[发明专利]用纤维物质生产燃料乙醇和2,3-丁二醇的方法

说明书

【技术领域】：本发明属于纤维物质生物转化技术领域，特别涉及一种将纤维物质先 预处理，后将半纤维素组分水解，将五碳糖水解液与固体纤维素残渣分离，然后将五碳糖 水解液和纤维素残渣分别发酵生产燃料乙醇和2，3-丁二醇的方法。

【背景技术】：石油资源日益枯竭，现代社会面临着严重的能源和资源危机，通过生 物转化方式，利用木质纤维素类可再生物质生产生物燃料和生物基化学品，缓解和解决能 源和资源危机转化是国际上的广泛共识。燃料乙醇是世界上生产规模最大、发展最快的生 物能源。2，3-丁二醇是重要的化工原料和液体燃料，可广泛应用于化工、燃料、航空航天 等多个领域，目前市场售价16000元/吨以上。

就燃料乙醇的生产原料而言，现阶段世界上大多数国家都是以玉米等粮食作物为主， 但从长远来看，包括农作物秸秆在内的木质纤维素类物质，是最具前景的燃料乙醇生产原 料。地球上每年光合作用的产物高达1500多亿吨，其中绝大部分为木质纤维素类物质， 仅我国每年的农林废弃物就有近10亿吨。

木糖发酵问题一直是纤维素燃料乙醇工业化生产的技术瓶颈之一。木质纤维素类物质 主要由纤维素(35％～45％)、半纤维素(30％～35％)和木质素(15％～25％)三种成分 组成。半纤维素经水解后得到五碳糖和六碳糖的混合糖液，其中木糖是半纤维素中含量最 多的糖分，也是整个木质纤维素类物质中含量仅次于葡萄糖的第二大糖分。在现行木质纤 维素乙醇技术中，一部分半纤维素在预处理(如酸预处理)阶段被水解，与木质素水解得 到的酚类化合物和半纤维素自身产生的乙酸、糠醛、羟甲基糠醛等抑制物混在一起，多直 接作为废水排放，若要进行木糖发酵须经过复杂的脱毒工艺，成本高，且发酵效率低下， 无法完成有效利用。剩余的半纤维素在纤维素酶解阶段与纤维素一起水解，得到五碳糖和 六碳糖的混合糖液，由于用于葡萄糖酒精发酵的酿酒酵母无法发酵木糖，构建的基因工程 菌株木糖发酵性能离真正工业生产尚有差距，且存在葡萄糖阻遏作用等因素的影响，混合 糖液中的五碳糖(木糖)部分同样不能有效发酵转化。木糖发酵难题导致现有纤维素乙醇 生产技术大多忽略或无奈放弃了木糖发酵，只利用了纤维原料中的纤维素部分，致使原料 利用率偏低，基本在30％～35％水平，生产1吨燃料乙醇需6～7吨木质纤维素类原料，这 不但增加了生产成本，造成资源浪费，而且加大了含五碳糖废水的处理难度和成本。

【发明内容】：本发明目的是解决现行纤维物质发酵生产燃料乙醇过程中木糖无法有 效利用，原料利用率低，综合生产成本高的问题，提供一种将木质纤维素原料中半纤维素 和纤维素有效分离、分别发酵生产燃料乙醇和2，3-丁二醇的新工艺。

本发明总体技术方案流程如图1所示：纤维物质先经碱法预处理工艺，有效去除木质 素，破坏木质纤维素的致密结构，为半纤维素和纤维素的酶水解创造条件，而后经木聚糖 酶酶解将预处理后原料中的半纤维素组分高效水解，经固液分离得低毒木糖水解液和高纤 维素残渣，木糖水解液发酵生产2，3-丁二醇，纤维素残渣经常规法同步糖化发酵生产乙醇。

具体工艺步骤如下：

第一、碱法预处理：纤维物质(农业废弃物玉米芯、玉米秸秆、稻草、麦秆 或草等)原料除杂、粉碎至20～40目后，按固液比1∶15～1∶25与反应液充分混合，置于密 闭的反应器中，反应温度60℃～80℃，预处理8～13h。其中碱处理反应液中各物质体积质 量浓度为氨水1.5％～3.0％、过氧化氢0.4％～0.8％，以及增效剂硅酸钠3％～6％和硫酸镁 0.02％～0.1％，硅酸钠和硫酸镁的加入可有效提高木质素的去除率。

第二、木聚糖酶酶解：将第一步预处理后的原料用水洗至中性，按液固质量比10∶1～25∶1 将原料投入pH4.5～5.5的木聚糖酶酶解缓冲水溶液中，按90IU～200IU/g原料加入市售木 聚糖酶，同时加入各种激活剂，在45℃～55℃下酶解36h～72h，得到木聚糖酶酶解体系。 各激活剂在整个反应液中的体积质量浓度分别为：Tween800.05％～2.5％、PEG6000 0.05％～1％、BSA(牛血清蛋白)0.05％～4％和鼠李糖脂(RH)0.001％～1％。

第三、固液分离：将第二步的木聚糖酶酶解体系进行固液分离，液相部分为含有少量 葡萄糖的低毒性五碳糖水解液，固相为含有少量木质素和半纤维素的高纤维素残渣。