[發(fā)明專利]一種提高竹材纖維素高濃酶水解產(chǎn)可發(fā)酵糖效率的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510534293.6
• 申請日: 2015-08-27
• 公開（公告）號: CN105063132B
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅小林;劉婧;李蒙;黃六蓮;陳禮輝
• 申請（專利權(quán)）人: 福建農(nóng)林大學(xué)
• 主分類號: C12P19/14
• 分類號: C12P19/14;C12P19/02
• 代理公司: 福州智理專利代理有限公司 35208
• 代理人: 王義星

本發(fā)明公開了一種提高竹材纖維素高濃酶水解產(chǎn)可發(fā)酵糖效率的方法，其步驟為：原料切削和篩選；第一步無酸催化的高沸點醇預(yù)處理；第一步預(yù)處理所得固體基質(zhì)的分散處理；第二步無酸催化醇/水預(yù)處理；第二步無酸催化醇/水預(yù)處理所得固體基質(zhì)的超聲處理；超聲處理所得固體基質(zhì)的洗滌；洗滌后固體基質(zhì)的高濃酶水解。本發(fā)明耦合兩步預(yù)處理和超聲處理可高效移除竹材原料中的半纖維素和木素，同時確保纖維素降解率處在較低水平。當(dāng)固體基質(zhì)作為酶水解底物的質(zhì)量濃度為20%時，進(jìn)一步添加半纖維素酶后，竹材固體基質(zhì)中纖維素高濃酶水解轉(zhuǎn)化率和葡萄糖回收率分別高達(dá)82.34%和75.38%。可避免廢液中半纖維素糖的降解和木素的縮合。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種竹材資源轉(zhuǎn)化利用的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種可有效提高竹材纖維素高濃酶水解產(chǎn)可發(fā)酵糖效率的綜合處理方法。

背景技術(shù)

由于人類社會對化石能源的依賴程度不斷增大以及我國逐步限制以糧食為原料來生產(chǎn)生物能源（如生物乙醇），利用木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)生物燃料（特別是燃料乙醇）已成為我國最重要的研究領(lǐng)域之一。纖維素燃料乙醇的生產(chǎn)過程主要包括預(yù)處理、酶水解、發(fā)酵、蒸餾等四個主要的單元操作，其中高效地將木質(zhì)纖維原料中纖維素水解為可發(fā)酵糖（即酶水解）是其中最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，天然進(jìn)化過程使木質(zhì)纖維原料結(jié)構(gòu)非常致密，半纖維素和木質(zhì)素顯著阻礙了纖維素酶對纖維素的水解。為了克服這種阻礙作用，預(yù)處理已成為纖維素燃料乙醇生產(chǎn)過程中必不可少的工藝。

對于常見的木質(zhì)纖維原料，如桉木、楊木、馬尾松等，已開發(fā)出多種預(yù)處理方法（如酸法、堿法、蒸汽爆破、酸/堿催化的有機溶劑（如乙醇法）等）均可顯著提高木質(zhì)纖維原料中纖維素低濃（如2%）酶水解的轉(zhuǎn)化率。然而，生產(chǎn)成本過高仍然是阻礙纖維素燃料乙醇工業(yè)化進(jìn)程的最大障礙。其中，最為直接的便是乙醇的蒸餾成本，其約占整個木質(zhì)生物乙醇投資成本的30%。而致使乙醇蒸餾成本過高的直接原因便是經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇濃度無法達(dá)到經(jīng)濟性蒸餾目標(biāo)（4%, v/v），其蒸餾所需的能耗過高。很顯然，如果采用高底物濃度并能進(jìn)行有效酶水解，提高發(fā)酵液中供微生物發(fā)酵的可發(fā)酵糖濃度，經(jīng)發(fā)酵提高最終發(fā)酵液中乙醇濃度就可從根本上解決上述發(fā)酵液中乙醇蒸餾能耗過高的問題。然而，現(xiàn)有的實踐表明，在相同底物和除底物濃度外相同的酶水解條件下，酶水解轉(zhuǎn)化率隨木質(zhì)纖維原料底物濃度的增加而不斷下降。因此，高濃酶水解效率低下已成為木質(zhì)纖維原料轉(zhuǎn)化為乙醇過程中亟待解決的技術(shù)瓶頸問題。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，殘留在預(yù)處理所得固體基質(zhì)中非纖維組分（半纖維素和木素）對纖維素酶可產(chǎn)生明顯的無效吸附。當(dāng)酶水解底物濃度較低時（如2%，w/w），固液體系中存在大量自由水，纖維素酶較易脫附于非纖維素組分，進(jìn)而再次作用于底物中的纖維素，最終提高酶水解的效率；然而，當(dāng)酶水解底物濃度較高時（如18%以上，w/w），固液體系中自由水較少，體系黏度較大，非纖維素組分的濃度（w/w）顯著增大，無效吸附的纖維素酶難以脫附于非纖維素組分，單位時間內(nèi)可作用于底物中纖維素的酶分子數(shù)量顯著減少，導(dǎo)致高濃酶水解效率下降，過程生產(chǎn)成本依然較高。由此可見，導(dǎo)致纖維素燃料乙醇生產(chǎn)效率低下、造成最終生產(chǎn)成本過高的主要原因之一仍然是低效率的預(yù)處理方法或工藝。開發(fā)出一種可清潔高效分離半纖維素和木素的預(yù)處理方法或工藝將是解決上述技術(shù)瓶頸問題的根本途徑，其對我國纖維素燃料乙醇早日實現(xiàn)工業(yè)化也將具有重要意義。