[发明专利]一种利用木质纤维原料生产丙酮/丁醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种将木质纤维素降解菌与溶剂高产菌混菌培养的工艺，尤其涉及一种利用木质纤维原料生产丙酮/丁醇的方法。

背景技术

丁醇是一种优良的溶剂和重要的化工原料，广泛应用于化工、塑料、有机合成、油漆、制药、提取植物油以及生产有机玻璃、合成橡胶等工业。另外，由于具备比乙醇能量密度更高，可与汽油以任意比例混合，挥发性低，可利用输油管道输送等优点，丁醇有望取代乙醇成为下一代可再生燃料添加剂。

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。丙酮/丁醇发酵是制备丁醇的最主要的方法，后来由于石油工业的崛起，生物丁醇发酵曾急剧衰落，直到近年来随着全球能源危机和环境危机的日益凸显，才又重新被重视起来。

传统的ABE发酵以玉米、谷物等粮食作物为原料，近年来随着粮价上涨及各国对粮食安全的重视，生物丁醇的生产在成本和伦理上面临重大挑战，因而寻找可再生的替代性原料成为研究热点。木质纤维素作为地球上数量最大的一种可再生资源，是丁醇发酵的理想原料之一。目前利用木质纤维原料生产丁醇也有较多报道，但需先对原料预处理后添加纤维素酶水解糖化，然后发酵。由于纤维素酶价格高昂，纤维素丁醇生产成本较高，不具备竞争优势。

如果能够将纤维素酶的生产、纤维原料的水解糖化及丁醇发酵集成在一个反应器中一步进行，那么实际生产中的纤维素酶生产和消耗、设备费、操作费等成本将大幅度降低。统合生物加工工艺（CBP, Consolidated  bioprocessing）就是这样一种集成工艺技术，能够纤使维素丁醇的生产成本将大大降低。但是CBP工艺对微生物的要求极高。参与该生产过程的微生物，既要能够高产多种纤维素酶，又要能够对水解得到的己糖、戊糖高效利用生产丁醇。孤立的看，上述各种条件都能在现有的微生物中找到，但是到目前为止还没有一个天然的微生物或者微生物系统能够同时满足以上所有条件。研究者曾尝试在在丁醇高产菌株中异源表达纤维素酶（Mingardon F, Chanal A, Tardif C, Fierobe H, 2011,77: 2831-2838）或者在纤维素降解菌菌株中添加丁醇代谢途径（Higashide W, Li Y, Yang Y, Liao J, 2011, 77:2727–2733）等方法，但是都未实现纤维素丁醇的CBP法生产。将纤维素降解菌和丁醇生产菌混菌培养是是当前实现统合生物加工工艺生产纤维素丁醇的理想选择。

Petitdemange（Petitdemange E, Fond O, Caillet F, 1983, 5: 119-124）和Yu（Yu E, Chan M, Saddler J, 1985, 7: 509-514）等在1980年代曾进行了热纤梭菌Clostridium thermocellum、解纤维梭菌Clostridium cellulolyticum分别和丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum的混菌发酵木质纤维素生产丁醇的研究，但实验结果并不理想，发酵停留在产酸期，溶剂产量低，需要额外添加丁酸诱导才能生产丁醇。2011年，Nakayama等(Nakayama S, Kiyoshi K, Kadokura T, 2011, 77: 6470-6475)选择糖乙酸多丁醇梭菌Clostridium saccharoperbutylacetonicum N1-4与热纤梭菌C. thermocellum以结晶纤维素为底物进行偶联发酵，历时11 d生产丁醇7.9 g/L，初步实现纤维素直接厌氧发酵生产丁醇。2013年，林逸君等（Lin Y, Wen Z, Zhu L, Lin J, Cen P, 2013, 3:444–449）通过采用新的偶联发酵策略（即先利用热纤梭菌C. thermocellum降解玉米棒芯累积较多可发酵糖后再接入拜氏梭菌C. beijerinckii进行丁醇发酵）在180 h内生产了16.0 g/L溶剂，其中丁醇产量高达8.75 g/L。但是由于热纤梭菌与拜氏梭菌的培养温度不匹配，发酵过程历经高温（60℃）和中温（37℃）两个阶段。纤维素糖化与丁醇发酵在时间上的不同步，导致整个生产过程历时180 h，溶剂生产强度仅有0.0889 g/L/h。而采用中温培养的纤维素降解菌与溶剂生产菌混菌培养，可以使纤维素糖化和丁醇发酵在时间和空间上同步进行，从而缩短发酵周期，提高生产强度。