利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)丁醇的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物化工領域。具體地，本發(fā)明涉及利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)丁醇的方法。
【背景技術】
[0002] 丁醇是良好的石油替代燃料和重要的化工原料，廣泛應用于食品、醫(yī)藥、塑料、印 染等方面。與乙醇相比，丁醇具有能量密度高，腐蝕性低，可以任意比例與汽油互溶，對現(xiàn)有 的發(fā)動機和輸油管道無需改造而直接利用等優(yōu)點，因而更具應用潛力。
[0003] 木質(zhì)纖維素作為自然界中來源最為廣泛，價格極為低廉，且能再生的綠色資源，木 質(zhì)纖維素經(jīng)過預處理后，能夠降解為含有多種能夠被利用的糖類的水解液，再利用生物轉(zhuǎn) 化方法，如微發(fā)酵過程，將產(chǎn)生的糖類轉(zhuǎn)化成生物燃料，作為生產(chǎn)丁醇的原料。
[0004] 然而，目前利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)丁醇的方法仍有待改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的 在于提供利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)丁醇的方法。該方法能夠有效地脫除木質(zhì)纖維素經(jīng)過酸水解 處理得到的水解液中的糠醛和5-羥甲基糠醛，同時降低了乙酸濃度，從而使產(chǎn)丁醇梭菌能 夠利用該水解液進行發(fā)酵處理，得到丁醇，以實現(xiàn)木質(zhì)纖維素的回收利用。
[0006] 需要說明的是，本發(fā)明是基于發(fā)明人的下列發(fā)現(xiàn)而完成的：
[0007] 產(chǎn)丁醇梭菌本身缺乏分解纖維素的酶類，不能直接利用木質(zhì)纖維素。由于纖維素 酶的骨架蛋白架蛋白相對復雜，需要多種酶的協(xié)同作用才能完成降解纖維素，所以通過基 因工程手段引入異源纖維素酶的基因，容易使異源酶在產(chǎn)丁醇梭菌中的表達"失速"，還會 影響細胞本身總體的蛋白分泌，進而導致細胞死亡。添加纖維素酶，能夠?qū)δ举|(zhì)纖維素進行 酶解處理，但是其成本較高。相比于條件溫和的酶解處理，酸或堿水解處理效率較高，尤其 是酸處理。然而，酸處理過程中形成的單糖會進一步降解，產(chǎn)生抑制物，如糠醛、5-羥甲基糠 醛和乙酸等，這些抑制物直接或間接抑制產(chǎn)丁醇梭菌生長及發(fā)酵。因此，需要對酸水解處理 得到的水解液進行脫毒處理。然而，采用物理法（真空蒸發(fā)等）或化學法（活性炭吸附、離 子交換樹脂吸附、沉淀等）對設備和工藝要求較高，成本也相應增加，甚至超過直接利用淀 粉類物質(zhì)的成本，從而限制了木質(zhì)纖維素作為丁醇發(fā)酵的原料。
[0008] 本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，將木質(zhì)纖維素進行酸水解處理，得到水解液， 利用酵母菌能夠代謝水解液中抑制物的特性，將酵母菌接種于水解液中進行發(fā)酵處理，有 效地脫除水解液中的糠醛和5-羥甲基糠醛，同時降低了乙酸濃度，得到脫毒水解液，然后 將產(chǎn)丁醇梭菌接種于脫毒水解液中進行發(fā)酵處理，產(chǎn)生丁醇。
[0009] 本發(fā)明提出了一種利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)丁醇的方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述 方法包括：（1)將所述木質(zhì)纖維素進行酸水解處理，得到水解液；(2)利用所述水解液對酵 母菌進行第一發(fā)酵處理，得到脫毒水解液；以及（3)利用所述脫毒水解液對產(chǎn)丁醇梭菌進 行第二發(fā)酵處理，以便得到丁醇。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述酵母菌為粘紅酵母。由 此，根據(jù)本發(fā)明實施例的方法能夠有效地脫除水解液中的糠醛和5-羥甲基糠醛，同時降低 了乙酸濃度，從而使產(chǎn)丁醇梭菌能夠利用該水解液進行發(fā)酵處理，得到丁醇，以實現(xiàn)木質(zhì)纖 維素的回收利用。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，上述利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)丁醇的方法還可以具有下列附加 技術特征：
