[发明专利]利用木质纤维素生物质联产丁醇和氢气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用木质纤维素生物质联产丁醇和氢气的方法属于有机固体废弃物高效资源化利用领域。

背景技术

当今世界化石能源储备的耗竭和持续的环境污染，已成为全球面临的重要问题。随着人口增长和经济发展，未来全球能源需求将继续上升。能源和环境双重危机促使世界各国积极开发利用可再生的生物质资源生产燃料能源产品。目前，对生物质能源开发主要包括两个方面：

1)产品方面，目前主要以燃料乙醇为主，但乙醇并不是一种理想的生物质能源，其能量密度低，并且容易吸收环境中的水分，腐蚀性大，不适宜用现有的管道输送。而作为新一代的生物质能源，丁醇与乙醇相比具有更大的优势，它挥发性小，不吸湿，腐蚀性小，而且具有较高的辛烷值和能量密度，可以带来更好的经济效益。另外，由于生物丁醇与乙醇的生产工艺较为相似，现有的燃料乙醇生产设施稍微改造便可转而生产生物丁醇，因此生物丁醇的市场潜力较为巨大，其开发意义显著。氢能也是一种值得期待的新型能源，由于其具有能量密度高、清洁、无污染等特点，其生产和利用技术的开发已成为当今科学研究的热点。

2)资源利用方面，目前生物质能源主要以淀粉(木薯、玉米、高粱等)为原料生产，但纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资源，蕴储着巨大的生物质能。全世界每年通过光合作用产生的纤维生物质高达1000亿吨。我国的纤维原料也非常丰富，每年仅农作物秸秆就有7亿多吨。纤维来源广泛，包括工农业废弃物、可种植于边际土地的能源作物等，有助于解决生物能源发展所遇到的资源问题，因而受到人们的广泛关注。纤维原料转化产品丰富，可转化为生物燃料、氢气、生物基化学品等多种产品。利用工农业生产的纤维废弃物等廉价的基质制取生物质能源产品，既能降低其生产成本，又能使废弃物得到资源化，这将是生物质能源产业发展的最终选择。

生物法制备丁醇虽然比乙醇具有更光明的发展前景，然而实际发酵过程中丁醇转化碳源的产率要比乙醇低的多，因此限制了生物丁醇燃料的发展。为了使丁醇发酵在工业生产上更具有竞争力，必须提高丁醇的生产能力，这也是目前国内外发酵法生产丁醇的研究热点和难点。丁醇发酵的代谢途径复杂，代谢支路较多，如何使代谢流更多的流向丁醇是解决丁醇生产能力较低的关键所在。乙酸、丁酸等有机酸是丁醇发酵过程中产生的代谢副产物，同时也是丁醇合成过程中的中间代谢产物，根据代谢支路互相耦联的特性，通过添加代谢过程中间物质有机酸来改变代谢网络中各个支路的通量情况，有可能实现较为理想的底物到丁醇的转化，从而为大幅度提高丁醇产率找到出路。另外，在丁醇发酵过程中由于代谢产物的积累往往会造成约5-15g/L的底物剩余，如果将这部分底物直接排放不仅造成资源浪费，同时也增加了废液COD的含量。而在生物制氢发酵过程中产氢细菌所利用底物浓度范围通常为10-20g/L，且产氢发酵末端代谢产物主要为乙酸和丁酸。

发明内容

本发明要解决现有发酵产丁醇过程中底物成本高，底物发酵不彻底及底物转化效率低的问题，而提供利用木质纤维素生物质联产丁醇和氢气的方法。

本发明的利用木质纤维素生物质联产丁醇和氢气的方法，它是按照以下步骤进行的：

一、木质纤维素进行预处理：将木质纤维素中的半纤维素制成为可溶性木糖液，得半纤维素木糖液和固体；

二、将步骤一预处理后的固体用纤维素酶，采用酶水解糖化方法进行水解，浓缩后，得到葡萄糖水解液；

三、取能利用葡萄糖产丁醇的微生物，置于含有丁醇培养基的丁醇发酵罐中，发酵产丁醇，得到含丁醇的发酵液，然后含丁醇的发酵液经蒸馏脱水，获得质量百分含量为10～15％的丁醇，并收集经蒸馏脱水后的丁醇发酵残液备用；

四、将步骤三中经蒸馏脱水后得到的丁醇发酵残液加入到步骤一得到的半纤维素木糖液中，混合后得产氢发酵底物，然后将产氢发酵底物加入到产氢发酵罐中，采用能利用木糖及葡萄糖的混合糖作为碳源产氢的微生物，进行产氢发酵获得氢气；其中，半纤维素木糖液与丁醇发酵残液的体积比为(1～3)：1；

五、将步骤四产氢发酵后产生的有机酸溶液回流到步骤三丁醇发酵罐中，强化丁醇发酵，即完成利用木质纤维素生物质联产丁醇和氢气。

本发明包含以下有益效果：

①、在底物利用率方面，ABE(丙酮-丁醇-乙醇)发酵残余的碳水化合物能在产氢发酵过程中被继续利用，避免了这些残余的原料被当作废物而丢弃，同时得到一些有用的产物，使底物的能源转化效率提高15～30％；