專利名稱：一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器及其方法
一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器及其方法
技術領域：
本發明屬于木質纖維素原料酶解糖化技術領域，特別涉及到一種集成纖維素酶循
環淋洗、蠕動酶解和糖膜循環分離的集成式循環淋洗仿生蠕動酶解反應器及其方法。背景技術：
木質纖維生物質將是人類未來的能源、材料和化工產品的重要原料。然而，由于 其高度不均一性及復雜性，木質纖維原料作為大規模生物利用的資源一直難以突破經濟技 術關，其中一個重要的原因就是纖維素原料的酶解效率低，酶解成本高。因此，開發高效新 型酶解反應器對于提高纖維素酶解效率和酶解液中發酵糖的濃度非常重要。在傳統的纖維 素酶解反應器中，纖維素酶解往往以靜置恒溫方式進行。雖然輔助機械攪拌或者搖床等設 備，有利于克服其傳質阻力，但是秸稈作為一種具有網狀結構的復雜固相底物，在纖維的細 微結構處，必然存在較大的液膜阻力，使酶解產物和酶分子流動困難，酶的吸附_解吸頻率 較低，同時也使產生并存在于微結構的產物(糖)不能順利釋放，抑制了酶解反應的連續進 行。為了提高纖維素原料的酶解效率，國內外學者開發了多種新型酶解反應器，最常用的有 攪拌式、固定化酶填充床式和流化床式三大類。但由于植物纖維素酶解具有周期長、酶耗高 等原因，目前對于纖維素酶解設備的研究還處于實驗室研究階段，而且大多側重于工藝條 件的研究。 仿生學的發展為生物工程科學提供了新的思路。不斷的深入研究反芻動物消化機 理為植物纖維制備裝置的材料、構型、運行調控設計提供了良好仿生學依據。例如雞的胃中 有一個砂囊，在砂囊內，通過其蠕動，利用啄食石子的將食物進行研磨、消化、吸收；反芻動 物牛，所吃的草類，經過胃的處理能夠達到非常好的消化吸收。國內外學者從仿生角度出 發，開發出了各種反應器，如Hoover曾經設計過一種人工瘤胃反應器，具有過濾和流量控 制功能；Te皿issen建立半連續培養人工瘤胃裝置；Zhu建立簡便有效的連續培養裝置；孟 慶翔建立了瘤胃模擬實驗室裝置；侯哲生和佟金報道了一種根據反芻動物瘤胃結構仿生設 計的蠕動式發酵罐，該反應器通過過濾膜與罐的一體耦合實現了液態培養基的連續補料和 發酵代謝產物的連續分離，既可以達到微生物與底物充分混合并減少了能耗，同時又減少 了膜分離過程中的濃差極化現象的產生。但是仿生原理運用于木質纖維素原料酶解的研 究尚未見報道，更沒有關于基于仿生原理進行設計的酶解反應器。中國科學院過程工程研 究所陳洪章等發明了滾輪式酶解反應器(200610065102. 7)，采用不銹鋼球作為特殊傳質工 具，結合蒸汽爆破預處理和鋼珠高速震蕩，對原料進行動態酶解，但是這種反應器的動力源 仍然是鋼球對固相底物的剪切作用力，并且動力消耗較大，還有待進一步改善。
影響木質纖維素原料酶解的另一個重要因素是如何提高酶解反應過程中底物的 濃度，從而提高酶解效率。但是秸稈等木質纖維素原料的酶解過程是一個典型的底物抑制 過程，增加底物濃度，提高酶解效率的同時，產生的纖維二糖和葡萄糖濃度逐漸升高，從而 對酶解反應產生較強的抑制。為了消除反饋抑制作用，Gauss等于1976年提出了在同一個 反應罐中進行纖維素糖化和乙醇發酵的同步糖化發酵法。但是其主要問題是纖維素酶解與酒精發酵溫度不一致。為了克服這一個問題，中國科學院過程工程研究所陳洪章等發明了 一種利用膜反應器酶解汽爆秸稈制備還原糖的方法和裝置(200510011458. 8)，采用汽爆秸 稈酶解與超濾膜耦合同時實現制備高濃度還原糖和纖維素酶的回收再利用。但是這種方式 仍然難以適于工業化生產的要求。 分析總結現有纖維素酶解反應器存在的問題，本發明專利從仿生的角度，將生物 科學與工程技術科學融合起來，設計秸稈等木質纖維素原料的酶解反應器，并耦合膜分離 達到提高木質纖維原料酶解率、降低纖維素酶使用成本、提高酶解糖濃度的目的，有望在纖 維素原料酶解方式上形成新的突破、建立發酵工業高濃度糖平臺。
