酶解装置和包括该酶解装置的酶解系统以及含纤维素原料的酶解方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种酶解装置和包括该酶解装置的酶解系统以及一种含纤维素原料 的酶解方法。
【背景技术】
[0002] 现有技术的含纤维素原料的酶解工艺通常采用搅拌式间歇操作，在水的存在下， 将含纤维素原料与酶同时加入酶解反应器中、在调节到适当的pH值下混合反应，维持反应 条件酶解至终点。在酶解之前，需要将含纤维素原料进行预处理，使含纤维素原料中的纤维 素裸露出来，以增加酶与纤维素的接触面积。
[0003] 采用现有技术的方法对含纤维素原料进行预处理会给后续的酶解过程带来一系 列的问题，例如，将经过预处理的，特别是经过蒸汽爆破预处理的物料一次性加入搅拌式反 应器中与水充分混合后，加入酶进行酶解反应时，由于预处理后的含纤维素原料颗粒变小， 物料间易粘连团聚，使得在酶解阶段，酶仅能够与粘连成团的物料的表面接触，而不能与团 块状或者粒状物料的内部接触，使得酶很难与物料混合均匀，因而造成酶的利用效率低下， 酶解效果差、产糖效率不高。此外，酶在不同温度下稳定性不同，酶在保存温度下半衰期较 长，在较高的反应温度（如50°C)下半衰期会明显缩短，纤维素酶等酶在较高反应温度下半 衰期的缩短，进一步加剧了酶反应效率的降低。再者，将经过酶解的酶解产物返混入一次性 加入搅拌式酶解反应罐的经预处理后的物料（蒸汽爆破产物）中，并加入纤维素酶进行酶 解的方法虽然可以在一定程度上提高酶解的效果，但是由于酶解产物出料量减少，酶解的 相对周期会延长。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术的含纤维素原料的酶解方法中，酶的利用效率 低下，酶解效果差、产糖效率不高的缺陷，而提供一种酶解装置和包括该酶解装置的酶解系 统以及一种含纤维素原料的酶解方法，采用包括所述酶解装置的酶解系统进行含纤维素原 料酶解的方法可以有效提升酶的利用率，提高酶解效率和单糖产量。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供一种酶解装置，其中，所述酶解装置包括罐体、包 覆在罐体外周的设置有入口和出口的夹套和设置在所述罐体内的搅拌轴以及隔板，所述隔 板沿着罐体高度方向上将罐体分隔成多个酶解空间，且隔板上具有能够使被隔板分隔的相 邻两个酶解空间相连通的通孔，在被隔板分隔的每个酶解空间中的搅拌轴部分的长度方向 上均设置有搅拌器，所述酶解装置还包括与罐体相通的含纤维素原料入口、酶入口和物料 出口。
[0006] 本发明还提供了一种酶解系统，所述酶解系统包括主酶解装置和间歇酶解装置， 所述主酶解装置的出料口与所述间歇酶解装置的进料口连通，其中，所述主酶解装置为本 发明提供的酶解装置。
[0007] 本发明还提供了一种含纤维素原料的酶解方法，该方法包括将含纤维素原料酶 解，得到酶解产物，酶解体系中的水分在酶解混合物中的含量保持在50-85重量％，将含纤 维素原料酶解的过程分多阶段进行，所述多阶段包括主酶解阶段和主酶解阶段以后的间歇 酶解阶段，其中，所述酶解在本发明所述的酶解系统中进行，其中，所述主酶解阶段在主酶 解装置中进行，所述间歇酶解阶段在间歇酶解装置中进行。
[0008] 虽然本领域技术人员认为酶制剂的作用会实现物料黏度的降低，但是实现含纤维 素原料的连续高效的黏度降低，并将含纤维素原料高效率的降解为微生物可利用的单糖是 具有难度的；而本发明的发明人发现，物料的黏度与酶解的效率存在直接联系。
