专利名称：一种木质纤维素酶水解与膜分离耦合生产高浓度还原糖的方法
技术领域：
本发明涉及一种木质纤维素酶解液中糖分的精制方法，尤其涉及应用膜分离技术 与木质纤维素酶解耦合生产高浓度还原糖的方法。
背景技术：
木质纤维素是自然界中来源广泛、价格低廉的可再生资源，其主要成分为纤维素、 半纤维素和木质素。生物转化木质纤维素中的糖类聚合物生产生物燃料或生物基化学品是 木质纤维素综合利用的一个有效途径。木质纤维素生物转化过程包括预处理、酶水解、微生 物发酵和产物分离四个步骤，其中酶水解是个很重要的步骤。目前，水解木质纤维素的酶的 成本很高。因此在酶水解结束后，对水解酶进行回收和利用是降低酶水解成本的有效方法。 水解酶的回收方法有新鲜底物吸附法和超滤法等。应用酶膜反应器进行木质纤维素酶解，实现水解酶的循环利用是一个较为理想的 方法。酶膜反应器是利用一定截留分量的超滤膜，截留高分子量的木质纤维素水解酶，实现 酶的反复使用，同时低分子量的酶解产物如葡萄糖、木糖和纤维二糖等可透过膜，因而能降 低末端产物对纤维素酶的抑制作用，提高纤维素的酶解效率。目前，文献报道的酶膜反应器 大都是内置式的，不利于工业化放大，而且存在着透过液中还原糖浓度低的缺点，不利于后 续微生物发酵。
发明内容
本发明目的在于提供一种木质纤维素酶解液中糖分的分离和浓缩的方法，该方法 不仅能分离木质纤维素底物、水解酶和酶解产物，实现底物和水解酶的循环利用，还能对酶 解产物进行浓缩。该方法将微滤、超滤和纳滤结合使用，有效减轻了木质纤维素底物对超滤 膜的污染，避免了酶解产物对木质纤维素酶解的抑制作用，提高了酶解效率，降低了酶解成 本，并节省了生产过程中的能耗和水耗，提高了酶解液中的还原糖浓度，易于微生物发酵生 产高浓度的产物。本发明提供了一种木质纤维素酶水解与膜分离耦合生产高浓度还原糖的方法，其 特征在于生产过程如下(1)木质纤维素糖化酶解预处理的木质纤维素生产还原糖；(2)微滤过滤将酶解糖化液通过微滤过滤，得到含水解酶和还原糖的透过液，截 留的木质纤维素粒子返回酶解反应器继续酶解。(3)超滤过滤将微滤透过液用超滤过滤，得到含还原糖的透过液，截留的水解酶 返回酶解反应器循环利用。(4)纳滤浓缩超滤透过液经纳滤浓缩，制得高浓度的还原糖溶液，纳滤透过液返 回酶解反应器。本发明所述酶水解过程中初始底物浓度为 15%，水解用酶是纤维素酶、木聚糖酶、0 “葡萄糖苷酶(纤维二糖酶)、果胶酶或其复合物，酶用量为5 50IU/g底物，反 应温度 20 60°C，pH4. 8. 0。本发明所述的木质纤维素可以是玉米秸秆、稻草秸秆、小麦秸秆、甘蔗渣、草类以 及阔叶树或针叶树的木屑。木质纤维素预处理方法可以是稀酸等化学预处理、双氧水等氧 化预处理、蒸汽爆破等理化预处理或酒精等有机溶剂预处理。本发明所述的微滤膜的孔径为0. 1 1. Oym，超滤膜的截留分子量为5000 50000道尔顿，膜材料为聚醚砜、聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈和聚酰胺中的一种。本发明所述的纳滤膜的截留分子量为90 300道尔顿；其膜组件形式为卷式、管 式或板框式有机膜组件或管式无机膜组件；有机纳滤膜材料为醋酸纤维素、磺化聚砜、聚酰 胺、聚醚砜、磺化聚醚砜、聚哌嗪或聚乙烯醇；无机纳滤膜材料为陶瓷。本发明的反应分离耦合操作方式可以是连续操作，也可以是间歇操作。原料补加 方式可以是间歇补料，也可以是连续补料。间歇补料是在膜分离单元排出一定量后，向酶反 应器中加入相同体积的原料液，连续补料是在膜分离单元排出的同时向酶解反应器中加入 原料液，补加速率与排出速率相等。本发明提供的木质纤维素酶水解与膜分离耦合生产高浓度还原糖的方法将微滤、 超滤和纳滤结合使用，不但可以减轻木质纤维素底物对超滤膜的污染，显著提高系统运行 的连续性，而且可以避免酶解产物对木质纤维素酶解的抑制作用，提高酶解效率。利用纳滤 技术浓缩酶解液中的还原糖，提高酶解液中的还原糖浓度，易于微生物发酵生产高浓度的 产物。本发明提供的方法将木质纤维素和水解酶的分离以及还原糖的浓缩等工艺与酶水解 过程紧密耦合，节省了生产过程中的能耗和水耗，易于自动化控制和产业化。
