一种生物质高固酶解过程中产物葡萄糖抑制的解决方法
阅读说明：本技术 一种生物质高固酶解过程中产物葡萄糖抑制的解决方法 (Solution method for product glucose inhibition in biomass high-solid enzymolysis process ) 是由 胡昌辉 王静 曾徐浩 罗家星 李勉 杨武龙 孟祥翔 甄妮 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种生物质高固酶解过程中产物葡萄糖抑制的解决方法,将粉碎后的木质纤维类生物质和PEG、硫酸镁混合溶液混合,获得高固酶解体系；再于高固酶解体系中加入纤维素酶液,进行酶解；酶解结束后,酶解液静置分离为两相,上相液体通过超滤膜超滤得高浓度葡萄糖溶液,下相液体离心,沉淀为不溶性废渣,上清为低浓度葡萄糖溶液和可回收纤维素酶。在高固酶解体系中,本发明方法可以在酶解过程中,将葡萄糖和反应相(木质纤维素类生物质和纤维素酶)分开,避免了高固酶解后期葡萄糖的积累抑制纤维素酶活性,提高整体酶解效率和转化率。(The invention discloses a solution for inhibiting glucose in a product in a biomass high-solid enzymolysis process, which comprises the steps of mixing crushed wood fiber biomass with a mixed solution of PEG and magnesium sulfate to obtain a high-solid enzymolysis system; adding cellulase liquid into the high-solid enzymolysis system for enzymolysis; after enzymolysis is finished, standing and separating the enzymolysis liquid into two phases, ultrafiltering the upper phase liquid through an ultrafiltration membrane to obtain a high-concentration glucose solution, centrifuging the lower phase liquid to precipitate insoluble waste residues, and collecting the supernatant which is the low-concentration glucose solution and the recyclable cellulase. In a high-solid enzymolysis system, the method can separate glucose from a reaction phase (lignocellulose biomass and cellulose) in the enzymolysis process, so that the accumulation of glucose in the later stage of high-solid enzymolysis is avoided, the activity of the cellulose is inhibited, and the overall enzymolysis efficiency and the conversion rate are improved.)
技术领域
本发明涉及一种生物质酶解技术领域，具体涉及一种生物质高固酶解过程中产物葡萄糖抑制的解决方法。
背景技术
