[发明专利]一种生产丁醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产丁醇的方法，尤其是将木质纤维素降解菌与溶剂高产菌偶联，直接将木质纤维素降解并进一步发酵成为丁醇的方法。

背景技术

丁醇是优良的有机溶剂和重要的大宗基础化工原料，广泛应用于化工、塑料、有机合成、油漆以及合成橡胶等工业。更因燃烧、储存及运输特性，它是比乙醇更优越的下一代清洁生物燃料。

丁醇的工业制法主要有丙烯羰基合成法、乙醛醇醛缩合法、发酵法三种，其中前两者均以石油为原料。近年来，在石化资源枯竭和环境恶化的双重压力下，能够转化生物质资源为新型燃料丁醇的生物发酵技术又重新受到人们的重视。

传统生物丁醇生产主要以玉米、糖蜜为原料，美国以玉米淀粉为原料发酵生产丁醇总溶剂浓度可达25～33g·L^-1，居世界领先水平。玉米是重要的粮食、饲料和发酵工业原料，糖蜜作为制糖工业的下脚料，两者产量均有限，无法满足大规模发展生物丁醇产业的原料需求。在越来越重视粮食安全和能源安全的背景下，探索木质纤维素原料替代粮食原料生产燃料丁醇成为生物质能源发展战略的重要组成。我国木质纤维素原料丰富，每年总量可达20亿吨以上，但利用效率低，造成资源浪费。其中，玉米棒芯是农作物加工废料，富含纤维素和半纤维素，木质素含量低，且价格低廉，是用于发酵生产丁醇的理想原料之一。

传统木质纤维素发酵生产丁醇过程需要添加外源纤维素酶来降解木质纤维素，该纤维素酶主要通过好氧发酵生产，成本较高，已经成为木质纤维素利用的关键技术障碍。同时，木质纤维素发酵生产丁醇过程中己糖、戊糖同步发酵利用效率低也是制约木质纤维素利用的重要因素。将分别具有高效降解木质纤维素和发酵己糖、戊糖能力的两类微生物偶联，能够有效利用木质纤维素通过厌氧发酵直接生产丁醇。高温厌氧纤维小体(cellulosome)产生菌C.thermocellum是目前纤维素降解能力强的厌氧菌之一，其木质纤维素降解速率远大于自身糖代谢速率。C.beijerinckii因能同时利用木糖和葡萄糖，近年来，越来越多的研究选择其作为发酵木质纤维素水解液的溶剂菌。

Petitdemange(Petitdemange E，Fond O，Caillet F，1983，5：119-124)和Yu(Yu EKC，Chan MKH，Saddler JN，1985，7：509-514)等学者在20世纪80年代曾尝试C.thermocellum和Clostridium acetobutylicum在37℃下混菌发酵木质纤维素的研究，但实验结果并不理想，发酵停留在产酸期，溶剂产量低，仅1.4g·L^-1左右。其关键问题可能是Clostridium acetobutylicum对己糖和戊糖共发酵的能力较弱。最近，Nakayama等(Nakayama S，Kiyoshi K，Kadokura T，2011，77：6470-6475)研究在封闭试管中进行培养温度为30℃的混菌发酵。C.thermocellum以纤维二糖为碳源培养一定时间后收集菌体细胞制成无碳源细胞悬液，再与含有40g·L^-1结晶纤维素的培养基1∶1混合，在60℃下培养24h后改变发酵温度为30℃，并接种C.saccharoperbutylacetonicum N1-4，发酵10d，生产丁醇7.9g·L^-1，初步实现了结晶纤维素直接厌氧发酵产丁醇。但是，该研究丁醇生产强度仅为0.033g·L^-1·h^-1，也未涉及天然的木质纤维素原料的利用。

目前，国内外研究中还未见关于C.thermocellum先降解木质纤维素累积高浓度还原糖后再与溶剂菌偶联发酵生产丁醇的报道。因此在以代表性的木质纤维素——玉米棒芯为碳源的情况下，考虑到水解产物为己糖、戊糖混合物，以C.thermocellum和C.beijerinckii偶联发酵生产丁醇。以木质纤维素为原料直接厌氧发酵生产丁醇，将为木质纤维素的资源化和能源化提供有益的思路和方法。

发明内容

本发明的目的提供一种偶联厌氧发酵木质纤维素生产丁醇的方法。将木质纤维素降解菌与溶剂高产菌偶联，直接将木质纤维原料降解并进一步发酵成为丁醇，大幅度降低来自纤维素酶的成本，并实现己糖、戊糖同步发酵。

本发明提出的生产丁醇的方法，包括以下步骤：