[发明专利]利用碱抽提生物质残渣制备葡萄糖的酶酸法工艺

说明书

技术领域

本发明涉及植物纤维素水解的工艺技术领域，特别涉及利用碱抽提生物质残渣制备葡萄糖的酶酸法工艺。

背景技术

现代工业在短短一两百年内使人类文明的发展相当于过去几千年的进步，同时也消耗了大量的化石资源，可再生能源的开发与利用已成为人类解决能源与环境问题的重要策略。水能、风能、太阳能和生物质能的利用成了当今社会的热门课题，但其中只有生物质既是再生能源，又是重要的含碳资源。

地球上植物每年吸收约1000亿吨CO₂，它们在放出大量O₂的同时产生1500亿吨生物质，其主要成分包括纤维素，半纤维素和木质素，统称为木质纤维素。由于生成木质纤维素耗用的土地资源要求低，相对给人类生产提供的空间较大，不仅纤维素生成过程吸收CO₂有利于大气中CO₂的平衡，而且大量木质纤维素的存在还将为未来化工原料与液体燃料生产提供更多的机遇。例如，利用纤维素生产生物乙醇的成本虽然高，但使用生物乙醇可减少温室气体CO₂排放，节约环境成本约200美元/吨。因此，如能将废弃农作物中秸杆等纤维素资源转化为人类急需的能源、食物和化工原料，将对人类社会解决环境污染、食物短缺和能源危机具有重大的现实意义。尤其是纤维素降解为单糖后，获得的葡萄糖不仅可直接作为平台化合物衍生为其他多种化学品，而且其再经发酵生产得到的生物酒精更可作为石油替代品应用在多个领域。

但是，生物质资源高效利用面临的最大问题就是纤维素稳定的结构和理化性质给其降解利用造成了很大的障碍，成了纤维素工业应用的瓶颈。以木质素为粘结剂，半纤维素为填充物，纤维素为骨架结合而成的木质纤维素被认为是自然界中对化学作用和生物作用抗性最强的材料之一。天然纤维素水解制备葡萄糖是纤维素降解及利用的关键步骤。纤维素转化率和葡萄糖的得率直接影响整个生物质降解工艺的成本和经济效益。目前以生物质为原料制备葡萄糖的方法主要由有酶水解和酸水解法两大类：酸性水解一般分为稀酸高温加压水解和浓酸低温常压水解。前者耗酸量少，但能耗较高，需耐压和耐酸设备，投资较大；浓酸水解可使纤维素完全水解，但在实际生产中由于消耗酸量较大，成本较高，污染较大。两者都难以令人满意。纤维素生物酶解的最大优点是水解过程仅生成很少的副产物，提纯过程相对简单，目前是纤维降解的主流趋势。但该工艺中生物质需要预处理，而且水解过程中间产物低聚寡糖的积累对催化反应存在明显的抑制作用，影响了降解的葡萄糖得率，需要额外添加β-葡萄糖苷酶消除抑制，造成整个工艺酶的生产成本高，水解周期长，操作费用过高。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题提供一种简易的消除酶解过程低聚寡糖抑制作用，提高水解过程葡萄糖得率的利用碱抽提生物质残渣制备葡萄糖的酶酸法工艺。

本发明技术方案的理论基础：

碱抽提生物质残渣是一种农林废弃物，碱抽提获得的液相经过酶解制得的低聚木糖已被成功应用在饲料工业，而其残渣属于一种农副产品经深加工后的植物纤维废料，主要成分是纤维素。因此，碱抽提生物质残渣的水解过程也就是纤维素降解为葡萄糖的过程。

利用水解过程是异相体系和中间产物低聚寡糖可溶的原理，通过简单的固液分离解除中间产物积累，由于纤维素酶具有CBM纤维吸附域，认为固液分离后未被纤维素酶水解的固相残渣上吸附大量的纤维素酶，在特定条件下可被进一步利用降解固相残渣。

合并每次水解过程中的水解液，此时主要含有葡萄糖和低聚寡糖，通过简单的酸处理可将所有的低聚寡糖彻底水解为葡萄糖，从而达到提高纤维素转化率和葡萄糖得率的目的。

本发明的目的是通过下列技术措施实现的：

一种利用碱抽提预处理后的生物质残渣制备葡萄糖的酶酸法工艺，该工艺包括以下步骤：

a.以碱抽提预处理后的生物质残渣为原料，将生物质残渣加入水解反应器中，加入pH缓冲液混溶，并加入纤维素酶，每g生物质残渣的纤维素酶用量控制在4～10滤纸酶活单位FPIU，调节生物质残渣浓度为10～100g/L，pH为4.5～5.5，然后在40～65℃条件下进行酶解；酶解结束后，进行固液分离，所得液相标记为溶液I，所得固相残渣标记为残渣II；

b.按残渣II的重量加入1～5倍量的pH缓冲液，pH控制在4.5～5.5，悬浮后在40～65℃利用吸附在残渣II上的纤维素酶继续水解16～30小时，进行固液分离，得到溶液II；