發明內容
為了克服現有的酶解反應器裝料系數低、酶回收困難、糖濃度低、底物抑制等不 足，本發明的目的在于提供一種集成纖維素酶循環淋洗、仿生酶解和還原糖膜循環分離的 集成式循環淋洗仿生膜分離酶解反應器的研制。 本發明的另一個目的在于提供一種集固相底物仿生酶解，纖維素酶液動態循環淋
洗及酶解還原糖超濾膜濃縮為一體的秸稈等木質纖維素原料高效酶解方法。 本發明所提供的一種循環淋洗仿生酶解反應器的技術方案如下 本發明提供的一種循環淋洗蠕動酶解反應器，由仿生蠕動酶解反應器、蠕動驅動
裝置、淋洗裝置、超濾膜循環分離裝置、酶解液循環、糖濃度分析儀、螺旋進出料裝置及控制
系統組成。其特征在于在反應器剛性外壁與柔性內腔之間裝有帶半球型鋼球的蠕動桿，反
應器中心固定有硅橡膠管，管內裝有帶球型鋼球的蠕動桿；蠕動桿由蠕動驅動裝置帶動，在
反應器的軸向平行方向做往復運動；酶解固相底物經螺旋輸送器進行連續進料，酶液進入
反應器并經噴霧裝置均勻噴灑至物料表面；酶解反應器底部裝有過濾膜，濾液(酶解液和
酶液)進入經膜分離系統循環淋洗固相底物，實現酶液循環酶解和糖的在線分離與濃縮；
酶解渣由反應器側面螺旋出料器連續出料。 根據技術方案提供的循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于反應器的剛性外 壁為不銹鋼材質，柔性內壁采用的材料是精密鑄造模具硅橡膠；所述的蠕動桿采用的材料 是不銹鋼。 根據技術方案提供的循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于所述的蠕動桿安 裝在剛性外壁與柔性內壁之間，并等距布置；蠕動桿上焊有半球型鋼球，并在反應器剛性外 壁內表面安裝固定槽，固定蠕動桿；在酶解反應器中心固定有硅橡膠管，管內也安裝焊有球 型鋼球的蠕動桿。蠕動桿上鋼球直徑與主反應器罐體直徑的比例為1 : 50 1 : 10。
根據技術方案提供的循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于，蠕動桿的驅動 可以通過電機和曲桿組合驅動，也可以通過往復活塞驅動。蠕動桿之間可以做相同方向的 運動，也可以間隔做相反方向運動。 根據技術方案提供的循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于，酶解反應器與 超濾膜分離系統相連，使纖維素酶循環流動，實現固相底物的循環酶解；所述的循環淋洗可 以通過連接噴頭實現，也可以通過安裝帶有篩孔的擋板實現。 根據技術方案提供的循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于酶解固相底物的 連續進料和出料是由螺旋進料器實現的，并在反應器中心固定有不銹鋼布料器，防止物料進入到中心安裝的硅膠管中。 根據技術方案提供的循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于酶解產生的糖在 線分離是通過在超濾膜組件兩側加壓實現的，酶解液中糖液透過膜組件，被在線分離和濃 縮，而酶液被截留繼續循環流動至酶解反應器內，而被濃縮糖液儲存在儲糖池中。
