專利名稱：一種生物酶降解糖化作物秸稈的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物能源工業(yè)，采用微生物、稀酸、纖維素酶和木聚糖酶降解糖化玉米芯、玉米桿和苧麻桿等作物秸稈纖維質(zhì)的新工藝。
背景技術(shù)：
1、開發(fā)利用可替代能源已勢(shì)在必行我國是能源消耗大國，僅次于美國。近年來，隨著化石燃料等不可再生資源的逐步消耗殆盡，油價(jià)高漲、資源短缺、環(huán)保壓力和經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)對(duì)能源的需要，形成了無法調(diào)和的矛盾。災(zāi)難性的能源、環(huán)境危機(jī)已成為影響國家安全與發(fā)展至關(guān)重要的戰(zhàn)略問題。因此開發(fā)利用可替代能源已勢(shì)在必行。全國九屆人大四次會(huì)議通過的《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十個(gè)五年計(jì)劃綱要》提出，要“開發(fā)燃料乙醇等石油替代品，采取措施節(jié)約石油資源”。“十五”期間，國家批準(zhǔn)河南天冠、黑龍江華潤(rùn)、吉林和安徽豐原4家燃料乙醇企業(yè)產(chǎn)能122萬噸，東北三省被列為全國燃料乙醇應(yīng)用試點(diǎn)推廣省份。
2、植物纖維質(zhì)是極為重要的能源載體目前，我國生產(chǎn)燃料乙醇的主要原料是玉米。據(jù)預(yù)測(cè)，未來幾年國內(nèi)燃料乙醇生產(chǎn)能力和需求均有提高，玉米工業(yè)消費(fèi)量將持續(xù)增加，國內(nèi)玉米供求極有可能重新出現(xiàn)缺口，并將進(jìn)一步加大和威脅到我國的糧食安全。因此，燃料乙醇原料的多樣化是國家生物能源戰(zhàn)略發(fā)展的需要。我國每年的各種農(nóng)林廢棄物和工業(yè)纖維性廢渣十億多噸，目前，這些資源不僅未得到充分開發(fā)利用，而且還造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。將玉米芯、玉米桿和苧麻桿等作物秸稈通過生物轉(zhuǎn)化得到酒精等能源物質(zhì)是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。
3、酶糖化技術(shù)是生產(chǎn)燃料乙醇的核心作物秸稈纖維質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇包括預(yù)處理、纖維素和半纖維素水解糖化和酵母發(fā)酵等環(huán)節(jié)。其中，纖維素和半纖維素水解糖化技術(shù)是制約作物纖維質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，生產(chǎn)上普遍采用的纖維素糖化方法為高溫高壓條件下的濃硫酸水解法，但該方法存在著成本高、污染嚴(yán)重等諸多問題，制約植物纖維質(zhì)的開發(fā)利用。為此，國內(nèi)外廣泛開展高活性纖維素酶菌種的選育和植物纖維質(zhì)酶水解工藝研究，并取得了一定的進(jìn)展。國外，Zomed等(1991)利用純化的β-葡萄糖苷酶和纖維素酶同時(shí)酶解纖維素，大大提高了糖化速率，幾乎使所有的纖維素都能轉(zhuǎn)化為葡萄糖；Han等(2000)利用模式菌種里氏木霉QM29414產(chǎn)生的纖維素酶對(duì)香蕉葉子進(jìn)行降解，獲得了較高的糖化率。國內(nèi)，主要在降低酶的成本，超濾膜的酶回收技術(shù)、高產(chǎn)纖維素酶菌株選育及酶的后處理技術(shù)等方面做了大量工作。