我国是农业大国，每年产生大量秸秆、玉米芯等木质纤维素类生物质废弃物，目前处理这些废弃物的主要方法是焚烧。木质纤维素类生物质中主要成分为纤维素、半纤维素、木质素以及少量的灰分，其中纤维素组分可以通过纤维素酶酶解糖化得到葡萄糖。
目前，木质纤维素类生物质中纤维素酶解产葡萄糖工艺的主要研究方向是提高酶解体系的高固含量，高固酶解有以下优点：①提高产物葡萄糖的浓度，减少后续浓缩工艺成本，为后续单糖发酵等工艺打基础；②减少在酶解过程中的水耗、能耗，同时提高酶解工艺时空效率。
高固酶解工艺的开发也有许多瓶颈之处，其中最主要的一个难题是葡萄糖产物对纤维素酶蛋白活性抑制的问题，即产物抑制。高固酶解过程中，特别是酶解后期，释放的单体葡萄糖浓度升高，对纤维素酶的活性抑制更强，这种情况会导致整体酶解效率降低，酶解纤维素转化效率下降。目前，为了克服酶解过程中产物抑制的问题，有研究提出了一些解决方案。例如同步糖化发酵（SSF），在葡萄糖被酶解释放的过程中即被微生物发酵为乙醇，从而缓解产物抑制。但是，由于糖化温度通常比发酵的温度高，同步糖化发酵工艺不能兼顾酶解糖化和发酵的最佳条件，酶解和发酵效率均受到影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质高固酶解过程中产物葡萄糖抑制的解决方法，以解决现有技术的不足。
本发明采用以下技术方案：
一种生物质高固酶解过程中产物葡萄糖抑制的解决方法，将粉碎后的木质纤维类生物质和PEG、硫酸镁混合溶液混合，获得高固酶解体系；再于高固酶解体系中加入纤维素酶液，进行酶解；酶解结束后，酶解液静置分离为两相，上相液体通过超滤膜超滤得高浓度葡萄糖溶液，下相液体离心，沉淀为不溶性废渣，上清为低浓度葡萄糖溶液和可回收纤维素酶。
进一步地，PEG、硫酸镁混合溶液由PEG溶液和硫酸镁溶液按体积比1:2~2:1混合配制，PEG溶液浓度为10wt%~25wt%，PEG溶液所用PEG的聚合度为2000~6000，硫酸镁溶液浓度为10wt%~25wt%。
进一步地，PEG溶液浓度为20wt%，PEG溶液所用PEG的聚合度为6000，硫酸镁溶液浓度为15wt%。
进一步地，高固酶解体系中木质纤维素类生物质干基含量为15wt%~20wt%。
进一步地，高固酶解体系pH值为5.5~6.0。
进一步地，木质纤维类生物质包括玉米芯、木糖渣、秸秆中的一种或几种，粉碎后的木质纤维素类生物质在10目以下。
进一步地，纤维素酶液加入量为木质纤维素类生物质干基量的4wt%~6wt%，纤维素酶液中酶蛋白浓度为195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g。
进一步地，于45℃~50℃、搅拌速度50rpm~200rpm条件下酶解48h~96h。
进一步地，酶解液静置1h~2h分离为两相。
进一步地，上相液体通过截留分子量3kDa~10kDa的超滤膜超滤得高浓度葡萄糖溶液。
本发明的有益效果：
1、在高固酶解体系中，本发明方法可以在酶解过程中，将葡萄糖和反应相（木质纤维素类生物质和纤维素酶）分开，避免了高固酶解后期葡萄糖的积累抑制纤维素酶活性，提高整体酶解效率和转化率。
2、本发明方法可以在酶解过程中，将葡萄糖和纤维素酶蛋白有效分离，从而可以简单地回收并重新利用纤维素酶蛋白。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图；
图2为实施例1不同两相体系葡萄糖浓度；
图3为实施例1不同两相体系纤维素酶蛋白浓度；
图4为实施例2酶解液葡萄糖量变化曲线；
图5为单相体系和两相体系酶解效果对比。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种生物质高固酶解过程中产物葡萄糖抑制的解决方法，如图1所示，包括如下步骤：
