双体循环纤维素酶解反应器及其应用制造技术

本发明专利技术提供了双体循环纤维素酶解反应器及其应用。具体地，本发明专利技术提供一种纤维素酶解反应器，它包括：(a)第一反应罐，包括：罐本体，位于罐本体内的剪切均质器，用于添加进料的入口，以及用于排出物料的出口；(b)第二反应罐，包括2个以上的串联或并联的反应管；(c)连接第一反应罐和第二反应罐的管道；(d)连接第二反应罐中各管体的管道。本发明专利技术的酶解反应器对麻韧皮纤维等纤维素进行酶解糖化时，具有高转化率、高浓度、低转化时间、低酶制剂消耗等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新能源领域，更具体地，涉及以植物纤维素为原料的酶解糖化领域。本专利技术提供了以麻类作物韧皮纤维为原料、高效酶解的双体循环纤维素酶解反应器及其应用。
技术介绍
目前，人类对能源的需求非常大，但石油等资源属于不可再生的资源，因此人们大力开发各种新型能源。乙醇既可以单独燃烧，又可以作为一种良好的汽油增氧剂和高辛烷值调和组分， 已被公认为是最有发展前景的可再生清洁能源之一。它的生产和应用在国际上已呈高速发展趋势，燃料乙醇产业已成为各国政府解决石油资源短缺问题，保护城市大气环境质量和调控农产品供需矛盾的重要政策手段和经济杠杆。据估计，我国燃料乙醇需求量保守估计每年也将达500万吨。当前的乙醇发酵工业主要以淀粉质的玉米、小麦等粮食作物为原料，与人畜争粮， 且原料成本在生产总成本中比例很高。受粮食资源不足的制约，目前，以粮食为原料的生物质燃料生产已不具备再扩大规模的资源条件。而将天然纤维素材料通过生物法转化为燃料乙醇，不仅能为人类提供数量可观、经济可行的新型能源，而且可在很大程度上减轻农业废弃物对生态环境造成的污染，具有重要的经济和生态意义。利用天然纤维素材料生产燃料乙醇的关键，是把纤维素水解为可发酵糖，即完成纤维素材料的酶解糖化过程。纤维素是植物细胞壁中最主要的成分，是由8000 12000个β -D-吡喃葡萄糖单体以β-1，4-糖苷键连接而成的线性长链大分子，其葡萄糖亚基排列紧密。同时，存在分子间排列不整齐的无定形区域。纤维素通常被半纤维素，木质素所包围，形成更难分解的复合物。因此，纤维素不溶于水，难以水解。水解纤维素可以采取化学或生物的方法。生物法即酶水解过程具有反应条件温和，副产物少或无副产物的特点，被认为是最有希望的工艺。近二十年来，将酶解纤维素生成的糖作为发酵生产中的发酵糖，进而生产乙醇的微生物发酵法，得到了世界各国生物学家的青睐。通过生物转化天然纤维素材料最终生成乙醇的工艺因其成本低、设备简单、环保而具有良好的发展前景。纤维素酶降解纤维素的过程是从它吸附到纤维素上开始的，这个降解过程可以是单一酶的作用，如热纤梭菌中存在一种多种组分结合形成的纤维素酶复合体；也可以是多种酶协同完成的。鉴于纤维素结构的复杂性，在真菌中，没有任何一种酶能将纤维素彻底水解。不管是在纤维素酶复合体中，还是真菌体内，纤维素的降解需要多种酶组分的协同作用。真菌通过分泌到胞外的游离纤维素酶，以水解酶机制降解纤维素；而细菌纤维素酶则是以形成多酶复合体结构而起作用。目前，最为广泛接受的纤维素酶解机制是内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和葡萄糖苷酶的协同作用机制。这个机制的主要内容是葡聚糖内切酶随机水解纤维素分子链内部的β_葡聚糖苷键，形成新的链末端；外切葡聚糖苷酶从纤维素分子链一端开始，连续切下并释放可溶性纤维二糖；β-葡萄糖苷酶将中间产物-纤维二糖和纤维寡糖水解成小分子糖，从而解除它们对内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的产物抑制作用。这三个水解过程可同时进行，将纤维素完全降解成为葡萄糖。天然纤维素材料的结构非常复杂，主要是纤维素的高度结晶性和木质化，阻碍了酶与纤维素的接触，使其难以直接被生物降解。目前，对大多数天然纤维素材料来说，如果没有经过适当预处理，直接进行酶促水解，酶解率一般都非常低(< 20% )。