[发明专利]富含半纤维素生物质发酵生产丁醇、丙酮、丁酸和糠醛的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种富含半纤维素生物质发酵生产丁醇、丙酮、丁酸和糠醛的方法；尤其是以甜高粱渣为培养基的碳源发酵，利用渗透汽化装置和精馏装置分离纯化生产丁醇、丙酮、丁酸和糠醛的方法。

背景技术

丙酮、丁醇和乙醇均是重要的有机溶剂和化工原料，广泛应用于喷漆、炸药、塑料、制药、植物油提取及有机玻璃、合成橡胶工业。丙酮可作为制造醋酸纤维素胶片薄膜、塑料和涂料的溶剂，也可用于生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)、双酚A、醇醛缩合物等化工产品。丁醇是新一代的生物燃料，与现有的生物燃料相比，丁醇与汽油的混合比更高，无需对车辆进行改造，具有显著环境效益，降低温室气体排放。乙醇是良好的有机溶剂和消毒剂，其杀菌作用明显，消毒效果可靠，对人刺激性小，无毒，对物品无损害，多用于皮肤消毒和医疗器械临床消毒。

在生产丙酮和丁醇的众多方法中，用粮食发酵法生产丙酮、丁醇的生产技术相对比较成熟。但是随着石油资源的逐渐枯竭和生态环境问题的日益严峻，世界各国开始考虑利用可再生资源来替代石油资源，即通过生物技术的手段来生产大宗化学品以解决能源问题。

现有生产丙酮的丁醇的技术主要以玉米发酵为主，以及采用部分薯类、高粱类与玉米同时进行发酵以降低生产成本，但其中以纯玉米发酵生产丙酮、丁醇效果最为理想。但用粮食发酵不仅成本高，同时也会影响到粮食资源的稳定。针对这一问题，各国研究机构都尝试开展用非粮食资源代替粮食资源作为发酵原料进行发酵研究。目前，研究最热的是用秸秆代替粮食发酵，但用秸秆发酵技术并不成熟，其存在的主要问题是秸秆水解效率低以及水解后产生的抑制物(如糠醛)影响发酵过程中微生物的生长。因此，寻找和开发廉价适宜的发酵原料并找到与其匹配的工艺是丙酮和丁醇生产所面临的关键问题，这也是整个发酵行业所面临的共同问题。

甜高粱(sweet sorghum)也叫芦栗甜杆或糖高粱，为食用高粱的一个变种，其秸秆具有较高的糖含量，是世界公认的能源植物之一。其种子可食用或作饲料，而甜高粱秸秆压榨后汁液可制糖，但是产生大量的富含半纤维素类的甜高粱渣存在处理难题。目前，国内外利用甜高粱渣生产溶剂丁醇的鲜有报道。甜玉米，是一种玉米的改良品种，其玉米粒用作鲜食；它的秸秆与甜高粱秸秆相似，富含糖类，压榨后，其残渣富含半纤维素。蔗渣是甘蔗制糖压榨后的产物，富含半纤维素，一般作为饲料添加成分，但是大量集中产生的蔗渣存在处理难题。玉米芯为玉米果实成熟并脱粒后的剩余部分，富含半纤维素；我国是玉米的生产大国，可利用资源极其丰富。

渗透汽化是利用膜的选择性从溶液中分离某些有机组分，使其有选择性地在膜内汽化透过。

专利CN101805754A描述了一种生物质发酵与渗透汽化耦合原位分离丙酮、丁醇和乙醇的工艺。使用该工艺与普通的精馏过程相比，大大降低了对生物质发酵产生的ABE溶剂进行分离的能耗，从而降低燃料丁醇的生产成本。但在该专利中并没有解决水解产生的糠醛将对后续发酵过程中菌株产生毒害的问题。

发明内容

本发明提供一种富含半纤维素生物质发酵生产丁醇、丙酮、丁酸和糠醛的方法，包括如下步骤。步骤B，水解：向所述生物质中加入乙酸水溶液，在120～200℃水解温度下，半纤维素水解为含糖类和糠醛的溶液；步骤D，分离糠醛：使所述含糖类和糠醛的溶液或滤液经过渗透汽化膜分离器，分离出糠醛；步骤E，发酵：分离糠醛后的水解液在菌株的作用下厌氧发酵转化为含丁醇、丙酮、乙醇和丁酸混合溶剂的发酵液；步骤G，渗透汽化分离：所述发酵液中丁醇、丙酮和丁酸透过渗透汽化膜而得到分离浓缩；步骤H，精馏：将渗透汽化收集的混合产品，精制得到丁醇、丙酮和丁酸纯品。

优选还包括步骤B之前的步骤A，生物质预处理：所述生物质粉碎后加入乙酸水溶液预处理。更优选所述预处理步骤A中加入的乙酸水溶液中乙酸浓度为2～10g/L，预处理步骤的固液比为1∶2～1∶10。本发明应用乙酸预处理，并用乙酸水解半纤维素，只需一定程度的升温升压，便可避免使用硫酸水解而造成水解液含盐量过高的问题；且水解液中的乙酸能被后续发酵过程中的微生物利用，有利于微生物的生长；从而避免后处理过程中废物污染环境。

本发明的实施例中，优选还包括步骤B和步骤D之间的步骤C，固液分离：将所述生物质水解后的固体残渣滤出，得到含糖类和糠醛的滤液。更优选还包括在滤出的固体残渣中加入纤维素酶，将纤维素水解为糖类。

在本发明的发酵步骤E中，可选择的菌株有丙酮丁醇梭菌、糖丁酸梭菌或拜氏梭菌等。