[实用新型]一种纤维素原料酶解装置

说明书

技术领域

本实用新型属于生物化工技术领域，特别涉及一种纤维素原料酶解装置。

背景技术

纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。植物每年通过光合作用，可以产生1.5～2.0×10¹¹t的纤维素类物质，其中纤维素、半纤维素占1/2以上，但其中只有极少部分为人们所利用。随着石油和煤炭资源的日渐枯竭，纤维素的水解和利用越来越受到人们的重视，逐渐形成了和石油炼制相对应的生物炼制概念。和以前的生物质利用不同，当前的生物炼制必须基于利用植物所有部分，才能保证利用效率，同时避免新的环境污染。很显然，要达到这一目标必须依靠多学科的交叉，尤其是生物学、化学及化学工程各领域的整合。

纤维素的糖化是植物纤维原料进行生物炼制的关键，经过预处理过程和酶解过程将纤维素物质转化为微生物可利用的糖类物质，通过发酵过程将糖类转化为其他各种化学品。目前，其工艺主要有稀酸解法和酶解法两种工艺。

稀酸水解过程是最古老的纤维素糖化方法为多相水解反应，硫酸浓度一般为0.5～2.0％，温度为180℃～240℃，反应时间为几分钟到几小时。稀酸处理的优点在于半纤维素水解得到的糖量大，催化剂成本低，易于中和。但酸水解存在很多问题：酸水解对设备有很强的腐蚀作用；酸水解条件苛刻，需要较高的温度和压力；酸水解后需要中和，并产生大量的酸废水；会生成毒害微生物的发酵产物如糖醛、甲酸、乙酸、酚类物质，有时水解产物需进一步分离方能用作微生物培养基；产糖率低，仅为理论值的50～60％。对于农作物秸秆含有来自土壤的二氧化硅及碱性化合物，酸的需要量达到原料重的5～7％，由于上述原因，限制了酸水解的发展和应用。

酶水解工艺因其反应条件温和、水解副产物少、糖化得率高以及对环境危害小等优点，所以得到了更为普遍的认可和推崇，目前被大多研究者所广泛采用。纤维素酶是指能够水解纤维素β-1，4葡萄糖苷键生成葡萄糖的一组酶的总称。大量的真菌纤维素酶体系的分离纯化研究证明纤维素酶是一种多组分的复合酶系，包括内切型β-葡聚糖酶(也称Cx酶、CMC酶、EG)、外切型β-葡聚糖酶(也称C1酶、纤维二糖水解酶或CBH)和纤维二糖酶(也称β-葡萄糖苷酶或CB)等3种主要组分；在酶解过程中这三个组分协同作用，首先由内切型葡聚糖酶(Cx酶)在纤维素聚合物的内部起作用，在纤维素的非结晶部位进行切割，产生新的末端然后再由外切型葡聚糖酶(C1酶)以纤维二糖为单位由末端进行水解，最后由纤维二糖酶将纤维二糖水解为葡萄糖。

但由于木质纤维原料致密复杂的结构及纤维素分子高度结晶特性，需要进行适当的预处理，以降低纤维素的结晶度，增加纤维原料的多孔性，脱除木质素的保护作用，增加酶与底物的接触面积，从而提高酶解的效率。采用的预处理方法应满足以下要求：①有利于酶水解过程的糖化；②避免碳水化合物的降解或损失；③避免生成对后续水解或发酵有害的副产物；④经济可行。预处理方法归纳起来包括物理法、物理化学法、化学法和生物法。

影响纤维素酶水解主要有以下因素：

(1)底物因素，纤维底物结构上的特征在一定程度上决定了酶解的速度，这些结构特征包括纤维素酶可接触的底物表面积、纤维素的结晶度、纤维素的聚合度、木质素含量与分布情况、底物浓度等，其中纤维素酶可接触的底物表面积被认为是对酶解具有最大影响的因子之一；

(2)纤维素酶因素，除上述与底物有关的影响因素外，与纤维素酶相关的一些因素也会影响到酶解过程，包括纤维素酶用量、纤维素酶系组成、酶解产物(纤维二糖和葡萄糖)对纤维素酶的反馈抑制、水解过程中由于温度或机械力造成的酶失活、酶的吸附性等；

(3)温度和pH，大部分纤维素酶的活性受环境的温度和pH影响。在最适pH下，酶反应具有最大速度，高于或低于此值，反应速度下降。纤维素酶的最适pH一般在4.5～5.5范围内。温度也是影响纤维素酶解的重要因素，一般纤维素酶的最适温度范围是40～60℃；

(4)抑制剂和激活剂，纤维素酶可由酶促反应的产物和类似底物的某些物质引起竞争性抑制和激活作用。

但由于酶水解法反应时间长，至今仍未达到工业化水平。因而加快酶水解速度提高水解率特别重要。要加快酶反应速度强化反应过程，反应器的选择是关键因素。

酶解反应器类型很多，最常用的有搅拌式、固定化酶填充床式和流化床式三大类。但由于植物纤维素酶解具有周期长、酶耗高、酶分子在酶反应器中容易因搅拌原因而发生剪切失活等原因，目前对于纤维素酶解设备的研究还处于实验室研究阶段，而且大多侧重于工艺条件的研究。