利用木質纖維素生產丁醇的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及生物化工領域。具體地，本發明涉及利用木質纖維素生產丁醇的方法。
【背景技術】
[0002] 丁醇是良好的石油替代燃料和重要的化工原料，廣泛應用于食品、醫藥、塑料、印 染等方面。與乙醇相比，丁醇具有能量密度高，腐蝕性低，可以任意比例與汽油互溶，對現有 的發動機和輸油管道無需改造而直接利用等優點，因而更具應用潛力。
[0003] 木質纖維素作為自然界中來源最為廣泛，價格極為低廉，且能再生的綠色資源，木 質纖維素經過預處理后，能夠降解為含有多種能夠被利用的糖類的水解液，再利用生物轉 化方法，如微發酵過程，將產生的糖類轉化成生物燃料，作為生產丁醇的原料。
[0004] 然而，目前利用木質纖維素生產丁醇的方法仍有待改進。
【發明內容】
[0005] 本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的一個目的 在于提供利用木質纖維素生產丁醇的方法。該方法能夠有效地脫除木質纖維素經過酸水解 處理得到的水解液中的糠醛和5-羥甲基糠醛，同時降低了乙酸濃度，從而使產丁醇梭菌能 夠利用該水解液進行發酵處理，得到丁醇，以實現木質纖維素的回收利用。
[0006] 需要說明的是，本發明是基于發明人的下列發現而完成的：
[0007] 產丁醇梭菌本身缺乏分解纖維素的酶類，不能直接利用木質纖維素。由于纖維素 酶的骨架蛋白架蛋白相對復雜，需要多種酶的協同作用才能完成降解纖維素，所以通過基 因工程手段引入異源纖維素酶的基因，容易使異源酶在產丁醇梭菌中的表達"失速"，還會 影響細胞本身總體的蛋白分泌，進而導致細胞死亡。添加纖維素酶，能夠對木質纖維素進行 酶解處理，但是其成本較高。相比于條件溫和的酶解處理，酸或堿水解處理效率較高，尤其 是酸處理。然而，酸處理過程中形成的單糖會進一步降解，產生抑制物，如糠醛、5-羥甲基糠 醛和乙酸等，這些抑制物直接或間接抑制產丁醇梭菌生長及發酵。因此，需要對酸水解處理 得到的水解液進行脫毒處理。然而，采用物理法（真空蒸發等）或化學法（活性炭吸附、離 子交換樹脂吸附、沉淀等）對設備和工藝要求較高，成本也相應增加，甚至超過直接利用淀 粉類物質的成本，從而限制了木質纖維素作為丁醇發酵的原料。
[0008] 本發明的發明人經過大量實驗發現，將木質纖維素進行酸水解處理，得到水解液， 利用酵母菌能夠代謝水解液中抑制物的特性，將酵母菌接種于水解液中進行發酵處理，有 效地脫除水解液中的糠醛和5-羥甲基糠醛，同時降低了乙酸濃度，得到脫毒水解液，然后 將產丁醇梭菌接種于脫毒水解液中進行發酵處理，產生丁醇。
[0009] 本發明提出了一種利用木質纖維素生產丁醇的方法。根據本發明的實施例，所述 方法包括：（1)將所述木質纖維素進行酸水解處理，得到水解液；(2)利用所述水解液對酵 母菌進行第一發酵處理，得到脫毒水解液；以及（3)利用所述脫毒水解液對產丁醇梭菌進 行第二發酵處理，以便得到丁醇。根據本發明的優選實施例，所述酵母菌為粘紅酵母。由 此，根據本發明實施例的方法能夠有效地脫除水解液中的糠醛和5-羥甲基糠醛，同時降低 了乙酸濃度，從而使產丁醇梭菌能夠利用該水解液進行發酵處理，得到丁醇，以實現木質纖 維素的回收利用。
[0010] 根據本發明的實施例，上述利用木質纖維素生產丁醇的方法還可以具有下列附加 技術特征：
[0011] 根據本發明的實施例，所述產丁醇梭菌選自丙酮丁醇梭菌或拜氏梭菌，優選丙酮 丁醇梭菌。
[0012] 根據本發明的實施例，所述木質纖維素選自甘蔗渣、玉米芯或秸桿。
