一种辐照预处理和分批补料实现木质纤维素高底物浓度酶水解的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于木质纤维素酶水解技术领域，具体涉及一种射线辐照预处理木质纤维 素的高底物浓度酶水解方法。
【背景技术】
[0002] 随着化石能源的枯竭，可再生的生物质能源越来越引起人们的重视。以木质纤维 素为原料的第二代燃料乙醇被认为是燃料乙醇的重要发展方向。木质纤维素原料是地球上 最丰富的可再生能源之一。全球每年大量的农作物秸杆如油菜杆、玉米杆、稻草秸杆等大部 分被丢弃或者焚烧，不仅造成资源浪费，还造成环境污染。木质纤维素原料生产燃料乙醇具 有可再生性、无污染性等特点，其回收利用可以改善空气质量，促进偏远地区经济发展，减 少对汽油的依赖，减少温室效应等。但目前最大的难题是，如何改变木质纤维素的结构以增 加其糖化反应性能。各种物理、化学预处理方法都有一定的局限性，在生产应用中都存在着 处理成本高、酸碱回收困难，对环境污染严重、对后续工艺有抑制等问题。因此寻求一种高 效、无污染、成本低的有效预处理方法迫在眉睫。
[0003] 辐照预处理是利用放射性同位素Co6°衰变时放出的高能Y射线作用于木质纤维 素，破坏木质纤维素物理与化学结构的一种预处理方法。辐照预处理过程不需要加热，整个 过程在室温下就可以进行，且产生的抑制性副产物少。经过高剂量辐照处理后的木质纤维 素结构变松散，硬度变小，结晶度下降，微晶纤维素的微观结构由平滑变得粗糙，半纤维素、 纤维素和木质素分子链被大量切断。因此，经高剂量辐照预处理后，木质纤维素的酶解转化 率显著提高。射线辐照预处理技术具有操作简单、清洁无污染、可在常温和常压下进行、无 物料损失、效果显著等优势。
[0004] 木质纤维素酶解后的还原糖浓度不高是目前纤维素燃料乙醇商业化主要技术瓶 颈之一。通常情况下，批式发酵乙醇浓度不会超过40g/L，而当发酵液中乙醇浓度低于4% 时，用于后续的乙醇浓缩及精馏的能耗将显著增加。提高酶解体系的底物浓度是获得高浓 度还原糖的直接方法，而高底物浓度往往导致体系的黏性增加，不利于体系的物质传递和 热量传递，使酶解效率低下。分批往体系中补加底物和酶可以降低反应时体系的粘度，有利 于体系的传质与传热，从而获得高浓度还原糖。
[0005] 木质纤维素原料高浓度还原糖水解液的获得是实现其高浓度发酵并降低纤维乙 醇生产成本的必要条件。目前辐照预处理后的木质纤维素都是在较低底物浓度下进行酶 解，不能获得高浓度糖，因此本发明以射线辐照预处理的木质纤维素为原料，利用分批补料 和分批补加纤维素酶的方法提高辐照预处理木质纤维素酶解体系的底物浓度，从而获得高 浓度还原糖的酶水解液。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种操作简单、清洁无污染、可在常温和常压下进行、无物料 损失、效果显著的射线辐照预处理的原料高底物浓度、产高浓度还原糖的木质纤维素酶水 解的方法。
[0007] -种辐照预处理和分批补料实现木质纤维素高底物浓度酶水解的方法，以木质纤 维素为原料，经射线辐照预处理，采用分批补料和分批补加纤维素酶，使原料进行酶水解， 从而获得高浓度还原糖的酶水解液；
[0008] 分批补料和分批补加纤维素酶步骤为：
[0009] (1)将木质纤维素原料按照起始质量浓度为18%添加至PH4. 8的醋酸-醋酸钠缓 冲液中，添加45FPU/g底物的纤维素酶，在pH4. 8,温度为50°C和转速130~160rpm条件下， 酶水解12h ;
[0010] ⑵补加木质纤维素原料，使得处理的底物质量浓度达到24%，同时按45FPU/g增 加的底物添加纤维素酶，酶水解至36h ;
[0011] (3)补加木质纤维素原料，使得处理的底物质量浓度达到30%，同时按45FPU/g增 加的底物添加纤维素酶，酶水解至60h ;