图1是木质纤维素酶水解与膜分离单元耦合生产高浓度还原糖的工艺流程示意 图。附图标记1.酶解反应器2.进料泵3.微滤组件4.超滤组件5.料液槽6.进料泵 7.纳滤组件8.阀门9.阀门10.阀门11.阀门
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明，本发明所涉及的主题保护范围并非仅限 于这些实施例。实施例1 一种木质纤维素酶水解与膜分离耦合生产高浓度还原糖的方法，包括 如下步骤(1)在酶解反应器中按5% (w/v)的比例加入稀酸处理的甘蔗渣、纤维素酶和 葡萄糖苷酶，纤维素酶和葡萄糖苷酶用量分别是20IU/g底物和20IU/g底物。pH
调整为4.8，50°C保温1天。(2)开启进料泵，将酶解液泵入微滤组件(聚偏氟乙烯(PVDF)膜)，截留的木质纤 维素底物返回酶解反应器。微滤膜的孔径约为0. 45微米，组件内的压力为0. 1 0. 2MPa。(3)步骤(2)得到的透过液进入截留分子量为10000道尔顿的管式聚酰胺超滤组
4件，截留的水解酶返回酶解反应器。同时向酶解反应器中加入缓冲液，使酶反应器中的液体 体积保持不变。酶解反应2天后，关闭进料泵，停止微滤和超滤操作。(4)步骤(3)得到的透过液进入料液槽中，然后经进料泵加压后以26. 5L/m2 h 的膜通量通过截留分子量为90道尔顿的平板式聚酰胺纳滤膜组件，直至料液槽中还原糖 浓度达到40g/L时停止操作，纳滤浓缩后还原糖浓度提高近10倍，甘蔗渣的转化率提高了 45%。实施例2 —种木质纤维素酶水解与膜分离耦合生产高浓度还原糖的方法，包括 如下步骤(1)在酶解反应器中按3% (w/v)的比例加入稀碱处理的杨木木屑、纤维素酶和 葡萄糖苷酶，纤维素酶和葡萄糖苷酶用量分别是10iu/g底物和20IU/g底物。pH
调整为4.8，50°C保温1天。(2)开启进料泵，将酶解液泵入微滤组件(PVDF膜)，截留的木质纤维素底物返回 酶解反应器。微滤膜的孔径约为0. 45微米，组件内的压力为0. 1 0. 2MPa。(3)步骤(2)得到的透过液进入截留分子量为5000道尔顿的平板式聚醚砜超滤组 件，截留的水解酶返回酶解反应器。同时不断补加原料和缓冲液到酶解反应器中，使酶反应 器中的液体体积保持不变。酶解反应2天后，关闭进料泵，停止微滤和超滤操作。(4)步骤(3)得到的透过液进入料液槽中，然后经进料泵加压后以39. 8L/m2 -h的 膜通量通过截留分子量为150道尔顿的管式聚酰胺纳滤膜组件，直至料液槽中还原糖浓度 达到50g/L时停止操作，纳滤浓缩后还原糖浓度提高近14倍，木屑的转化率提高了 34%。实施例3 —种木质纤维素酶水解与膜分离耦合生产高浓度还原糖的方法，包括 如下步骤(1)在酶解反应器中按10% (w/v)的比例加入汽爆处理的小麦秸秆、纤维素酶、 3 -葡萄糖苷酶和木聚糖酶，纤维素酶、3 “葡萄糖苷酶和木聚糖酶用量分别是40IU/g底 物、20IU/g底物和20IU/g底物。pH调整为4. 8，50°C保温1天。(2)开启进料泵，将酶解液泵入微滤组件(陶瓷膜)，截留的木质纤维素底物返回 酶解反应器。微滤膜的孔径约为0. 22微米，组件内的压力为0. 1 0. 2MPa。(3)步骤(2)得到的透过液进入截留分子量为10000道尔顿的中空纤维聚醚砜超 滤组件，截留的水解酶返回酶解反应器。每隔12小时向酶解反应器中补加原料和缓冲溶 液，使酶反应器中的液体体积保持不变。酶解反应2天后，关闭进料泵，停止微滤和超滤操 作。(4)步骤(3)得到的透过液进入料液槽中，然后经进料泵加压后以53. 09L/m2 h 的膜通量通过截留分子量为150道尔顿的平板式聚酰胺纳滤膜组件，直至料液槽中还原糖 浓度达到103g/L时停止操作，纳滤浓缩后还原糖浓度提高近18倍，秸秆的转化率提高了 73%。
