60小時從而完全轉化為可發酵性糖類，該步驟通過循環泵循環液漿來實現糖化過程中的降溫和固液混合。最后一步是36小時的無攪拌乙醇發酵過程。由于液化和糖化的反應器中都沒有攪拌槳，所以該過程易于放大，但其缺點是無法進行高固體含量的糖化操作。因此，對于高固體含量的木質纖維素酶解或發酵體系，亟需開發一種節能 和易于放大的酶解方法。

技術實現要素：

本發明目的在于克服現有高固體含量木質纖維素糖化或發酵過程機械攪拌能耗高且工藝過程不易放大的缺點。本方法可以大幅降低酶解過程的機械攪拌能耗，在保證木質纖維素酶解效果不變的條件下，更適宜于進行過程放大。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

對木質纖維素原料進行預處理；預處理后的木質纖維素原料直接進入小尺度的帶有螺帶攪拌槳的液化反應器中，進行高固體含量、強攪拌下的快速液化；液化后的木質纖維素漿液通過離心泵或泥漿泵輸送到弱攪拌的大規模糖反應器中進行第二階段的較長時間的完全糖化；或同時加入發酵菌種，進行同步糖化與發酵操作。

與現有技術相比，本發明具有的優點和效果如下：

1、本發明適用于高固體含量的木質纖維素原料進行糖化或同步糖化與發酵生產液體燃料和大宗化學品。

2、本發明可以大幅降低酶解或同步糖化與發酵過程的機械攪拌能耗。

3、本發明由于第一階段使用的攪拌反應器的規模較小，而第二階段的酶解反應器中無攪拌裝置，所以該過程從設備和過程操作都較易于放大。

【附圖說明】

圖1.實施方式1持續攪拌條件下30％固體含量玉米秸稈的酶解曲線

圖2.實施方式2兩階段酶解條件下30％固體含量玉米秸稈的酶解曲線

圖3.實施方式3持續攪拌條件下30％固體含量玉米秸稈的同步糖化與發酵曲線

圖4.實施方式4兩階段酶解條件下30％固體含量玉米秸稈的同步糖化與發酵曲線

【具體實施方式】

本發明的生產工藝包括：對木質纖維素原料進行預處理；預處理后的木質纖維素原料直接進入小尺度的帶有螺帶攪拌槳的液化反應器中，進行高固體含量、強攪拌下的快速液化；液化后的木質纖維素漿液通過離心泵或泥漿泵輸送到弱攪拌的大規模糖反應器中進行第二階段的較長時間的完全糖化；或同時加入發酵菌種，進行同步糖化與發酵操作。

實施例1

將玉米秸稈進行干法稀酸預處理，預處理條件為：秸稈固體和稀硫酸的固液比2:1(質量比)，硫酸用量2.5g/100g秸稈，175℃，50rpm處理5分鐘，預處理后秸稈固體含量為50％左右；將預處理后的秸稈放入帶有螺帶攪拌槳的5升反應器中進行酶解，操作條件為固體含量30％(質量比)，50℃，纖維素酶用量15FPU/g干固體，50rpm，酶解時間48小時，葡萄糖濃度可達118g/L。

實施例2

將玉米秸稈進行干法稀酸預處理，預處理條件為：秸稈固體和稀硫酸的固液比2:1(質量比)，硫酸用量2.5g/100g秸稈，175℃，50rpm處理5分鐘，預處理后秸稈固體含量為50％左右；將預處理后的秸稈放入帶有螺帶攪拌槳的5升反應器中進行第一階段酶解，操作條件為固體含量30％(質量比)，50℃，纖維素酶用量15FPU/g干固體，50rpm，液化5小時；然后通過泥漿泵將液化后的秸稈泵入50升無攪拌反應器中，進行第二階段酶解，糖化67小時，操作條件同第一階段(除了攪拌轉速為0外)。葡萄糖濃度可達110g/L。

實施例3

將玉米秸稈進行干法稀酸預處理，預處理條件為：秸稈固體和稀硫酸的固液比2:1(質量比)，硫酸用量2.5g/100g秸稈，175℃，50rpm處理5分鐘，預處理后秸稈固體含量為50％左右； 將預處理后的秸稈進行固態生物脫毒，脫毒條件為接種量10％(體積比，脫毒菌種為Amorphotheca resinae ZN1)，28℃，5天，脫毒后預處理秸稈中糠醛、羥甲基糠醛、乙酸等抑制物含量均低于0.5g/L。將脫毒后的秸稈放入帶有螺帶攪拌槳的5升反應器中進行預酶解，操作條件為固體含量30％(質量比)，50℃，纖維素酶用量15FPU/g干固體，50rpm，液化5小時；然后通過泥漿泵將液化后的秸稈泵入50升螺帶攪拌反應器中，并以10％(體積比)的接種量接入釀酒酵母，進行第二階段的同步糖化與發酵操作，同步糖化與發酵條件為：50rpm，固體含量同第一階段，溫度為37℃，pH值控制在5.5，同步糖化與發酵67小時。乙醇濃度可達54.51g/L，纖維素的轉化率可以達到61.04％。

實施例4

將玉米秸稈進行干法稀酸預處理，預處理條件為：秸稈固體和稀硫酸的固液比2:1(質量比)，硫酸用量2.5g/100g秸稈，175℃，50rpm處理5分鐘，預處理后秸稈固體含量為50％左右；將預處理后的秸稈進行固態生物脫毒，脫毒條件為接種量10％(體積比，脫毒菌種為Amorphotheca resinae ZN1)，28℃，5天，脫毒后預處理秸稈中糠醛、羥甲基糠醛、乙酸等抑制物含量均低于0.5g/L。將脫毒后的秸稈放入帶有螺帶攪拌槳的5升反應器中進行第一階段酶解，操作條件為固體含量30％(質量比)，50℃，纖維素酶用量15FPU/g干固體，50rpm，液化5小時；然后通過泥漿泵將液化后的秸稈泵入50升無攪拌反應器中，并以10％(體積比)的接種量接入釀酒酵母，進行第二階段的同步糖化與發酵，同步糖化與發酵條件為：0rpm，固體含量同第一階段，溫度為37℃，pH值控制在5.5，同步糖化與發酵67小時。乙醇濃度可達55.24g/L，纖維素的轉化率可以達到61.85％。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍內。