[发明专利]一种以纤维二糖、戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种发酵生产丙酮丁醇的方法，具体涉及一种利用以木质纤维素类原料水解得到的纤维二糖、戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法。

技术背景

丙酮丁醇是一种重要的有机溶剂和化工原料，广泛应用于喷漆、炸药、塑料、制药、植物抽提及有机玻璃、合成橡胶等工业。生物丁醇与乙醇相似，是生物加工的醇类燃料，是新一代液体燃料。汽油中的主要组成是C₆～C₈，因此丁醇比乙醇更类似于“油”，与燃料添加剂和润滑油配伍性更好。丁醇的另一个优势就是它可以比乙醇以更高的浓度和汽油混合，而无需对现有车辆进行改型。虽然乙醇和丁醇都是醇类，但丁醇有较高的能量密度，其热值和汽油相当，远高于乙醇，与传统燃料相比，可多走10％的路程；与乙醇相比，可多走30％的路程。随着石油资源的匮乏，丁醇显示出在能源方面的优越性。

目前丙酮丁醇的生产方法主要有发酵法和化工合成法。发酵法为较为成熟的方法，从20世纪初就开始有大规模应用。到了60年代，欧美发达国家发现丙酮、丁醇可以廉价地从石油合成，因此逐渐取代发酵法成为工业生产丙酮、丁醇的首选。但近年来，由于石油资源日渐枯竭、国际原油价格不断上涨、再加上日益严峻的生态环境问题，各国又重新开始重视发酵法生产丙酮、丁醇。

发酵法生产丙酮、丁醇主要使用淀粉类物质作为原料，包括玉米、薯类等，也可使用糖类作为原料。其中玉米是最为理想的原料，它不需添加任何辅助原料，只要配制成5～8％的醪液，就是丙酮丁醇梭菌理想的培养基。但同时玉米也是一种重要的粮食资源，如果单纯用玉米发酵，会使生产企业原料成本上升，也会造成粮食资源紧张等问题。因此，各国都在寻积极找可以代替玉米进行发酵的原料。

木质纤维素类生物质包括农业生产的废弃物和剩余物(如农作物秸秆、谷壳、麸皮、蔗渣等)、林木(软木和硬木)及林业加工废弃物、草类等，是地球最重要的再生生物资源，每年的总产量约占所有生物质资源的50％，目前大多数此类物质没有得到很好的利用。因此，利用木质纤维素为主的可再生生物质资源，生产可再生能源具有重要的经济与社会意义。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素、木质素和其它组分构成。将其水解(用酸法或者酶法，可生成葡萄糖、木糖、纤维二糖、阿拉伯糖、半乳糖等成分；其中半纤维素水解后可生成木糖、阿拉伯糖等戊糖组分，约占水解糖类的30～40％，其中木糖约占戊糖总量的80％。纤维素通过水解可得到葡萄糖、纤维二糖和木糖等。

纤维素水解分为酸水解和酶水解，酸水解技术成熟但是后续处理较为繁琐，酶水解效率高但是成本高，长远来看酶水解对环境友好，是发展的趋势。

纤维素酶为混合酶系，包括内切葡聚糖酶(C1)、外切葡聚糖酶(Cx)和β-葡聚糖苷酶，一般认为是由内切葡聚糖酶(C1酶)首先进攻纤维素的非结晶区，形成Cx所需的新的游离末端，然后由Cx酶从多糖链的还原端或非还原端切下纤维二糖，再由β-葡聚糖苷酶将纤维二糖水解成二个葡萄糖，此过程中纤维素酶水解效率主要受纤维二糖的反馈抑制，葡萄糖也会有轻微抑制作用。目前市场上大多数纤维素酶的三种酶活性不相匹配，特别是里氏木霉所产纤维素酶系中β-葡聚糖苷酶对水解效率抑制很大，酶水解液中有大量的纤维二糖，若纤维二糖能被丙酮丁醇梭菌利用，可以大大提高水解糖的利用率以及丙酮丁醇产品收率，对降低丙酮丁醇产品生产成本具有现实意义。

目前尚无报道以纤维二糖、戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用纤维二糖、戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法。

为达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明包括如下步骤：

1)选用秸秆等木质纤维素类原料的水解液，根据水解液中纤维二糖、戊糖和己糖等总糖含量，可以加水，或补加戊糖和己糖，或补加淀粉类原料，调节含外加淀粉能水解的单糖的总糖含量为30～90g/L；

2)根据纤维二糖、戊糖和己糖等总糖含量，加入一定比例的氮源或磷源，再加酸、或碱、或氨水、或碳酸钙、或它们的混合物调ph值为4.5～8.0，将原料蒸煮灭菌得蒸煮醪液；

3)待蒸煮醪液冷却至42℃及以下接菌种，发酵；

4)将发酵液过滤，蒸馏，精馏得到最终的丙酮、丁醇、乙醇产品。

所述氮源或磷源选自以下原料之一或者其混合：玉米浆、麸皮、米糠、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、酵母粉、豆饼、硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵和乙酸铵，按重量百分比计算，为总糖量的3～50w％，总糖包括纤维二糖、戊糖和己糖等。