張發(fā)群等(1991)糖化蔗髓時(shí)，先用10％的CaO在120℃下攪拌處理70min，再經(jīng)Trichoderma Uoningji P2菌株所產(chǎn)生的酶液進(jìn)行降解，24h后得糖率為45.3％-54.5％，全纖維素轉(zhuǎn)化率平均為73.8％；沈金龍等(2004)利用纖維素酶高產(chǎn)菌株里氏本霉突變株813A所產(chǎn)生的纖維素酶，對(duì)天然木質(zhì)纖維素的水解糖化過程進(jìn)行了研究，玉米葉和楊樹葉的水解糖化率分別達(dá)到86.12％和56.10％，酒精轉(zhuǎn)化率79.14％-72.11％。這些研究表明，利用酶法技術(shù)降解木質(zhì)纖維素，具有環(huán)境污染輕、提高糖化率和酒精轉(zhuǎn)化率等特點(diǎn)，開發(fā)前景廣闊。但有關(guān)生物酶降解糖化玉米芯、玉米桿和苧麻桿等作物秸稈纖維質(zhì)的技術(shù)國內(nèi)外未見報(bào)道。
三、擬解決的關(guān)鍵問題本發(fā)明針對(duì)生產(chǎn)上采用的纖維質(zhì)濃硫酸水解糖化方法存在的諸多問題，利用微生物和化學(xué)預(yù)處理及酶催化水解技術(shù)，提供一種微生物和化學(xué)提取、酶催化水解的作物秸稈纖維質(zhì)糖化方法。即通過微生物和稀硫酸預(yù)處理，除去纖維束間的果膠和木質(zhì)素等非纖維素物質(zhì)；纖維素酶和木聚糖酶的共同催化水解作用，可將纖維素和半纖維素降解糖化為單糖或寡糖。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有處理時(shí)間短、轉(zhuǎn)化率高和環(huán)境污染輕等特點(diǎn)。玉米芯、玉米桿和苧麻桿等作物秸稈纖維質(zhì)的總還原糖轉(zhuǎn)化率均在52％以上；木聚糖酶活性＞10000IU/ml、酸性纖維素酶活性＞3000IU/ml。
四、技術(shù)方案本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括備料、微生物預(yù)處理、稀酸預(yù)處理、復(fù)合酶降解、過濾、酸性纖維素酶降解糖化等工序。
(一)備料 玉米芯、玉米桿和苧麻桿曬干、粉碎、過20目篩，備用。
(二)微生物預(yù)處理 按“苧麻生物脫膠工藝技術(shù)與設(shè)備”-國家發(fā)明專利技術(shù)(專利號(hào)ZL95112564.8)要求進(jìn)行，浸泡接種時(shí)添加0.5‰(對(duì)水)的尿素，濕潤(rùn)發(fā)酵6-8小時(shí)。
(三)稀酸預(yù)處理 H2SO4濃度5％±0.5％(對(duì)原料)、浴比(W/W)1∶10、溫度100℃±1.0℃、反應(yīng)時(shí)間7.0h±0.5h。
(四)復(fù)合酶水解糖化 木聚糖酶與酸性纖維素酶混合配比為1∶1.5-2，木聚糖酶濃度5％(對(duì)原料)，酸性纖維素酶濃度7.5％-10％(對(duì)原料)，浴比(W/W)1∶13-15，pH值5.0±0.5，MgSO4.7H2O的濃度為0.5‰，溫度為50℃±5℃，酶催化反應(yīng)時(shí)間5.0h±0.5h。
(五)過濾 用四層紗布過濾，分離糖化酶解產(chǎn)物和未糖化的纖維質(zhì)。
(六)酸性纖維素酶水解糖化 完全徹底糖化纖維素，酸性纖維素酶濃度7.5％-10％(對(duì)原料)，浴比(W/W)1∶8-10，pH值4.5±0.5，MgSO4.7H2O的濃度為0.5‰，酶催化反應(yīng)的溫度50℃±5℃，反應(yīng)時(shí)間3.0h±0.5h。
五、實(shí)施例(一)技術(shù)方案本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括備料、微生物預(yù)處理、稀酸預(yù)處理、復(fù)合酶降解、過濾、酸性纖維素酶降解糖化等工序。
實(shí)施例11、備料 玉米芯曬干、粉碎，過20目篩，備用。
2、微生物預(yù)處理 按“苧麻生物脫膠工藝技術(shù)與設(shè)備”—國家發(fā)明專利技術(shù)(專利號(hào)ZL95112564.8)要求進(jìn)行，浸泡接種時(shí)添加0.5‰(對(duì)水)的尿素，濕潤(rùn)發(fā)酵6-8小時(shí)。