[0009] 在本发明中，所述主酶解阶段是在本发明所提供的酶解装置中进行的，在上述主 酶解装置中能够在酶解体系中水分含量保持一定范围内的情况下（即，在酶解过程中，只 将经过预混合处理的含纤维素原料与酶混合，而无需加入水或者含水混合物），实现干物料 与酶的连续混合酶解，使得含纤维素原料与酶的混合物沿罐体的高度方向从上到下依次从 被隔板分隔的每个酶解空间经过而进行多阶段酶解的过程中，酶解产物的粘度和平均粒径 逐渐降低，解决了由于酶解过程的黏度过大造成的粘连、混合难的技术问题；同时，可溶性 寡糖，如木寡糖、葡寡糖、纤维二糖；单糖，如葡萄糖、木糖的浓度逐渐上升，实现了在有效控 制酶解广物的粘度、颗粒大小的如提下不断提1?募糖和单糖的含量，而进一步提1? 了广糖 效率。在本发明中，酶、物料与所述酶解装置之间的交互作用是降低酶解产物黏度的主要因 素。在本发明所述的酶解系统，特别是本发明提供的酶解装置中进行主酶解工艺的实施方 案，可以充分实现酶解装置与物料的相互作用，创造了黏度降低的环境，提高了酶解效率； 相对于返混的工艺，缩短了周期；并能够实现含纤维素原料酶解过程的连续进出料，从而降 低了在生产过程中的操作强度。
[0010] 本发明的其它特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0011] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具 体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0012] 图1是本发明提供的主酶解装置2的结构示意图；
[0013] 图2是本发明提供的酶解系统3的示意图。
[0014] 附图标记说明
[0015] 2主酶解装置 21罐体 22搅拌轴
[0016] 23隔板 24涡轮式搅拌器
[0017] 25旋桨式搅拌器 26含纤维素原料入口 27酶入口
[0018] 28物料出口 29补充酶入口；
[0019] 4间歇酶解装置。
【具体实施方式】
[0020] 以下对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体 实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0021] 在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如"上"、"下"通常是指附图 中所示的罐体21的高度方向的上和下；"内"、"外"是指主酶解装置罐体21或者间歇酶解 罐罐体的内部和外部；"轴向"指搅拌轴22的方向，"径向"指罐体的直径方向，即垂直于搅 拌轴22的方向。
[0022] 按照本发明，如图1所示，所述酶解装置包括罐体21、包覆在罐体21外周的设置有 入口和出口的夹套和设置在所述罐体21内的搅拌轴22以及隔板23,所述隔板23沿着罐体 21高度方向上将罐体21分隔成多个酶解空间，且隔板23上具有能够使被隔板23分隔的相 邻两个酶解空间相连通的通孔，在被隔板23分隔的每个酶解空间中的搅拌轴22部分的长 度方向上均设置有搅拌器，所述酶解装置还包括与罐体21相通的含纤维素原料入口 26、酶 入口 27和物料出口 28。
[0023] 按照本发明，所述隔板23的数量可以根据生产能力以及酶解效果而定，例如，所 述隔板的数量可以为2-5个，即将罐体21分隔成3-6个相互连通的酶解空间。且被隔板23 分隔的相邻两个酶解空间的容积比为〇. 5-2. 5,优选，优选相邻两个酶解空间的容积比为 1.3-1. 8,以进一步保证物料在每个空间中的停留时间而达到充分酶解的目的。其中，所述 隔板23的形状可以为各种适合的形状，只要能够满足沿着罐体21高度方向上将罐体21分 隔成多个酶解空间，并具有能够使被隔板23分隔的相邻两个空间相连通的通孔可以实现 将物料卸下即可，通常可以为平板。优选情况下，如图1所示，所述隔板23为倒置的锥板， 更优选，该锥板的锥角ct为大于或等于60°至小于180°，优选为60-150°。其中，所述锥 板的设置在于增强物料、酶与酶解装置间的相互作用。
