一种利用木质纤维原料高效生产燃料丁醇的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用木质纤维原料高效生产燃料丁醇的方法，该方法包括活化培养丙酮丁醇梭菌，在梭菌培养基对丙酮丁醇梭菌进行发酵；利用秸秆丁酸预处理后残渣酶解所得的可发酵糖作为碳源，流加入发酵液中继续发酵；待丙酮丁醇梭菌生长稳定，将脱毒后的丁酸预处理上清液多次脉冲流加到发酵液中，进行发酵，生产燃料丁醇。本发明专利技术利用木质纤维素丁酸预处理后固体残渣酶解所得的可发酵糖以及含丁酸的上清液进行发酵生产燃料丁醇，生物丁醇产量得到显著提升，整个工艺路线无外源化学物质添加，既节省了成本，又可避免外源添加剂对后续丁醇发酵产生抑制，是绿色环保的发酵工艺，对生物丁醇绿色生产提供了重要思路。丁醇绿色生产提供了重要思路。丁醇绿色生产提供了重要思路。

【技术实现步骤摘要】
一种利用木质纤维原料高效生产燃料丁醇的方法


[0001]本专利技术涉及微生物发酵
，具体涉及一种利用木质纤维原料高效生产燃料丁醇的方法。

技术介绍

[0002]能源是当今世界关注的焦点，化石燃料作为全球能源的主要来源，过度使用会导致资源枯竭和全球变暖等一系列问题。利用木质纤维素等可再生资源生产液态燃料是解决上述问题的有效方法之一。丁醇作为一种高效的液态燃料，相比于乙醇，丁醇具有热值高、无腐蚀性、与汽油可任意比例混合、无需改造发动机等优点，而且使用丁醇和汽油混合可以减少有害气体排放，因此，对丁醇的绿色生产引起了人们的极大关注。
[0003]目前，生物丁醇生产的主要方式是通过厌氧的丁醇发酵过程获得。丁醇发酵(也称为丙酮
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丁醇
‑
乙醇发酵或ABE发酵)，是利用梭状芽孢杆菌(Clostridia)在严格厌氧的条件下进行丙酮、丁醇和乙醇溶剂生产的发酵过程。ABE发酵是典型的二阶段发酵，整个发酵过程可分为产酸阶段和产溶剂阶段。产酸阶段，碳水化合物主要被转化为丁酸和乙酸，随着有机酸的累积，培养基内pH值逐渐下降，发酵逐渐从产酸阶段转型至产溶剂阶段。在产溶剂阶段，有机酸被重新吸收并转化为溶剂，其中丁酸被转化为主产物丁醇。目前，丁醇发酵的主要原料是粮食作物玉米或甘蔗，该生产过程不仅存在着“与人争粮”“与粮争地”的社会问题，而且该过程原料成本高，不适合工业化放大。如何降低丁醇生产的原料成本是制约其进一步发展的瓶颈问题。
[0004]木质纤维素是地球上储量最丰富、价格最低廉的碳中性资源，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素是由葡萄糖单体聚合而成，若能将其转化为葡萄糖用作微生物发酵的碳源，则可以大幅度降低原料成本。然而，木质纤维素类生物质经过亿万年的进化形成了固有的致密网状结构，该结构使得微生物或酶很难对其直接降解。因此，需要有效的预处理工艺破坏木质纤维素结构，以提高后续酶解和发酵性能。当前，用于木质纤维素的预处理工艺有多种，如物理法(研磨、机械粉碎等)、化学法(硫酸、盐酸、氢氧化钠等)、生物法等，不同种预处理方法对木质纤维素结构和酶解效率的影响效果各有不同，且均存在一定的缺点，其中物理法能耗较高，化学法预处理强度大、产生的发酵抑制物种类繁多，生物法处理时间长、效率较低等。对于特定的发酵产品生产过程而言，要根据微生物细胞的特点来确定最优的预处理工艺。一般而言，理想的预处理应满足以下特点：组分分离效率高且损失少、预处理剂易于回收且可循环使用、抑制物产生量少、预处理成本低等。因此，建立一种高效的可用于生物丁醇生产的绿色预处理工艺仍具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术存在的问题，本专利技术以循环、绿色思路为指导，利用丁醇合成的前体物质丁酸作为预处理剂，将预处理后的固体残渣用于丁醇合成的发酵底物，并将预处理后含丁酸的上清液用作发酵的共底物合成丁醇，即提供一种利用木质纤维原料高
效生产燃料丁醇的方法。本专利技术是一种利用丁酸预处理木质纤维素的各衍生组分调控丁醇发酵高效合成生物丁醇的方法，该方法利用丁酸预处理上清液和可发酵糖对发酵底物进行调控，从而达到利用木质纤维素高效合成生物丁醇的目标，解决了目前预处理剂回用困难、直接排放造成严重环境危害等现实问题，实现了原料到高附加值产物“吃干榨尽”的目标。该工艺能够有效利用木制纤维素这一储量丰富的可再生资源，对于生物质精炼有重要意义。
[0006]技术方案：为了实现上述目的，本专利技术所述一种利用木质纤维原料高效生产燃料丁醇的方法，包括如下步骤：
[0007](1)活化培养丙酮丁醇梭菌，在梭菌培养基对丙酮丁醇梭菌进行发酵；
[0008](2)在步骤(1)中发酵后，利用秸秆酶解所得的可发酵糖作为碳源，流加入发酵液中继续发酵；