3、稀酸預(yù)處理 H2SO4濃度5％±0.5％(對(duì)原料)、浴比(W/W)1∶10、溫度100℃±1.0℃、反應(yīng)時(shí)間7.0h±0.5h。
4、復(fù)合酶水解糖化 木聚糖酶與酸性纖維素酶混合配比為1∶1.7，木聚糖酶濃度5％(對(duì)原料)，酸性纖維素酶濃度8.5％(對(duì)原料)，浴比(W/W)1∶15，pH值5.0±0.5，MgSO4.7H2O的濃度為0.5‰，溫度為50℃±5℃，酶催化反應(yīng)時(shí)間5.0h±0.5h。
5、過濾 用四層紗布過濾，分離糖化酶解產(chǎn)物和未糖化纖維質(zhì)。
6、酸性纖維素酶水解糖化 完全徹底糖化纖維素，酸性纖維素酶濃度10％(對(duì)原料)，浴比(W/W)1∶10，pH值4.5±0.5，MgSO4.7H2O的濃度為0.5‰，酶催化反應(yīng)的溫度50℃±5℃，反應(yīng)時(shí)間3.0h±0.5h。
實(shí)施例21、備料 玉米桿曬干、粉碎，過20目篩，備用。
2、微生物預(yù)處理 按“苧麻生物脫膠工藝技術(shù)與設(shè)備”—國家發(fā)明專利技術(shù)(專利號(hào)ZL95112564.8)要求進(jìn)行，浸泡接種時(shí)添加0.5‰(對(duì)水)的尿素，濕潤(rùn)發(fā)酵6-8小時(shí)。
3、稀酸預(yù)處理 H2SO4濃度5％±0.5％(對(duì)原料)、浴比(W/W)1∶10、溫度100℃±1.0℃、反應(yīng)時(shí)間7.0h±0.5h。
4、復(fù)合酶水解糖化 木聚糖酶與酸性纖維素酶混合配比為1∶2，木聚糖酶濃度5％(對(duì)原料)，酸性纖維素酶濃度10％(對(duì)原料)，浴比(W/W)1∶14，pH值5.0±0.5，MgSO4.7H2O的濃度為0.5‰，溫度為50℃±5℃，酶催化反應(yīng)時(shí)間5.0h±0.5h。
5、過濾 用四層紗布過濾分離糖化酶解產(chǎn)物和未糖化纖維質(zhì)。
6、酸性纖維素酶水解糖化 完全徹底糖化纖維素，酸性纖維素酶濃度9％(對(duì)原料)，浴比(W/W)1∶8，pH值4.5±0.5，MgSO4.7H2O的濃度為0.5‰，酶催化反應(yīng)的溫度50℃±5℃，反應(yīng)時(shí)間3.0h±0.5h。
實(shí)施例31、備料 苧麻桿曬干、粉碎，過20目篩，備用。
2、微生物預(yù)處理 按“苧麻生物脫膠工藝技術(shù)與設(shè)備”—國家發(fā)明專利技術(shù)(專利號(hào)ZL95112564.8)要求進(jìn)行，浸泡接種時(shí)添加0.5‰(對(duì)水)的尿素，濕潤(rùn)發(fā)酵6-8小時(shí)。
3、稀酸預(yù)處理 H2SO4濃度5％±0.5％(對(duì)原料)、浴比(W/W)1∶10、溫度100℃±1.0℃、反應(yīng)時(shí)間7.0h±0.5h。
4、復(fù)合酶水解糖化 木聚糖酶與酸性纖維素酶混合配比為1∶1.5，木聚糖酶濃度5％(對(duì)原料)，酸性纖維素酶濃度7.5％(對(duì)原料)，浴比(W/W)1∶13，pH值5.0±0.5，MgSO4.7H2O的濃度為0.5‰，溫度為50℃±5℃，酶催化反應(yīng)時(shí)間5.0h±0.5h。
6、酸性纖維素酶水解糖化 完全徹底糖化纖維素，酸性纖維素酶濃度7.5％(對(duì)原料)，浴比(W/W)1∶9，pH值4.5±0.5，MgSO4.7H2O的濃度為0.5‰，酶催化反應(yīng)的溫度50℃±5℃，反應(yīng)時(shí)間3.0h±0.5h。
(二)實(shí)施效果本發(fā)明以1kg、3kg和15kg的玉米芯、玉米桿和苧麻桿為實(shí)驗(yàn)原料，經(jīng)本發(fā)明技術(shù)實(shí)施處理后的玉米芯、玉米桿和苧麻桿等作物秸稈纖維質(zhì)的總還原糖轉(zhuǎn)化率分別約為56％、52％和53％。
權(quán)利要求