根據技術方案提供的循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于，仿生蠕動酶解 主反應器的彈性內壁底部分布著直徑為O. 5 5mm的細孔；細孔內側裝有過濾膜，濾膜孔徑 大小為25 250iim。 根據技術方案提供的循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于超濾膜組件兩側
加壓控制是由糖濃度分析儀和針型閥控制的。糖濃度測定儀一端連接酶解反應器， 一端連
接針型閥，當糖濃度達到預設值時，通過控制針型閥的開閉調節膜兩端的壓力。 以本發明所提供的一種循環淋洗仿生蠕動酶解方法及其反應器，其操作流程如
下 ①固相底物原料滅菌后，經螺旋進料器(8)和布料器(11)輸送至蠕動酶解主反應 器中，固相酶解底物的初始裝料系數為80% 100% ;按照固液比(w/v， g/ml)1 : 5 15 經噴淋裝置(19)加入稀釋酶液，使酶液與固相纖維素底物均勻混合； ②調節酶解反應溫度，開啟反應器底部的酶解液體出口 (14)、泵(15)、糖濃度分 析儀(20)、針型閥(21)，使酶解反應器內液體經膜分離系統進行循環淋洗酶解；開啟蠕動 桿驅動裝置(IO)，蠕動桿在反應器軸向平行方向做往復運動，進行蠕動酶解；
③當糖濃度分析儀達到預設值時，由繼電器控制調節針型閥(20)開啟，使膜組件 兩端壓力達到O. 1 1MPa，流經膜組件(11)的酶解液中纖維素酶被截留并流回反應器內進 行循環淋洗酶解，而小分子酶解糖溶液透過膜組件并被濃縮后，流入儲糖池(16)中，同時 經緩沖液儲池(18)補加相應的緩沖液，保證酶解反應的總體積不變； ④待酶解進行到第2-5天后由螺旋進料器(8)補加經過滅菌的新鮮底物，補加 量為原底物干重20_50% (質量百分比)；由儲酶池(17)補加新鮮酶液，補加量為0-30IU FPA/g底物； ⑤直至酶解反應器全部裝滿后，關閉循環淋洗系統和蠕動控制系統，并打開酶解 反應器底部的螺旋出料器(9)，取出酶解殘渣，即完成整個循環淋洗蠕動酶解過程。
本發明的優點
本發明所提供的一種循環淋洗蠕動酶解反應器，具有如下優點 1)通過蠕動桿與柔性內壁之間的蠕動作用，既可以改善固相底物之間的傳質，又
可以增加酶解過程固相底物與纖維素酶之間的接觸面，增加固相底物的可及性； 2)纖維素酶液的對固相底物的動態淋洗可以解決傳統酶解反應器裝料系數低、酶
解底物濃度低等問題； 3)控制酶解反應器內還原濃度，通過超濾膜分離使截留的纖維素酶液回流至酶解 反應器內進行循環淋洗，同時得到高濃度的還原糖，不僅有效解決了酶解產物糖對酶解過 程的底物抑制，而且減少了纖維素酶用量，并為后續的發酵提供了高濃度的糖平臺；
4)由于無固體翻動機械傳動，反應器結構簡單，能耗低，便于工業放大。
圖1是一種循環淋洗蠕動酶解反應器的主視圖。
圖2是一種循環淋洗蠕動酶解反應器的左視圖。
圖3是一種循環淋洗蠕動酶解反應器的俯視圖。
圖4是一種循環淋洗蠕動酶解反應器中蠕動部位放大圖。 圖中:1-剛性外壁；2-柔性內壁；3-固定槽；4_蠕動桿；5_半球形鋼球；6_球形 鋼球；7-硅橡膠管道；8-螺旋進料器；9-螺旋出料器；10-蠕動驅動裝置；ll-物料分布器； 12-膜過濾組件；13-濾膜；14-酶解液出口 ；15，23-循環泵；16-儲糖池；17-儲酶池；18-緩
沖液儲池；19-噴霧裝置；20-糖濃度分析儀；21，22-針型閥
具體實施方法