[0024] 优选情况下，为了便于安装，每个隔板23的中心部分均设置有通孔，使得搅拌轴 22可以穿过通孔，沿着罐体21的轴向方向延伸至罐体21的底部，且隔板23中心的通孔的 孔径大于搅拌轴22的外直径，以保证搅拌轴22的顺利转动。隔板23上的用于卸料的通孔 的分布没有特别限制，只要能够使物料在空间中有一定的停留时间并能够保证将物料卸下 到下一层空间中即可，但是，按照本发明的一个优选的实施方式，为了保证当含纤维素的原 料与酶的混合物的充分酶解，优选，同一隔板上分布的通孔大小相同，且沿着罐体21的高 度方向由上向下分布的隔板23上的通孔孔径依次减小，且通孔以均匀分布的形式分布在 整个隔板上。优选，隔板23上的通孔的孔隙率为10-90 %，进一步优选为10-50 %，孔直径大 小为〇. 1-2毫米，进一步优选为0. 1-0. 8毫米。其中，所述通孔的形状可以为规则多边形， 如正方形、长方形、菱形、梯形；不规则多边形、圆形、椭圆形等，可以是其中一种形状也可以 是多种形状的组合，优选为圆形。
[0025] 此外，隔板23的安装方法可以采用现有技术公知的方法，例如，通过焊接的方法 将隔板23的外周壁固定在所述罐体21内壁上。
[0026] 进一步优选，为了便于实现优选连续进行的主酶解阶段的酶解，所述含纤维素原 料入口 26和酶入口 27设置在罐体21的顶部，所述物料出口 28设置在罐体21的底部。
[0027] 按照本发明，为了使得含纤维原料在被隔板23分隔的每个酶解空间中均能够充 分与酶混合，在被隔板23分隔的每个酶解空间中的搅拌轴22部分的长度方向上均设置有 搅拌器，优选情况下，设置在搅拌轴22下端的搅拌器为涡轮式搅拌器24,如斜叶圆盘涡轮 式搅拌桨、后弯叶圆盘涡轮搅拌桨、六直叶开启涡轮搅拌桨或四斜叶开启涡轮式搅拌桨中 的一种。设置在该涡轮式搅拌器上方的其它搅拌器为旋桨式搅拌器25,如锚式搅拌桨、锚框 式搅拌桨或螺杆螺带桨。采用上述优选实施方式，可以实现针对不同粘度的物料来提供更 佳的搅拌效果，以进一步提高酶解效率。
[0028] 本发明提供的所述酶解系统包括主酶解装置2和间歇酶解装置4,所述主酶解装 置2的出料口与所述间歇酶解装置4的进料口连通，其中，所述主酶解装置为本发明上述的 酶解装置。
[0029] 本发明提供的含纤维素原料的酶解方法包括将含纤维素原料酶解，得到酶解产 物，其中，酶解体系中的水分在酶解混合物中的含量保持在50-85重量％，也即，将含纤维 素原料酶解的过程在不额外加入水的条件下进行，将含纤维素原料酶解的过程分多阶段进 行，所述多阶段包括主酶解阶段和主酶解阶段以后的间歇酶解阶段，其中，所述酶解在本发 明上述的酶解系统中进行，其中，所述主酶解阶段在主酶解装置2中进行，所述间歇酶解阶 段在间歇酶解装置4中进行。
[0030] 按照本发明，在主酶解阶段中，将含纤维素原料间歇或连续地，优选连续地引入罐 体21中以及将酶间歇或连续地，优选连续地引入罐体21中之前、同时或之后启动搅拌轴 22,使搅拌轴22带动搅拌器转动，在搅拌下，使得含纤维素原料与酶的混合物沿罐体1的高 度方向从上到下依次从被隔板23分隔的每个酶解空间经过，经过多阶段的酶解之后，将酶 解产物从罐体21中排出，使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中可溶性寡糖以最终降 解为单糖含量计为10_150g/L，单糖的含量为10-100g