1.一種生物酶降解糖化作物秸稈的方法，其特征在于經(jīng)粉碎后的玉米芯、玉米桿和苧麻桿等作物秸稈，采用微生物和稀H2SO4聯(lián)合預(yù)處理后，再用中性木聚糖酶和酸性纖維素酶進(jìn)行降解糖化，獲得用于生產(chǎn)燃料乙醇的還原糖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物酶降解糖化作物秸稈的方法，其特征在于工藝流程包括備料、微生物預(yù)處理、稀酸預(yù)處理、復(fù)合酶降解、過濾、酸性纖維素酶降解糖化等工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物酶降解糖化作物秸稈的方法，其特征在于纖維質(zhì)稀酸水解預(yù)處理時(shí)，H2SO4濃度5％±0.5％(對(duì)原料)、浴比(W/W)1∶10、溫度100℃±1.0℃、反應(yīng)時(shí)間7.0h±0.5h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物酶降解糖化作物秸稈的方法，其特征在于復(fù)合酶水解時(shí)，中性木聚糖酶與酸性纖維素酶的配比為1∶1.5-2，中性木聚糖酶濃度5％(對(duì)原料)、酸性纖維素酶濃度7.5％-10％(對(duì)原料)，浴比(W/W)1∶13-15，起始pH值5.0，MgSO4·7H2O的濃度為0.5‰，酶解溫度50℃±1.0℃，反應(yīng)時(shí)間5.0h±0.5h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物酶降解糖化作物秸稈的方法，其特征在于酸性纖維素酶催化糖化時(shí)，酶濃度7.5％-10％(對(duì)原料)，浴比(W/W)1∶13-15，起始pH值4.5，MgSO4·7H2O的濃度為0.5‰，酶解溫度50℃±1.0℃，反應(yīng)時(shí)間5.0h±0.5h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4和5所述的酶法降解糖化作物秸稈纖維質(zhì)技術(shù)，其特征在于加入的木聚糖酶活性＞10000IU/ml，酸性纖維素酶活性＞3000IU/ml。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物酶降解糖化作物秸稈的方法，其特征在于經(jīng)粉碎后的玉米芯、玉米桿和苧麻桿等作物秸稈，采用微生物和稀酸聯(lián)合預(yù)處理后，再用中性木聚糖酶和酸性纖維素酶進(jìn)行降解糖化。本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括備料、微生物和稀酸預(yù)處理、復(fù)合酶降解、過濾、酸性纖維素酶糖化等工序。纖維質(zhì)的預(yù)處理由微生物和稀酸的聯(lián)合作用完成。纖維質(zhì)的酶水解分兩步進(jìn)行。加入的中性木聚糖酶活性＞10000IU/ml，酸性纖維素酶活性＞3000IU/ml。采用本發(fā)明技術(shù)能將玉米芯、玉米桿和苧麻桿等作物秸稈降解糖化，總還原糖轉(zhuǎn)化率均在52％以上，具有處理時(shí)間短、轉(zhuǎn)化率高、污染輕等特點(diǎn)。本技術(shù)對(duì)解決常規(guī)化學(xué)生產(chǎn)工藝存在的環(huán)境污染重、轉(zhuǎn)化率低等問題具有重要作用。
文檔編號(hào)C12P19/02GK101092639SQ20061009192
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2006年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月19日
發(fā)明者熊和平, 彭源德, 楊喜愛, 唐守偉, 嚴(yán)理, 喻春明, 朱愛國, 王延周, 胡陵 申請(qǐng)人:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所