[发明专利]一种以秸秆水解液为原料发酵生产ABE的方法

说明书

本申请属于生物质能源制备技术领域，具体涉及一种以秸秆水解液为原料发酵生产ABE的方法。具体包括：秸秆预处理、生物酶解、制备ABE发酵培养液、发酵水解液等步骤。本申请中，在以秸秆酸水解液为原料发酵丁醇时，配合特定微生物菌株发酵处理时，通过添加谷胱甘肽后可显著影响溶剂代谢途径中相关关键酶表达量的变化，进而改变了菌株细胞膜的化学成分，提高了产丁醇能力。本申请将秸秆预处理制成水解液后直接发酵生产ABE，避开了复杂的脱毒工艺，从而有利于降低生产成本和促进ABE发酵生产的产业化；进一步通过发酵工艺的优化，尤其是通过发酵过程中谷胱甘肽的添加和利用，进一步提高了ABE的发酵产率，有助于促进ABE工业化生产。

技术领域

本申请属于生物质能源制备技术领域，具体涉及一种以秸秆水解液为原料发酵生产ABE的方法。

背景技术

生物质能源技术开发利用过程中，丙酮、乙醇、丁醇（acetone-ethanol-butanol，简称ABE）发酵是一项较为成熟的发酵技术，也是仅次于酒精发酵的世界第二大发酵过程。随着全球经济的快速发展，能源问题成为经济发展的重要制约因素，寻找能够取代化石燃料的潜在能源迫在眉睫。

生物发酵生产燃料是最有效的方法之一，而生物丁醇则为生物燃料最具前景的研究之一。生物丁醇不仅是一种重要的有机化工原料，也是一种极具潜力的新型生物燃料。然而，利用粮食作物生产ABE引起人们对粮食安全与环境影响的忧虑，因此科学家对利用秸秆为原料生产ABE产生了浓厚的兴趣，与使用玉米和大豆等粮食作为原料的第一代生物燃料相比，秸秆ABE的最大优势在于避免了“道德风险”，一旦产业化生产，秸秆ABE可以解决“与人争粮”的问题，还可以变废为宝。

实际发酵生产过程中，由于丁醇生产菌无法直接利用秸秆类生物质的主要成分纤维素和半纤维素，因此在发酵前需要对秸秆进行一定程度的预处理。目前主要的预处理包括气爆、酸水解、酶处理等。秸秆预处理后会生成葡萄糖、木糖等可发酵性糖，但同时会产生大量盐类物质、酸类物质、醛类物质和酚类物质等微生物发酵抑制物。因此以秸秆水解物为底物发酵时往往需要复杂的脱毒处理工艺。目前常用的脱毒方法有物理法、化学法和生物法等。物理法主要有旋转蒸发、活性炭吸附、离子交换树脂等，其中旋转蒸发适合乙酸、糠醛等易挥发性物质的去除。活性炭吸附是主要依靠吸附作用除去部分木质素降解物及其他毒害物质，离子交换树脂既可以除去无机离子也可除去水解液中大部分糠醛、醋酸等，化学法是通过化学沉淀、改变pH及一些抑制物的电离特性从而达到降低毒性的目的，生物法是用特定的酶或微生物作用于发酵抑制物，通过改变抑制物的结构而降低毒性。但实际应用中，单一方法往往难以满足发酵需求，通常是各种方法综合利用。而这些脱毒方法明显增加了生产成本，限制了利用秸秆生产ABE的产业化。因此，针对性地开发廉价、操作性高的生产工艺，避开脱毒工艺，对于真正实现以秸秆为原料生产ABE具有十分重要的技术意义。

发酵液中氧化还原环境的改变对细胞生长、产品发酵影响很大，谷胱甘肽往往应用于好氧细菌的发酵氧化还原电位调节，对厌氧菌的研究报道不多。丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌为厌氧菌，不具备合成谷胱甘肽的能力。Linjiang Zhu 等（MetabolicEngineering13(2011)426–434）在丙酮丁醇梭菌中过表达gshAB，使菌株获得了合成谷胱甘肽的能力，结果表明可能是减少了溶剂对细菌细胞膜的损害，提高了菌株生产丁醇的能力。

发明内容

本申请目的在于提供及一种以秸秆水解液为原料，通过在水解液中加入谷胱甘肽来快速发酵生产丙酮、乙醇、丁醇的方法，而这种方法通过规避脱毒工艺的处理，能够达到简化ABE的发酵生产工艺的生产目的，从而促进ABE发酵生产的产业化发展。

本申请所采取的技术方案详述如下。

一种以秸秆水解液为原料发酵生产ABE的方法，具体包括如下步骤：

（一）秸秆水解液的制备

制备秸秆水解液时，包括秸秆预处理、生物酶解等步骤，具体而言：