[0013] 根據本發明的實施例，所述酸水解處理包括：將所述木質纖維素與酸溶液按照 1:3~5的質量體積比進行混合處理，得到混合物；以及將所述混合物在123~135攝氏度 的溫度下進行酸水解處理1~2小時，得到水解液，根據本發明的具體示例，所述酸溶液包 括〇. 5質量體積％H2S0JP1. 5質量體積％Η3Ρ04。由此，能夠有效地將木質纖維素降解為 糖類，同時使較少的糖類進一步降解為抑制物。
[0014] 根據本發明的實施例，將所述混合物在135攝氏度的溫度下進行酸水解處理1小 時，得到水解液。由此，能夠有效地將木質纖維素降解為糖類，同時使較少的糖類進一步降 解為抑制物。
[0015] 根據本發明的實施例，所述酵母菌的接種量為5~10體積％，所述發酵處理是在 30攝氏度的溫度以及180rpm的轉速下進行24~48小時，根據本發明的優選實施例，所述 酵母菌的接種量為5體積％。由此，能夠使酵母菌充分脫除水解液中的抑制物。
[0016] 根據本發明的實施例，當發酵液中無糠醛和5-羥甲基糠醛時，停止所述第一發酵 處理。由此，能夠使酵母菌充分脫除水解液中的抑制物。
[0017] 根據本發明的實施例，所述方法進一步包括：將所述第一發酵處理的產物進行離 心處理，或者將所述第一發酵處理的產物進行加熱處理，以便得到所述脫毒水解液。由此， 能夠有效地除去酵母菌。
[0018] 根據本發明的實施例，將產丁醇梭菌按照5~10體積％接種于所述脫毒水解液 中。由此，能夠使產丁醇梭菌充分脫毒水解液生產丁醇。
[0019] 根據本發明的實施例，所述產丁醇梭菌預先經過活化處理，所述活化處理包括： (1)將保存于-80攝氏度的所述產丁醇梭菌接種于玉米培養基中，37攝氏度下厭氧培養 24~48小時，得到一級種子液；以及（2)將所述一級種子液按照5~10體積％的接種量 接種于P2培養基中，37攝氏度下厭氧培養24~48小時，得到二級種子液。由此，能夠使產 丁醇梭菌充分利用脫毒水解液生產丁醇。
[0020] 根據本發明的實施例，所述玉米培養基包括玉米醪及水；所述P2培養基包括40g/ L的葡萄糖、lg/L的酵母粉、1質量％緩沖液、1重量％營養液及水，所述緩沖液包括磷酸氫 二鉀65. 5g/L、磷酸二氫鉀50g/L和乙酸銨220g/L，所述營養液包括lg/L對-氨基苯甲酸、 lg/L硫胺素、0.lg/L生物素、200g/L硫酸鎂、10g/L硫酸猛、10g/L硫酸亞鐵以及10g/L氯化 鈉。由此，能夠使產丁醇梭菌充分利用木質纖維素水解液生產丁醇。
[0021] 本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【具體實施方式】
[0022] 下面詳細描述本發明的實施例。下面描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發 明，而不能理解為對本發明的限制。
[0023] 本發明提出利用木質纖維素生產丁醇的方法。根據本發明的實施例，該方法包 括：
[0024] (1)將木質纖維素進行酸水解處理，得到水解液。
[0025] 在該步驟中，通過酸水解處理降解木質纖維素，形成多種單糖，以使單糖被產丁醇 梭菌利用。根據本發明的實施例，酸水解處理包括：將木質纖維素與酸溶液按照1:3~5的 質量體積比進行混合處理，得到混合物；以及將混合物在123~135攝氏度的溫度下進行 酸水解處理1~2小時，得到水解液，根據本發明的具體示例，酸溶液包括0. 5質量體積％ H2S〇dP1. 5質量體積％Η3P04。根據本發明的優選實施例，將混合物在135攝氏度的溫度下 進行酸水解處理1小時，得到水解液。發明人經過大量實驗優化得到最優酸處理條件，在此 條件下能夠有效地產生大量單糖，并使單糖較少地降解成抑制物。酸水解溫度過高或者時 間過長，會產生大量抑制物，且得到的糖含量較低；溫度過低或者時間過短，降解得到的糖 含量較低。
[0026] 需要說明的是，本發明對木質纖維素的種類不作嚴格限定，只要能夠將其水解，得 到糖類，以供微生物利用即可。根據