[0012] (4)补加木质纤维素原料，使得处理的底物质量浓度达到36%，同时按45FPU/g增 加的底物添加纤维素酶，继续水解到144h，获得水解液中高浓度还原糖达200g/L以上。
[0013] 所述的木质纤维素原料是主要成分为纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物或 速生能源作物。可选用玉米秸杆、水稻秸杆、油菜秸杆、芦苇秸杆和芒草秸杆中的一种或几 种。
[0014] 所述的射线辐照预处理是将木质纤维素晒干或烘干，水分含量< 10%，放置辐照 箱中，用6°C〇- y射线进行辐照预处理，辐照剂量率为2kGy/h，处理剂量为1000~1200kGy。 将射线辐照预处理的木质纤维素粉碎过20目筛，获得木质纤维素原料。
[0015] 本发明的有益效果：射线辐照预处理技术具有操作简单、清洁无污染、可在常温和 常压下进行、无物料损失，效果显著等优势，处理后的木质纤维素可直接进行酶水解，无需 脱毒，工艺简单，节约成本。将射线辐照预处理和分批补料及补加纤维素酶耦合工艺对木质 纤维素进行降解，分批往体系中补加底物和纤维素酶可以降低反应体系的粘度，有利于体 系的传质与传热，可极大地提高酶解反应体系的木质纤维素底物浓度，使得处理的底物浓 度高达36%，获得的酶水解液中高浓度还原糖为200g/L以上，达到了国内外先进水平。木 质纤维素高浓度还原糖酶水解液的获得可提高后期乙醇高浓度发酵并降低乙醇蒸馏能耗， 从而降低纤维燃料乙醇的生产成本。
【附图说明】
[0016] 图1为射线辐照对木质纤维素生化组分变化的影响；
[0017] 图2为玉米和芒草秸杆辐照处理前后酶解产糖得率；
[0018] 图3为初始底物浓度对酶水解产糖的影响；
[0019] 图4为纤维素酶添加量对酶水解产糖的影响；
[0020] 图5为12h和36h分批补料6% (处理的底物浓度达30% )酶水解糖化反应；
[0021] 图6为12h、36、60h分批补料6% (处理的底物浓度达36% )酶水解糖化反应。
【具体实施方式】
[0022] 以下实施例是对本发明的进一步说明，但本发明不限于此。
[0023] 实施例1
[0024] 射线辐照对木质纤维素生化组分和酶水解产糖的影响
[0025] 1.射线辐照对木质纤维素生化组分的影响
[0026] 辐照处理可直接打断木质纤维素分子链，降低其聚合度，实现木质纤维素的降 解。将木质纤维素材料晒干或烘干，水分含量< 10%，打捆放置辐照箱中，在实验条件下用 6°C〇-y射线进行辐照预处理，辐照剂量率为2kGy/h，处理剂量为400~1200kGy，将射线辐 照预处理的木质纤维素材料粉碎过20目筛，获得木质纤维素原料。如图1中的生化组分 含量变化结果所示，随着辐照剂量的升高，稻草和玉米秸杆中纤维素、半纤维素和木质素的 组分含量逐渐减小，说明主要生化组分均发生了降解。经1200kGy剂量处理后，稻草和玉米 秸杆中的纤维素降解率分别为26. 1%和29. 3% ;而半纤维素的降解则更加剧烈，半纤维素 降解率分别为77. 8%和78. 1%，这是由于半纤维素的低聚合度属性更容易遭受降解所致； 木质素降解率均大于10%，木质素的脱除将促进酶水解产糖得率的提高。
[0027] 2.射线辐照对木质纤维素酶水解产糖的影响
[0028] 经射线辐照处理后，木质纤维素材料形态结构、分子结构、超分子结构均发生显著 改变，可极大提高纤维素酶水解反应效率。辐照处理前后芒草和玉米秸杆批式酶解产糖得 率如图2所示，经1200kGy剂量射线辐照预处理的芒草和玉米秸杆，纤维素酶水解产还原糖 得率可分别达到398. lmg/g和405. 5mg/g，与未经辐照处理相比，可使酶解产还原糖得率分 别提高了 7. 1和6. 5倍，说明射线辐照预处理可极大提高木质纤维素酶水解产糖效率。
[0029] 实施例2