一种适用于高固体含量木质纤维素酶促糖化的两阶段糖化方法与流程

本发明涉及木质纤维素生物炼制领域，是一种适用于高固体含量木质纤维素酶促糖化的两阶段糖化方法。

背景技术：

由于高固体含量木质纤维素的糖化与发酵可以获得高浓度产物且有利于后续的产物分离，而逐渐成为木质纤维素生物转化中的主流操作条件。而随着木质纤维素固体含量的增加，纤维素固体和液体纤维素酶以及发酵微生物的混合变得越来越困难。为了解决高固体含量木质纤维素糖化与发酵过程中的固液混合难题，研究人员开发了包括依赖自身重力的卧式反应器、耙式搅拌反应器、螺带式搅拌反应器和框式搅拌反应器等不同类型的反应器。但是，在对木质纤维素生物炼制的过程进行放大时，即需要加工上百至上前吨规模的糖化反应器时，带有搅拌桨的反应器制造以及巨大的机械搅拌能耗将成为首要解决的问题。

针对此问题，美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)设计了一个包括秸秆糖化和发酵生产乙醇的工艺过程。该工艺第一步是24小时的液化过程，该步骤在20％固体含量下进行，通过秸秆固体的自身重力实现良好的混合；第二步是将液化后的寡聚糖进一步糖化60小时从而完全转化为可发酵性糖类，该步骤通过循环泵循环液浆来实现糖化过程中的降温和固液混合。最后一步是36小时的无搅拌乙醇发酵过程。由于液化和糖化的反应器中都没有搅拌桨，所以该过程易于放大，但其缺点是无法进行高固体含量的糖化操作。因此，对于高固体含量的木质纤维素酶解或发酵体系，亟需开发一种节能 和易于放大的酶解方法。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有高固体含量木质纤维素糖化或发酵过程机械搅拌能耗高且工艺过程不易放大的缺点。本方法可以大幅降低酶解过程的机械搅拌能耗，在保证木质纤维素酶解效果不变的条件下，更适宜于进行过程放大。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

对木质纤维素原料进行预处理；预处理后的木质纤维素原料直接进入小尺度的带有螺带搅拌桨的液化反应器中，进行高固体含量、强搅拌下的快速液化；液化后的木质纤维素浆液通过离心泵或泥浆泵输送到弱搅拌的大规模糖反应器中进行第二阶段的较长时间的完全糖化；或同时加入发酵菌种，进行同步糖化与发酵操作。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、本发明适用于高固体含量的木质纤维素原料进行糖化或同步糖化与发酵生产液体燃料和大宗化学品。

2、本发明可以大幅降低酶解或同步糖化与发酵过程的机械搅拌能耗。

3、本发明由于第一阶段使用的搅拌反应器的规模较小，而第二阶段的酶解反应器中无搅拌装置，所以该过程从设备和过程操作都较易于放大。

【附图说明】

图1.实施方式1持续搅拌条件下30％固体含量玉米秸秆的酶解曲线

图2.实施方式2两阶段酶解条件下30％固体含量玉米秸秆的酶解曲线

图3.实施方式3持续搅拌条件下30％固体含量玉米秸秆的同步糖化与发酵曲线

图4.实施方式4两阶段酶解条件下30％固体含量玉米秸秆的同步糖化与发酵曲线

【具体实施方式】

本发明的生产工艺包括：对木质纤维素原料进行预处理；预处理后的木质纤维素原料直接进入小尺度的带有螺带搅拌桨的液化反应器中，进行高固体含量、强搅拌下的快速液化；液化后的木质纤维素浆液通过离心泵或泥浆泵输送到弱搅拌的大规模糖反应器中进行第二阶段的较长时间的完全糖化；或同时加入发酵菌种，进行同步糖化与发酵操作。

实施例1

将玉米秸秆进行干法稀酸预处理，预处理条件为：秸秆固体和稀硫酸的固液比2:1(质量比)，硫酸用量2.5g/100g秸秆，175℃，50rpm处理5分钟，预处理后秸秆固体含量为50％左右；将预处理后的秸秆放入带有螺带搅拌桨的5升反应器中进行酶解，操作条件为固体含量30％(质量比)，50℃，纤维素酶用量15FPU/g干固体，50rpm，酶解时间48小时，葡萄糖浓度可达118g/L。

实施例2

将玉米秸秆进行干法稀酸预处理，预处理条件为：秸秆固体和稀硫酸的固液比2:1(质量比)，硫酸用量2.5g/100g秸秆，175℃，50rpm处理5分钟，预处理后秸秆固体含量为50％左右；将预处理后的秸秆放入带有螺带搅拌桨的5升反应器中进行第一阶段酶解，操作条件为固体含量30％(质量比)，50℃，纤维素酶用量15FPU/g干固体，50rpm，液化5小时；然后通过泥浆泵将液化后的秸秆泵入50升无搅拌反应器中，进行第二阶段酶解，糖化67小时，操作条件同第一阶段(除了搅拌转速为0外)。葡萄糖浓度可达110g/L。

实施例3

将玉米秸秆进行干法稀酸预处理，预处理条件为：秸秆固体和稀硫酸的固液比2:1(质量比)，硫酸用量2.5g/100g秸秆，175℃，50rpm处理5分钟，预处理后秸秆固体含量为50％左右； 将预处理后的秸秆进行固态生物脱毒，脱毒条件为接种量10％(体积比，脱毒菌种为Amorphotheca resinae ZN1)，28℃，5天，脱毒后预处理秸秆中糠醛、羟甲基糠醛、乙酸等抑制物含量均低于0.5g/L。将脱毒后的秸秆放入带有螺带搅拌桨的5升反应器中进行预酶解，操作条件为固体含量30％(质量比)，50℃，纤维素酶用量15FPU/g干固体，50rpm，液化5小时；然后通过泥浆泵将液化后的秸秆泵入50升螺带搅拌反应器中，并以10％(体积比)的接种量接入酿酒酵母，进行第二阶段的同步糖化与发酵操作，同步糖化与发酵条件为：50rpm，固体含量同第一阶段，温度为37℃，pH值控制在5.5，同步糖化与发酵67小时。乙醇浓度可达54.51g/L，纤维素的转化率可以达到61.04％。

实施例4

将玉米秸秆进行干法稀酸预处理，预处理条件为：秸秆固体和稀硫酸的固液比2:1(质量比)，硫酸用量2.5g/100g秸秆，175℃，50rpm处理5分钟，预处理后秸秆固体含量为50％左右；将预处理后的秸秆进行固态生物脱毒，脱毒条件为接种量10％(体积比，脱毒菌种为Amorphotheca resinae ZN1)，28℃，5天，脱毒后预处理秸秆中糠醛、羟甲基糠醛、乙酸等抑制物含量均低于0.5g/L。将脱毒后的秸秆放入带有螺带搅拌桨的5升反应器中进行第一阶段酶解，操作条件为固体含量30％(质量比)，50℃，纤维素酶用量15FPU/g干固体，50rpm，液化5小时；然后通过泥浆泵将液化后的秸秆泵入50升无搅拌反应器中，并以10％(体积比)的接种量接入酿酒酵母，进行第二阶段的同步糖化与发酵，同步糖化与发酵条件为：0rpm，固体含量同第一阶段，温度为37℃，pH值控制在5.5，同步糖化与发酵67小时。乙醇浓度可达55.24g/L，纤维素的转化率可以达到61.85％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。