[发明专利]利用木质纤维素生产丁醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物化工领域。具体地，本发明涉及利用木质纤维素生产丁醇的方法。

背景技术

丁醇是良好的石油替代燃料和重要的化工原料，广泛应用于食品、医药、塑料、印染等方面。与乙醇相比，丁醇具有能量密度高，腐蚀性低，可以任意比例与汽油互溶，对现有的发动机和输油管道无需改造而直接利用等优点，因而更具应用潜力。

木质纤维素作为自然界中来源最为广泛，价格极为低廉，且能再生的绿色资源，木质纤维素经过预处理后，能够降解为含有多种能够被利用的糖类的水解液，再利用生物转化方法，如微发酵过程，将产生的糖类转化成生物燃料，作为生产丁醇的原料。

然而，目前利用木质纤维素生产丁醇的方法仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供利用木质纤维素生产丁醇的方法。该方法能够有效地脱除木质纤维素经过酸水解处理得到的水解液中的糠醛和5-羟甲基糠醛，同时降低了乙酸浓度，从而使产丁醇梭菌能够利用该水解液进行发酵处理，得到丁醇，以实现木质纤维素的回收利用。

需要说明的是，本发明是基于发明人的下列发现而完成的：

产丁醇梭菌本身缺乏分解纤维素的酶类，不能直接利用木质纤维素。由于纤维素酶的骨架蛋白架蛋白相对复杂，需要多种酶的协同作用才能完成降解纤维素，所以通过基因工程手段引入异源纤维素酶的基因，容易使异源酶在产丁醇梭菌中的表达“失速”，还会影响细胞本身总体的蛋白分泌，进而导致细胞死亡。添加纤维素酶，能够对木质纤维素进行酶解处理，但是其成本较高。相比于条件温和的酶解处理，酸或碱水解处理效率较高，尤其是酸处理。然而，酸处理过程中形成的单糖会进一步降解，产生抑制物，如糠醛、5-羟甲基糠醛和乙酸等，这些抑制物直接或间接抑制产丁醇梭菌生长及发酵。因此，需要对酸水解处理得到的水解液进行脱毒处理。然而，采用物理法(真空蒸发等)或化学法(活性炭吸附、离子交换树脂吸附、沉淀等)对设备和工艺要求较高，成本也相应增加，甚至超过直接利用淀粉类物质的成本，从而限制了木质纤维素作为丁醇发酵的原料。

本发明的发明人经过大量实验发现，将木质纤维素进行酸水解处理，得到水解液，利用酵母菌能够代谢水解液中抑制物的特性，将酵母菌接种于水解液中进行发酵处理，有效地脱除水解液中的糠醛和5-羟甲基糠醛，同时降低了乙酸浓度，得到脱毒水解液，然后将产丁醇梭菌接种于脱毒水解液中进行发酵处理，产生丁醇。

本发明提出了一种利用木质纤维素生产丁醇的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)将所述木质纤维素进行酸水解处理，得到水解液；(2)利用所述水解液对酵母菌进行第一发酵处理，得到脱毒水解液；以及(3)利用所述脱毒水解液对产丁醇梭菌进行第二发酵处理，以便得到丁醇。根据本发明的优选实施例，所述酵母菌为粘红酵母。由此，根据本发明实施例的方法能够有效地脱除水解液中的糠醛和5-羟甲基糠醛，同时降低了乙酸浓度，从而使产丁醇梭菌能够利用该水解液进行发酵处理，得到丁醇，以实现木质纤维素的回收利用。

根据本发明的实施例，上述利用木质纤维素生产丁醇的方法还可以具有下列附加技术特征：

根据本发明的实施例，所述产丁醇梭菌选自丙酮丁醇梭菌或拜氏梭菌，优选丙酮丁醇梭菌。

根据本发明的实施例，所述木质纤维素选自甘蔗渣、玉米芯或秸秆。

根据本发明的实施例，所述酸水解处理包括：将所述木质纤维素与酸溶液按照1:3～5的质量体积比进行混合处理，得到混合物；以及将所述混合物在123～135摄氏度的温度下进行酸水解处理1～2小时，得到水解液，根据本发明的具体示例，所述酸溶液包括0.5质量体积％H₂SO₄和1.5质量体积％H₃PO₄。由此，能够有效地将木质纤维素降解为糖类，同时使较少的糖类进一步降解为抑制物。

根据本发明的实施例，将所述混合物在135摄氏度的温度下进行酸水解处理1小时，得到水解液。由此，能够有效地将木质纤维素降解为糖类，同时使较少的糖类进一步降解为抑制物。

根据本发明的实施例，所述酵母菌的接种量为5～10体积％，所述发酵处理是在30摄氏度的温度以及180rpm的转速下进行24～48小时，根据本发明的优选实施例，所述酵母菌的接种量为5体积％。由此，能够使酵母菌充分脱除水解液中的抑制物。

根据本发明的实施例，当发酵液中无糠醛和5-羟甲基糠醛时，停止所述第一发酵处理。由此，能够使酵母菌充分脱除水解液中的抑制物。