實施例1 本實施例的一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其仿生蠕動酶解主反應器的高徑 比為2，總設計容積為50L，酶解主反應器的彈性內壁底部分布直徑為0. 5mm的細孔，濾膜孔 徑大小為75 ii m，淋洗通過安裝噴頭實現，蠕動桿由電機組合曲軸實現，反應器邊壁的蠕動 桿做相同方向平行運動；蠕動桿運動速度為lm/s，運動周期間隔為5min。
以此反應器進行酶解操作的步驟如下汽爆秸稈原料經滅菌后，由螺旋進料器和 布料器輸送至蠕動酶解主反應器中，汽爆秸稈的裝料系數為85%;稀釋酶液按照固液比(w/ v， g/ml) 1 : 15經噴頭均勻噴灑在底物上；調節酶解反應溫度50°C，開啟蠕動桿驅動裝置， 使汽爆秸稈在反應器內蠕動酶解；同時打開反應器底部的酶解液體出口 ，使纖維素酶液和 酶解液經膜分離系統進入酶解主反應器，再經噴頭形成循環淋洗；當糖濃度分析儀達到預 設值時，控制膜組件兩端壓力達到0. lMPa，同時補加緩沖液，使酶解反應的總體積不變；待 酶解進行到2d時按照底物重量30%補加滅菌的汽爆秸稈；酶解進行第3d時按照起始底物 重量15%補加滅菌的汽爆秸稈，繼續酶解；酶解進行第4d按照起始底物重量5%補加滅菌 的汽爆秸稈，繼續酶解，第5d關閉循環淋洗系統和蠕動控制系統，并打開酶解反應器底部 的螺旋出料器，取出酶解殘渣，即完成整個循環淋洗蠕動酶解過程。
實施例2 本實施例采用實施例1的酶解反應器，其酶解操作步驟如下汽爆秸稈原料經滅 菌后，由螺旋進料器和布料器輸送至蠕動酶解主反應器中，汽爆秸稈的裝料系數為90% ;稀 釋酶液按照固液比(w/v，g/m1)1 : IO經噴頭均勻噴灑在底物上；調節酶解反應溫度5(TC， 開啟蠕動桿驅動裝置，使汽爆秸稈在反應器內蠕動酶解；同時打開反應器底部的酶解液體 出口 ，使纖維素酶液和酶解液經膜分離系統進入酶解主反應器，再經噴頭形成循環淋洗；當 糖濃度分析儀達到預設值時，控制膜組件兩端壓力達到0. lMPa，同時補加緩沖液，使酶解反 應的總體積不變；待酶解進行到2d時按照底物重量15X補加滅菌的汽爆秸稈；酶解進行第 3d時按照起始底物重量7. 5%補加滅菌的汽爆秸稈，繼續酶解；酶解進行第4d按照起始底 物重量5%補加滅菌的汽爆秸稈，繼續酶解，第5d關閉循環淋洗系統和蠕動控制系統，并打 開酶解反應器底部的螺旋出料器，取出酶解殘渣，即完成整個循環淋洗蠕動酶解過程。
實施例3 本實施例的一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其仿生蠕動酶解主反應器的高徑 比為2.5，總設計容積為IOOL，酶解主反應器的彈性內壁底部分布直徑為lmm的細孔，濾膜
7孔徑大小為200 m，淋洗通過安裝噴頭實現，蠕動桿由往復活塞實現，蠕動桿往復運動一個 周期的時間為20min，反應器邊壁的蠕動桿間隔做相反方向運動。 以此反應器進行酶解操作的步驟如下汽爆秸稈原料經滅菌后，由螺旋進料器和 布料器輸送至蠕動酶解主反應器中，汽爆秸稈的裝料系數為80%;稀釋酶液按照固液比(w/ v， g/ml) 1 : 20經噴頭均勻噴灑在底物上；調節酶解反應溫度50°C，開啟蠕動桿驅動裝置， 使汽爆秸稈在反應器內蠕動酶解；同時打開反應器底部的酶解液體出口 ，使纖維素酶液和 酶解液經膜分離系統進入酶解主反應器，再經噴頭形成循環淋洗；當糖濃度分析儀達到預 設值時，控制膜組件兩端壓力達到0. 3MPa，同時補加緩沖液，使酶解反應的總體積不變；待 酶解進行到2d時按照底物重量40%補加滅菌的汽爆秸稈；酶解進行第3d時按照起始底物 重量25%補加滅菌的汽爆秸稈，繼續酶解；酶解進行第4(1按照起始底物重量15%補加滅菌 的汽爆秸稈，繼續酶解；第5d關閉循環淋洗系統和蠕動控制系統，并打開酶解反應器底部 的螺旋出料器，取出酶解殘渣，即完成整個循環淋洗蠕動酶解過程。