权利要求
一种木质纤维素酶水解与膜分离耦合生产高浓度还原糖的方法，其特征在于，该生产方法包括以下步骤(1)木质纤维素糖化酶解预处理的木质纤维素生产还原糖；(2)微滤过滤将酶解糖化液通过微滤过滤，得到含水解酶和还原糖的透过液，截留的木质纤维素粒子返回酶解反应器继续酶解；(3)超滤过滤将微滤透过液用超滤过滤，得到含还原糖的透过液，截留的水解酶返回酶解反应器循环利用；(4)纳滤浓缩超滤透过液经纳滤浓缩，制得高浓度的还原糖溶液，纳滤透过液返回酶解反应器。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(1)中酶水解过程所用初始底物浓 度为 15% (w/v，质量体积比)，水解用酶是纤维素酶、木聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、果 胶酶或其复合物，酶用量为5 50IU/g底物，反应温度20 60°C，pH4. 0 8. 0。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的木质纤维素可以是玉 米秸秆、稻草秸秆、小麦秸秆、甘蔗渣、草类以及阔叶树或针叶树的木屑。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的木质纤维素预处理方 法可以是稀酸等化学预处理、双氧水等氧化预处理、蒸汽爆破等理化预处理或酒精等有机 溶剂预处理。
5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所用微滤膜的孔径为0.1 1. 0 μ m，膜材质为有机膜或无机陶瓷膜。
6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所用超滤膜的截留分子量为 5000 50000道尔顿，膜材料为聚醚砜、聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺和无机陶瓷。
7.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所用纳滤膜的截留分子量为 90 300道尔顿；其膜组件形式为卷式、管式或板框式有机膜组件或管式无机膜组件；有机 纳滤膜材料为醋酸纤维素、磺化聚砜、聚酰胺、聚醚砜、磺化聚醚砜、聚哌嗪或聚乙烯醇；无 机纳滤膜材料为陶瓷。
8.根据权利要求1、5、6或7中所述的方法，其特征在于，反应分离连续操作或者间歇操作。
9.根据权利要求8中所述的方法，其特征在于，连续操作时间歇补料或连续补料；间歇 补料是在膜分离单元排出一定量后，向酶反应器中加入相同体积的原料液；连续补料是在 膜分离单元排出的同时向酶解反应器中加入原料液，补加速率与排出速率相等。
全文摘要
本发明涉及一种木质纤维素酶水解与膜分离单元耦合生产高浓度还原糖的方法。该方法利用微滤和超滤分离酶解液中的木质纤维素底物、水解酶和酶解产物还原糖，实现底物和酶的反复使用，并通过纳滤浓缩酶解液，制得高浓度的还原糖溶液。本发明将微滤、超滤和纳滤结合使用，有效减轻了木质纤维素底物对超滤膜的污染，避免了酶解产物对木质纤维素酶解的抑制作用，提高了酶解效率，降低了酶解成本，并节省了生产过程中的能耗和水耗，提高了酶解液中的还原糖浓度，易于微生物发酵生产高浓度的产物。
文档编号C07H1/06GK101899488SQ20101022858
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者万印华, 伊守亮, 沈飞, 苏仪, 陈向荣, 齐本坤 申请人:中国科学院过程工程研究所