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述產(chǎn)丁醇梭菌選自丙酮丁醇梭菌或拜氏梭菌，優(yōu)選丙酮 丁醇梭菌。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述木質(zhì)纖維素選自甘蔗渣、玉米芯或秸桿。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述酸水解處理包括：將所述木質(zhì)纖維素與酸溶液按照 1:3~5的質(zhì)量體積比進行混合處理，得到混合物；以及將所述混合物在123~135攝氏度 的溫度下進行酸水解處理1~2小時，得到水解液，根據(jù)本發(fā)明的具體示例，所述酸溶液包 括〇. 5質(zhì)量體積％H2S0JP1. 5質(zhì)量體積％Η3Ρ04。由此，能夠有效地將木質(zhì)纖維素降解為 糖類，同時使較少的糖類進一步降解為抑制物。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，將所述混合物在135攝氏度的溫度下進行酸水解處理1小 時，得到水解液。由此，能夠有效地將木質(zhì)纖維素降解為糖類，同時使較少的糖類進一步降 解為抑制物。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述酵母菌的接種量為5~10體積％，所述發(fā)酵處理是在 30攝氏度的溫度以及180rpm的轉(zhuǎn)速下進行24~48小時，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述 酵母菌的接種量為5體積％。由此，能夠使酵母菌充分脫除水解液中的抑制物。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，當發(fā)酵液中無糠醛和5-羥甲基糠醛時，停止所述第一發(fā)酵 處理。由此，能夠使酵母菌充分脫除水解液中的抑制物。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述方法進一步包括：將所述第一發(fā)酵處理的產(chǎn)物進行離 心處理，或者將所述第一發(fā)酵處理的產(chǎn)物進行加熱處理，以便得到所述脫毒水解液。由此， 能夠有效地除去酵母菌。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，將產(chǎn)丁醇梭菌按照5~10體積％接種于所述脫毒水解液 中。由此，能夠使產(chǎn)丁醇梭菌充分脫毒水解液生產(chǎn)丁醇。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述產(chǎn)丁醇梭菌預先經(jīng)過活化處理，所述活化處理包括： (1)將保存于-80攝氏度的所述產(chǎn)丁醇梭菌接種于玉米培養(yǎng)基中，37攝氏度下厭氧培養(yǎng) 24~48小時，得到一級種子液；以及（2)將所述一級種子液按照5~10體積％的接種量 接種于P2培養(yǎng)基中，37攝氏度下厭氧培養(yǎng)24~48小時，得到二級種子液。由此，能夠使產(chǎn) 丁醇梭菌充分利用脫毒水解液生產(chǎn)丁醇。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述玉米培養(yǎng)基包括玉米醪及水；所述P2培養(yǎng)基包括40g/ L的葡萄糖、lg/L的酵母粉、1質(zhì)量％緩沖液、1重量％營養(yǎng)液及水，所述緩沖液包括磷酸氫 二鉀65. 5g/L、磷酸二氫鉀50g/L和乙酸銨220g/L，所述營養(yǎng)液包括lg/L對-氨基苯甲酸、 lg/L硫胺素、0.lg/L生物素、200g/L硫酸鎂、10g/L硫酸猛、10g/L硫酸亞鐵以及10g/L氯化 鈉。由此，能夠使產(chǎn)丁醇梭菌充分利用木質(zhì)纖維素水解液生產(chǎn)丁醇。
[0021] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【具體實施方式】
[0022] 下面詳細描述本發(fā)明的實施例。下面描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā) 明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0023] 本發(fā)明提出利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)丁醇的方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該方法包 括：
[0024] (1)將木質(zhì)纖維素進行酸水解處理，得到水解液。
[0025] 在該步驟中，通過酸水解處理降解木質(zhì)纖維素，形成多種單糖，以使單糖被產(chǎn)丁醇 梭菌利用。根據(jù)本發(fā)明的實施例，酸水解處理包括：將木質(zhì)纖維素與酸溶液按照1:3~5的 質(zhì)量體積比進行混合處理，得到混合物；以及將混合物在123~135攝氏度的溫度下進行 酸水解處理1~2小時，得到水解液，根據(jù)本發(fā)明的具體示例，酸溶液包括0. 5質(zhì)量體積％ H2S〇dP1. 5質(zhì)量體積％Η3P04。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，將混合物在135攝氏度的溫度下 進行酸水解處理1小時，得到水解液。發(fā)明人經(jīng)過大量實驗優(yōu)化得到最優(yōu)酸處理條件，在此 條件下能夠有效地產(chǎn)生大量單糖，并使單糖較少地降解成抑制物。酸水解溫度過高或者時 間過長，會產(chǎn)生大量抑制物，且得到的糖含量較低；溫度過低或者時間過短，降解得到的糖 含量較低。
[0026] 需要說明的是，本發(fā)明對木質(zhì)纖維素的種類不作嚴格限定，只要能夠?qū)⑵渌?，?到糖類，以供微生物利用即可。根據(jù)