實施例4 本實施例采用實施例3的酶解反應器，其酶解操作步驟如下汽爆秸稈原料經滅 菌后，由螺旋進料器和布料器輸送至蠕動酶解主反應器中，汽爆秸稈的裝料系數為100% ; 稀釋酶液按照固液比(w/v，g/m1)1 : IO經噴頭均勻噴灑在底物上；調節酶解反應溫度
5(TC，開啟蠕動桿驅動裝置，使汽爆秸稈在反應器內蠕動酶解；同時打開反應器底部的酶解
液體出口 ，使纖維素酶液和酶解液經膜分離系統進入酶解主反應器，再經噴頭形成循環淋
洗；當糖濃度分析儀達到預設值時，控制膜組件兩端壓力達到0. 2MPa，同時補加緩沖液，使 酶解反應的總體積不變；待酶解進行到2d時按照底物重量20%補加滅菌的汽爆秸稈，繼續 酶解，酶解進行第3d時按照起始底物重量10%補加滅菌的汽爆秸稈，繼續酶解；酶解進行 第4d按照起始底物重量5%補加滅菌的汽爆秸稈，繼續酶解，第5d關閉循環淋洗系統和蠕 動控制系統，并打開酶解反應器底部的螺旋出料器，取出酶解殘渣，即完成整個循環淋洗蠕 動酶解過程。
權利要求
一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于，包括仿生蠕動酶解反應器、蠕動驅動裝置(10)、淋洗裝置(19)、超濾膜循環分離裝置(12)、酶解液循環泵(15)、糖濃度分析儀(20)、螺旋進出料裝置(8，9)及控制系統組成。
2. 如權利要求1所述的一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于，反應器剛性外壁(1)與柔性內腔(2)之間裝有帶半球形鋼球(5)的蠕動桿(4)，反應器中心固定有硅橡膠管道(7)，管內裝有帶球形鋼球(6)的蠕動桿；蠕動桿(4)由蠕動驅動裝置(10)帶動，在反應器軸向平行方向做往復運動；酶解固相底物經螺旋進料器(8)連續進料，酶液進入反應器并經淋洗裝置(19)均勻噴灑至物料表面；酶解反應器底部裝有過濾膜(13)，濾液(酶解液和酶液)進入膜分離系統循環淋洗固相底物，實現酶液循環酶解和糖的在線分離與濃縮；酶解渣由反應器側面螺旋出料器(9)連續出料。
3. 如權利要求2所述的蠕動桿，其特征在于，蠕動桿之間可以做相同方向的運動，也可以間隔做相反方向運動。
4. 如權利要求2所述的蠕動桿，其特征在于，蠕動桿上鋼球直徑與主反應器罐體直徑的比例為i : 50 i : io。
5. 如權利要求2所述的蠕動桿，其特征在于，所述的蠕動桿安裝在剛性外壁(1)與柔性內壁(2)之間，并等距布置；蠕動桿(4)上焊有半球型鋼球(5)，并在反應器剛性外壁內表面安裝固定槽(3)，固定蠕動桿；在酶解反應器中心固定有硅橡膠管(7)，管內也安裝焊有球型鋼球(6)的蠕動桿(4)。
6. 如權利要求1所述的一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于，酶解固相底物的連續進料和出料由螺旋進料器實現，并在反應器中心固定有不銹鋼布料器。
7. 如權利要求1所述的一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于，蠕動桿的驅動可以通過電機和曲桿組合驅動，也可以通過往復活塞驅動。
8. 如權利要求1所述的一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于，酶液循環淋洗可以通過連接噴頭實現，也可以通過安裝帶有篩孔的擋板實現。
