[发明专利]一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法

说明书

技术领域

本方法属于秸秆资源利用领域，特别涉及一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法。

背景技术

丙酮丁醇梭菌(Clostridium.acetobutylicum)发酵产生的丙酮、丁醇、乙醇统称为丙丁总溶剂，是重要的有机溶剂和化工原料，广泛用于喷漆、炸药、塑料、制药、植物油提取及有机玻璃、合成橡胶等工业。尤其是丁醇还是一种极具潜力的新型生物燃料，具有高热值、易混溶性、高辛烷值和低挥发性等优良特性，在替代汽油作为燃料方面性能优于乙醇。

丙酮丁醇发酵曾是仅次于乙醇发酵的世界第二大发酵工业，上世纪五六十年代由于受到石油工业的严重冲击而逐渐衰退。但随着石化资源的耗竭和温室效应等环境问题的日益突出，使丙酮丁醇发酵重新受到了人们的重视。传统的发酵原料(淀粉、糖蜜)成本高昂，约占丙酮丁醇发酵总成本的60％，是丙酮丁醇发酵工业缺乏竞争性的重要原因。同时，全球人口的急剧增长和人类生活水平的迅速提高也造成食品用粮及工业用粮均出现严重不足。秸秆等木质纤维素类资源是自然界中分布最为广泛、含量丰富的可再生资源，仅我国每年的秸秆产量约达7亿吨。将秸秆等木质纤维素资源用于发酵工业，不仅将缓解粮食供应不足的现象，同时还将低了因秸秆焚烧带来的环境污染问题，实现秸秆的高值化利用。

木质纤维素的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中的木质素本身就是一种用途广泛的化工原料，而纤维素和半纤维素可直接转换生产出糠醛，有机酸等化工产品以及造纸原料，经过水解的纤维素和半纤维素可转换成为葡萄糖、木糖等可发酵糖，生产各类生物基产品。然而，在木质纤维素的利用过程中，人们往往采用单一技术，只针对重视其中一种组分的利用，忽略了其他组分的利用，造成了原料的浪费和环境污染，这也是整个生物质产业经济迟迟不能与石化行业相竞争的重要原因。

与酵母发酵乙醇相比，丙酮丁醇发酵的优势在于不仅能够利用葡萄糖，还能利用半纤维素的降解产物木糖，这为秸秆替代传统的淀粉发酵丙酮丁醇提供了可能，也为秸秆中的半纤维素提供了一条有效地利用途径。目前，秸秆中提取木糖多采用酸水解方式，虽然可以达到丙酮丁醇发酵木糖的底物浓度，但容易产生酸污染和大量发酵抑制物，影响后续丙酮丁醇的正常生长。此外，含有大量菌体蛋白的发酵废渣也为得到充分利用，造成环境污染和经济效益低。

秸秆经预处理去除可溶性的半纤维素后，剩下固体物料主要包含木质素和纤维素，经过碱处理后可分别得到高纯度木质素与纤维素。纤维素可水解为葡萄糖作为发酵工艺的原料，也可通过各种转化技术生产出各种纤维素的衍生产品，从而实现生物质资源的综合利用。

本发明采用汽爆技术对秸秆进行预处理，可以不破坏秸秆中的纤维素和木质素的结构，去除可溶性半纤维素。回收汽爆液中的半纤维素降解物，分离得到糠醛、有机酸和木糖；汽爆秸秆木糖可用于发酵生产丙酮丁醇，且发酵水平与玉米淀粉相当；碱萃取汽爆秸秆可得到木质素和纤维素；汽爆秸秆纤维素可进一步生产饲料蛋白和造纸纤维。本发明使秸秆中的纤维素、半纤维和木质素三大组分得到了分级转化，实现了秸秆资源的综合利用，生产过程无废料和污染物排放，达到了清洁生产，具有良好的社会效益和经济效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法，即利用汽爆技术分离秸秆中可溶性半纤维素，收集汽爆秸秆液体生产糠醛、有机酸和木糖；汽爆秸秆木糖发酵生产丙酮丁醇；碱萃取汽爆秸秆固体得到木质素和纤维素；汽爆秸秆纤维素进一步发酵生产饲料蛋白和用于造纸。本发明使秸秆中的纤维素、半纤维和木质素三大组分得到了分级转化，实现了秸秆资源的综合利用，生产过程无废料和污染物排放，达到了清洁生产，具有良好的社会效益和经济效益。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法，其步骤如下：

1)汽爆秸秆制备木糖、糠醛和有机酸

秸秆原料加水浸泡5～20min，秸秆质量与加水体积的比例为1∶0.5～1∶2，秸秆湿料在压力为0.5～2.5MPa条件下处理时间1～10min，得到汽爆秸秆；在汽爆秸秆中加入2～4倍秸秆干料质量的水，于50～70℃充分浸泡10～30min，用挤压机分离得到汽爆秸秆液体和汽爆秸秆固体两部分，汽爆秸秆液体在0.7～0.9MPa，40～70℃下减压蒸馏，蒸馏液经过分离、浓缩得到糠醛和有机酸；蒸馏液蒸馏后的剩余液加入木聚糖酶，于50℃下水解6～24h，得到汽爆秸秆木糖；

2)汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