1、将粉碎后的木质纤维类生物质和PEG、硫酸镁混合溶液于反应器中混合，获得高固酶解体系。其中，木质纤维类生物质包括玉米芯、木糖渣、秸秆中的一种或几种，但不限于此，粉碎后的木质纤维素类生物质优选在10目以下（图1中以玉米芯废渣为例）；PEG、硫酸镁混合溶液由PEG溶液和硫酸镁溶液按体积比1:2~2:1混合配制，PEG溶液浓度为10wt%~25wt%，优选为20wt%，PEG溶液所用PEG的聚合度可以为2000~6000，优选为6000，硫酸镁溶液浓度为10wt%~25wt%，优选为15wt%；高固酶解体系中木质纤维素类生物质干基含量为15wt%~20wt%，高固酶解体系pH值为5.5~6.0，利用盐酸溶液和氢氧化钠溶液调节pH值。
2、再于高固酶解体系中加入纤维素酶液，于45℃~50℃、搅拌速度50rpm~200rpm条件下酶解48h~96h。其中，纤维素酶液加入量为木质纤维素类生物质干基量的4wt%~6wt%，纤维素酶液中酶蛋白浓度为195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g。
3、酶解结束后，酶解液静置1h~2h分离为清晰的两相，上相液体通过截留分子量3kDa~10kDa的超滤膜超滤得高浓度葡萄糖溶液，下相液体离心，沉淀为不溶性废渣，上清为低浓度葡萄糖溶液，并含有可回收纤维素酶。
以下实施例涉及的纤维素酶液酶蛋白浓度195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g，诺维信Novozymes Cellic CTec2。
实施例1：不同两相体系对葡萄糖的分配比例和纤维素酶蛋白的分配比例的影响
改变PEG聚合度，改变PEG溶液浓度和硫酸镁溶液浓度，设计不同两相体系。
表1：不同两相体系
将100g葡萄糖和4g纤维素酶液混合物加入到体积1L的不同的两相体系中，搅拌混合均匀，静置1h，待体系分离后，上相体积0.46L，下相体积0.56L，分别取上相液体和下相液体测量葡萄糖和纤维素酶蛋白浓度。结果如图2和3所示。
结果：不同两相体系中葡萄糖和纤维素酶蛋白的上下两相配比不一样，总体而言，葡萄糖在上相占比多于下相，反之蛋白上相少于下相。其中A3体系葡萄糖和纤维素酶蛋白分离效果最好。
实施例2：本发明方法在酶解过程中防止葡萄糖产物抑制
21、本实施例将两相酶解工艺和传统直接酶解工艺进行对比，以纤维素为原料，分析两相酶解工艺在防止葡萄糖产物抑制方面的作用。
22、配置两相体系，配置20wt%浓度PEG6000溶液和15wt%硫酸镁溶液，以1：1体积混合，配置成两相体系B0。
23、两相酶解：取15g纤维素，加入100g两相体系B0，加入10g葡萄糖，利用0.1mol/L氢氧化钠溶液和0.1mol/L盐酸溶液维持体系pH为5.5~6.0，加入0.62g的纤维素酶液，控制温度45℃~50℃，在搅拌条件（180rpm~200rpm）下酶解72h，每隔12h取样测定上相和下相葡萄糖浓度并统计整体葡萄糖量。
24、单相酶解：取15g纤维素，加入100g水，加入10g葡萄糖，利用0.1mol/L氢氧化钠溶液和0.1mol/L盐酸溶液维持体系pH为5.5~6.0，加入0.62g的纤维素酶液，控制温度45℃~50℃，在搅拌条件（180rpm~200rpm）下酶解72h，每隔12h取样测定酶解葡萄糖量。
25、两种酶解方法，酶解液葡萄糖量变化曲线如图4所示。结果：在含有葡萄糖的情况下，两相酶解方法葡萄糖产生量比单相酶解更多，速度更快。
实施例3：本发明方法的酶解葡萄糖释放量（15wt%干基）
31、配置两相体系，配置20wt%浓度PEG6000溶液和15wt%硫酸镁溶液，以1：1体积
混合，配置成两相体系B1。
32、取含有15.4g干基含量的玉米芯废渣原料，加入85g两相体系B1，利用0.1mol/L氢氧化钠溶液和0.1mol/L盐酸溶液维持体系pH为5.5~6.0，加入0.62g的纤维素酶液，控制温度45℃~50℃，在搅拌条件（180rpm~200rpm）下酶解72 h。
33、待酶解结束后，酶解液静置1h，酶解液分离为清晰的两相，上相体积为48mL，下相56mL，取上相测定葡萄糖浓度为133.5g/L，下相葡萄糖浓度为45.7g/L，葡萄糖转化率达到88.3%。
34、上相液体通过10kDa孔径的超滤膜进行超滤，得到35mL葡萄糖溶液，浓度为170.3g/L。
