[发明专利]汽爆秸秆膜循环酶解耦合连续发酵制备丙酮丁醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于发酵技术领域，特别涉及一种汽爆秸秆膜循环酶解耦合连续发酵制备丙酮丁醇的方法。

背景技术

丙酮、丁醇是重要的食品和化工原料，传统的生产工艺多以淀粉，糖蜜等为原料，利用丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)发酵生产，工艺复杂，原料成本高。随着秸秆等可再生资源的开发，以秸秆为原料进行微生物发酵生产的研究也开始受到重视。秸秆是一类产量巨大，来源丰富的可再生资源，秸秆降解后产生大量的可溶性糖类，包括葡萄糖，木糖等，能够被用作丙酮丁醇梭菌发酵的良好底物。以秸秆为原料进行丙酮丁醇发酵的研究已经有很多，如Ropars等利用汽爆玉米芯酶解液制取丙酮丁醇[Ropars，et al，Bioresource technology1992；42：197-204.]，陈守文等利用稻草酶解液[陈守文等，工业微生物，1998；28(4)：30-34]制取丙酮丁醇。由于秸秆酶解的最适温度为50℃，而丙酮丁醇梭菌发酵的最适温度为35℃，因此，现有的生产方式都要经过原料预酶解，过滤得到酶解液，向酶解液中添加营养组分，灭菌等几个步骤，才能进行发酵生产，生产步骤复杂，难以实现同步酶解和连续发酵。而且，在秸秆原料酶解过程中，需要用到大量的纤维素酶，由于纤维素酶价格昂贵，用量大，因此，酶制剂的成本往往在整个生产成本中占有很大的比例，导致生产成本据高不下。而且，酶解反应还受到其它许多条件的限制，包括产物抑制，反应速率低，缺乏适合的反应器等[Sen Y，Process Biochem 2006；41：721-725]，生产效率难以提高。

此外，发酵产物中的溶剂，尤其是丁醇，会对细胞产生毒性。在丙酮丁醇梭菌发酵过程中，当发酵液中总溶剂的浓度大于1.3％时，就会对细胞产生毒害[Eric F，et al.J Chem Tech Biotech 1996；65：221-228]。有研究采用气提，液液抽提，渗透蒸发以及吸附的方法对发酵液进行在线处理[Thaddeus，BioprocessBiosystem Eng 2005；27：207-214.Qureshi N，Renewable Energy 2001；22：557-564.]，但都存在着设备复杂，成本高的问题。因此，必须改进发酵方式，提高发酵效率。

发明内容

本发明的目的是针对以秸秆为原料的丙酮丁醇发酵过程中存在的处理步骤复杂，酶制剂成本高，难以实现同步糖化发酵，产物抑制效应显著等问题，而提供一种汽爆秸秆膜循环酶解耦合连续发酵制备丙酮丁醇的方法。

本发明的另一目的是提供一种膜循环酶解耦合连续发酵装置。

实现本发明目的的技术方案如下：

本发明提供的汽爆秸秆膜循环酶解耦合连续发酵制备丙酮丁醇的方法，其步骤如下：

1)将汽爆秸秆料置于酶解罐中，加入用硫酸调节pH4.8的含KH₂PO₄、MgSO₄·7H₂O和酵母抽提物的蒸馏水溶液；所述汽爆秸秆原料的重量和蒸馏水溶液的体积的比例为1∶7～1∶10(w/v，下同)；同时加入纤维素酶制剂，加入量为每g汽爆秸秆添加20FPU的纤维素酶制剂；并将酶解罐置入50℃的第一水浴锅内进行酶解；

将所得酶解液透过中空纤维膜组件进入置于35℃的第二水浴锅内的发酵罐中，进行发酵；发酵过程中为了弥补由于酶解液透出而导致的酶解罐中的液体量减少，利用补液罐向酶解罐中不断补充和酶解罐中组分相同的蒸馏水溶液，调节循环泵的流速，使流入酶解罐的液体量和经由中空纤维膜渗透出的酶解液的量相同，以保持酶解罐中的上述固液比；

2)制备丙酮丁醇梭菌种子液：

将丙酮丁醇梭菌接种于种子培养基后，在35℃厌氧环境下培养至对数生长期，制得丙酮丁醇梭菌种子液；