[0009](3)待步骤(2)中丙酮丁醇梭菌生长稳定，将脱毒后的丁酸预处理上清液多次脉冲流加到发酵液中，进行发酵，生产燃料丁醇。
[0010]其中，步骤(1)所述发酵时间后为在34
‑
40℃、静态无旋转条件下发酵10
‑
12h。
[0011]其中，步骤(2)所述秸秆酶解所得的可发酵糖为木质纤维素丁酸预处后固体残渣酶解所得。
[0012]其中，所述木质纤维素为玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯或者水稻秸秆，所使用的预处理工艺为丁酸预处理，其预处理条件为：丁酸溶液浓度为40
‑
60g/L，固液的质量体积比为1：8～1:12g/mL，处理时间为0.5～1.0h，温度为160
‑
200℃。
[0013]作为优选，所述木质纤维素为玉米秸秆，预处理的丁酸溶液为50g/L，固液的质量体积比为1：10g/mL，处理时间为0.5h，温度为180℃。
[0014]其中，由木质纤维素如玉米秸秆经过丁酸预处理后的固体残渣通过酶解过程得到可发酵糖，其酶解过程的缓冲体系为：柠檬酸钠缓冲液，pH值为4.8～5.0；所述预处理后的固体残渣与柠檬酸缓冲液的质量体积比为1:4～1:10g/mL，使用的酶为Cellic CTec3，酶添加量为8
‑
15FPU/g基质(酶解体系中的固体部分)。
[0015]作为优选，所述缓冲液为50mM柠檬酸钠缓冲液，pH值为4.8；所述预处理的固体残渣与柠檬酸缓冲液的质量体积比为1：5g/mL；所述的Cellic CTec3酶解以10FPU/g基质添加。
[0016]其中，丁酸预处理上清液为木质纤维素经过丁酸溶液预处理后，利用固液分离得到的含丁酸的上清液；所述丁酸预处理上清液通过脉冲式方式流加至丁醇发酵液中，每次流加0.5
‑
1mL上清液到50mL发酵液中，流加初始时间为10
‑
12h，流加间隔时间为4～12h。
[0017]作为优选，所述丁酸预处理上清液通过脉冲式方式流加至丁醇发酵液中，每次流加0.5mL上清液到50mL发酵液中，流加初始时间为12h，流加间隔时间为4～12h。
[0018]其中，步骤(3)所述进行丁醇发酵为34
‑
40℃、静态无旋转条件下发酵60
‑
80h。
[0019]所述上清液脱毒为采用活性炭和溶液质量体积比为4.5
‑
5.5％g/mL的添加量，脱毒温度为55
‑
65℃，时间为10
‑
15h。
[0020]作为优选，所述上清液脱毒为采用活性炭和溶液质量体积比为5％g/mL的添加量，脱毒温度为60℃，时间为12h。
[0021]优选地，所述可发酵糖流加液为木质纤维素丁酸预处后固体残渣酶解所得，为保
证微生物的正常生长代谢，提供的必要营养物质(非碳源)如下：(KH2PO
4 0.75g/L，K2HPO
4 0.75g/L，NaCl 1.0g/L，MnSO4·
5H2O 0.017g/L，MgSO4·
7H2O 0.70g/L，FeSO本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用木质纤维原料高效生产燃料丁醇的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)活化培养丙酮丁醇梭菌，在梭菌培养基对丙酮丁醇梭菌进行发酵；(2)在步骤(1)中发酵后，利用秸秆丁酸预处理后残渣酶解所得的可发酵糖作为碳源，流加入发酵液中继续发酵；(3)待步骤(2)中丙酮丁醇梭菌生长稳定，将脱毒后的丁酸预处理上清液多次脉冲流加到发酵液中，进行发酵，生产燃料丁醇。2.根据权利要求1所述的利用木质纤维原料高效生产燃料丁醇的方法，其特征在于，步骤(1)所述发酵为在34
‑
40℃、静态无旋转条件下发酵10
‑
12h。3.根据权利要求1所述的利用木质纤维原料高效生产燃料丁醇的方法，其特征在于，步骤(2)所述秸秆酶解所得的可发酵糖为木质纤维素丁酸预处理后固体残渣酶解所得。4.根据权利要求3所述的利用木质纤维原料高效生产燃料丁醇的方法，其特征在于，所述木质纤维素优选为玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯或者水稻秸秆，所使用的预处理工艺为丁酸预处理，其预处理条件为：丁酸溶液浓度为40
‑
60g/L，固液的质量体积比为1：8～1:12g/mL，处理时间为0.5～1.0h，温度为160
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200℃。5.根据权利要求3所述的利用木质纤维原料高效生产燃料丁醇的方法，其特征在于，由木质纤维素经过丁酸预处理后的固体残渣通过酶解过程得到可发酵糖，...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗洪镇，周泰然，侍永江，王诗洁，郭羽芬，曹瑾，桂铮，杨涛，孙金凤，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：