酶法发酵生产乙醇的方法有直接发酵法、间接发酵法、混合菌种发酵法、同步糖化发酵法、非等温同步糖化发酵法(NSSF)、固定化细胞发酵法等。其中，同步糖化发酵法因省时、高效、经济等优点，成为生物乙醇转化的常用方法。一类现有的生产燃料乙醇的方法是用以农作物秸杆为代表的木质纤维素原料生产燃料乙醇。然而秸杆作为农业废弃物分布分散，且比容很低，造成收集、运输困难，增加了原料成本。通常需要6-7吨秸杆才能生产I吨乙醇，原料成本对总成本就有很大影响。麻类作物的韧皮纤维也是一类纤维素含量非常高的原料，因而麻韧皮纤维有可能成为未来新能源、新聚合材料及其制品的重要原料。另外，某些麻类作物不仅可生长在盐碱地、荒漠地等未利用土地，而且生长迅速，产量高，适合产业化。例如，红麻是一种适应性很强的速生高产作物，茎杆高约1.5-3. 5米，直径约1-3厘米。5-7个月就可以收获，产量为 16-20t/hm2。然而，由于麻韧皮纤维的结晶度、聚合度、趋向度都较其他生物质(如淀粉)高很多，因此，以葡萄糖为转化目标物(或其他单体)的酶解过程相当困难。目前尚没有令人满意的、高效的、耗时短且酶耗低的对麻韧皮纤维进行酶解糖化的设备和工艺。因此，本领域迫切需要开发对高效地对麻韧皮纤维进行酶解糖化的设备和工艺。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种高效的、耗时短和/或酶耗低的对麻韧皮纤维进行酶解糖化的设备和工艺。在本专利技术的第一方面，提供了一种纤维素酶解反应器，其特征在于，包括(a)第一反应罐，所述的第一反应罐包括罐本体，位于罐本体内的剪切均质器， 用于添加进料的入口，以及用于排出物料的出口 ；(b)第二反应罐，所述的第二反应罐包括2个以上的串联或并联的反应管，各反应管包括管体、位于管体内的旋转轴和搅拌叶轮、进料口、出料口、以及位于管体外侧的保温层；还包括带动管体内的旋转轴转动的马达；(C)连接第一反应罐和第二反应罐的管道，所述的管道包括将第一反应罐处理过的物料输送到第二反应罐的管道，以及将第二反应罐处理过的物料输送到第一反应罐的管道，其中所述的各管道可配有任选的管道泵；(d)连接第二反应罐中各管体的管道，其中所述的各管道可配有任选的管道泵。在另一优选例中，所述的剪切均质器是高速剪切均质器。在另一优选例中，所述的第二反应罐的位于管体内的旋转轴可提供50_300rpm，较佳地为100-250rpm的转速。在另一优选例中，所述的第二反应罐的位于管体内的旋转轴和搅拌叶轮是一体的。在另一优选例中，所述的第二反应罐内的旋转轴装有与顺流方向呈螺旋角为 15-45°的叶片。在另一优选例中，所述的第二反应罐体长径比为I : O. 5 I : 0.1，较佳地为 I O. 25。在另一优选例中，所述的第一反应罐和/或第二反应罐的各管体还设有测温口。在另一优选例中，所述的第一反应罐还具有位于罐本体外侧的保温层。在另一优选例中，所述的第一反应罐的长径比为I : O. 7 I : O. 3，较佳地为 I : O. 5。在另一优选例中，所述的第一反应罐和/或第二反应罐是立式或卧式反应罐。较佳地，第二反应罐为卧式反应罐。在另一优选例中，所述的位于第一反应器中剪切均质器的转速为500-4000rmp,较佳地为 1200-3000rpm。在另一优选例中,第一反应罐与第二反应罐的容积比为O. I : I至I : O. I,更佳地为I : I。其中，所述的第二反应罐的容积为各管体的总容积。在另一优选例中，所述的反应器还包括与物料出口相连的过滤器，用于过滤酶解后的物料，从而获得澄清的糖浓度高的(> 10% )酶解液。在本专利技术的第二方面，提供了一种对纤维素进行酶解糖化的方法，包括步骤(a)对纤维素原料在第一反应罐中进行剪切均质，从而形成均质化纤维素原料；(b)将均质化的纤维素原料在第二反应罐中用酶进行酶解，从而将纤维素降解为寡糖或单糖，其中所述的第二反应罐包括2个以上的串联或并联的反应管，并且在步骤(b) 中纤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张士楚，朱震黎，王恒新，王荣华，
申请(专利权)人：上海众伟生化有限公司，
类型：发明
国别省市：