实施例4：本发明方法的酶解葡萄糖释放量（15wt%干基）
41、配置两相体系，配置20wt%浓度PEG6000溶液和15wt%硫酸镁溶液，以1：1体积混合，配置成两相体系B2。
42、取含有15.3g干基含量的玉米芯废渣原料，加入86g两相体系B2，利用0.1mol/L氢氧化钠溶液和0.1mol/L盐酸溶液维持体系pH为5.5~6.0，加入0.63g的纤维素酶液，控制温度45℃~50℃，在搅拌条件（180rpm~200rpm）下酶解72h。
43、待酶解结束后，酶解液静置1h，酶解液分离为清晰的两相，上相体积为49mL，下相56mL，取上相测定葡萄糖浓度为131.5g/L，下相葡萄糖浓度为44.7g/L，葡萄糖转化率达到87.7%。
44、上相液体通过10kDa孔径的超滤膜进行超滤，得到35mL葡萄糖溶液，浓度为167.8g/L。
实施例5：本发明方法的酶解葡萄糖释放量（20wt%干基）
51、配置两相体系，配置20wt%浓度PEG6000溶液和15wt%硫酸镁溶液，以1：1体积混合，配置成两相体系B3。
52、取含有20.3g干基含量的玉米芯废渣原料，加入80g两相体系B3，利用0.1mol/L氢氧化钠溶液和0.1mol/L盐酸溶液维持体系pH为5.5~6.0，加入0.82g的纤维素酶液，控制温度45℃~50℃，在搅拌条件（180rpm~200rpm）下酶解72h。
53、待酶解结束后，酶解液静置1h，酶解液分离为清晰的两相，上相体积为48mL，下相59mL，取上相测定葡萄糖浓度为161.1g/L，下相葡萄糖浓度为55.5g/L，葡萄糖转化率达到81.2%。
54、上相液体通过10kDa孔径的超滤膜进行超滤，得到35mL葡萄糖溶液，浓度为190.3g/L。
实施例6：本发明方法的酶解葡萄糖释放量（20wt%干基）
61、配置两相体系，配置20wt%浓度PEG6000溶液和15wt%硫酸镁溶液，以1：1体积混合，配置成两相体系B4。
62、取含有20.1g干基含量的玉米芯废渣原料，加入81g两相体系B4，利用0.1mol/L氢氧化钠溶液和0.1mol/L盐酸溶液维持体系pH为5.5~6.0，加入0.82g的纤维素酶液，控制温度45℃~50℃，在搅拌条件（180rpm~200rpm）下酶解72h。
63、待酶解结束后，酶解液静置1h，酶解液分离为清晰的两相，上相体积为49mL，下相60mL，取上相测定葡萄糖浓度为160.5g/L，下相葡萄糖浓度为54.8g/L，葡萄糖转化率达到83.2%。
64、上相液体通过10kDa孔径的超滤膜进行超滤，得到35mL葡萄糖溶液，浓度为188.3g/L。
实施例7：本发明方法和单相酶解方法效果对比
71、收集实施例3~6的数据，统计15wt%干基和20wt%干基条件下葡萄糖转化率情况。
72、取15g干基含量的玉米芯废渣原料（15wt%干基），加入水至整体为100mL，利用0.1mol/L氢氧化钠溶液和0.1mol/L盐酸溶液维持体系pH为5.5~6.0，加入0.62g纤维素酶液，控制温度45℃~50℃、搅拌条件（180rpm~200rpm）下酶解72h，测定葡萄糖浓度，平行做3批。
73、取20g干基含量的玉米芯废渣原料（20wt%干基），加入水至整体为100mL，利用0.1mol/L氢氧化钠溶液和0.1mol/L盐酸溶液维持体系pH为5.5~6.0，加入0.81g纤维素酶液，控制温度45℃~50℃、搅拌条件（180rpm~200rpm）下酶解72h，测定葡萄糖浓度，平行做3批。
74、统计葡萄糖转化率，结果如图5所示。结果：利用两相酶解体系，15wt%干基条件下，比正常酶解体系葡萄糖转化率提高了7%，在20wt%干基条件下，葡萄糖转化率提高了19%。因此，在高固酶解条件下，利用两相酶解体系可以有效降低葡萄糖对纤维素酶的抑制作用，提高酶解转化率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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