9. 如權利要求1所述的一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于，超濾膜組件兩側的壓力由糖濃度分析儀(20)和針型閥(21)控制，糖濃度測定儀一端連接酶解反應器，一端連接針型閥，當糖濃度達到預設值時，通過控制針型閥的開閉調節膜兩端的壓力。
10. 如權利要求1所述的一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于，仿生蠕動酶解主反應器的彈性內壁底部分布著直徑為O. 5 5mm的細孔；細孔內側裝有過濾膜，濾膜孔徑大小為25 250iim。
11. 如權利要求1所述的一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器，其特征在于，剛性壁外側的熱交換管道采用與彈性壁相同的材料，管道內通有不同溫度的循環水起到熱交換的作用。
12. —種循環淋洗仿生蠕動酶解的方法，其特征在于，包括以下步驟① 固相底物原料滅菌后，經螺旋進料器(8)和布料器(11)輸送至蠕動酶解主反應器中，固相酶解底物的初始裝料系數為80% 100% ;按照固液比(w/v， g/ml) 1 : 5 15經噴淋裝置(19)加入稀釋酶液，使酶液與固相纖維素底物均勻混合；② 調節酶解反應溫度，開啟反應器底部的酶解液體出口 (14)、泵(15)、糖濃度分析儀(20)、針型閥(21)，使酶解反應器內液體經膜分離系統進行循環淋洗酶解；開啟蠕動桿驅動裝置(IO)，蠕動桿在反應器軸向平行方向做往復運動，進行蠕動酶解；③ 當糖濃度分析儀達到預設值時，由繼電器控制針型閥(20)開啟，使膜組件兩端壓力達到O. 1 1MPa，流經膜組件(11)的酶解液中纖維素酶被截留并流回反應器內進行循環淋洗酶解，而小分子酶解糖溶液透過膜組件并被濃縮后，流入儲糖池(16)中，同時由緩沖液儲池(18)補加相應的緩沖液，保證酶解反應的總體積不變；④ 待酶解進行到第2-5天后由螺旋進料器(8)補加經過滅菌的新鮮底物，補加量為原底物干重20-50% (質量百分比)；由儲酶池(17)補加新鮮酶液，補加量為0-30IU FPA/g底物；⑤ 直至酶解反應器全部裝滿后，關閉循環淋洗系統和蠕動控制系統，并打開酶解反應器底部的螺旋出料器(9)，取出酶解殘渣，即完成整個循環淋洗蠕動酶解過程。
全文摘要
本發明公開了一種循環淋洗仿生蠕動酶解反應器及其方法，包括仿生蠕動酶解反應器、蠕動驅動裝置(10)、淋洗裝置(19)、超濾膜循環分離裝置(12)、酶解液循環泵(15)、糖濃度分析儀(20)、螺旋進出料裝置(8，9)及控制系統組成。蠕動裝置是由蠕動桿和蠕動驅動裝置構成，在反應器軸向平行方向做往復運動；以糖濃度分析儀控制酶解反應器內纖維素酶的循環淋洗和膜分離系統內纖維素酶與糖溶液的分離與濃縮。本反應器的特點在于通過仿生蠕動作用，改善固相底物之間的傳質，并增加固相底物的可及性；循環淋洗酶解可解決傳統反應器裝料系數低、底物濃度低等問題，為后續的發酵提供了高濃度的糖平臺；且酶解過程無固體翻動機械傳動，反應器結構簡單，能耗低，便于工業放大。
文檔編號C12M1/02GK101768545SQ20101011370
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月24日 優先權日2010年2月24日
發明者邱衛華, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所