[发明专利]一种木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种木质纤维素生物质综合利用的方法，具体涉及一种木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法。

背景技术

自工业革命时代以来，经济在以石油煤炭为代表的化石能源被急剧消耗的基础上高速发展。中国石油储备量仅占世界的2％，而年消费量却高居世界第二位。世界上石油的可开采量越来越少，而中国的经济发展导致石油的消耗在日益增长。2011年中国原油净进口量首次突破2亿吨，对外依存度超过55％，2012年中国原油进口对外依存度升至58％。专家预计全球现有石油储备量仅可维持100年左右的消耗，而中国如果按现有消耗量，不到50年国内原油资源将消耗殆尽，因此对进口原油的过度依赖已经威胁到中国的资源供应和战略安全。根据FAO数据显示，到2030年世界人口将增至65亿，能源需求上升60％。因此，由化石燃料燃烧导致的环境污染问题已经摆上各国议程。化石等不可再生资源的消耗必然导致能源危机，直接制约着现代社会的发展。开发和利用可再生能源是人类立早自身解决能源问题的重要举措之一，其中燃料乙醇是世界上生产和使用规模最大的生物质液体燃料。

丁醇是一种极具潜力的新型生物燃料，具有亲水性弱，腐蚀性小，便于管道输送，能与汽油任意比混合，含氧量与甲基叔丁基醚(MTBE)相近等优点。丁醇作为燃料，其热值和汽油相当，能量高于乙醇近50％。此外，丁醇还是重要的有机化工原料，可用作油漆和表面涂料的溶剂和各种塑料、橡胶制品的生产。随着石油资源的匮乏，丁醇显示出在能源方面的实用价值。

丙酮是优良的有机溶剂和重要的化工原料，广泛应用于化工、塑料、有机合成、油漆等工业。丙酮最大的消费领域为溶剂，占其消费总量28％，其次是甲基丙烯酸甲酯MMA和双酚A，分别占其消费总量的23％和21％，其他还用于生产丙酮氰醇和异丙醇等。由于目前丙酮、丁醇生物发酵法成本远远高于化学法，所以国内外丙酮的生产方式仍采用丙烯直接氧化、异丙醇法、异苯丙法等化学方法。然而由于石油化工行业的迅猛发展，导致各国的丙酮、丁醇发酵工业一路衰败。

随着石油资源的短缺，石油价格的不断上扬，经济和社会的发展需要进行资源，能源，环境等一场革命。在经济发展和社会发展的双重驱动下，世界各国开始重新关注微生物发酵法生产丙酮、丁醇的研究。Qureshi等人通过丙酮、丁醇梭菌发酵玉米纤维生产丁醇，随后又研究了拜氏梭菌发酵小麦秸秆生产丙酮、丁醇。在我国，中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态所科研人员利用一株高丁醇比例的丙酮丁醇梭菌，通过遗传操作改造该菌株代谢途径，将该菌丙酮合成途径关键酶基因敲除，阻断丙酮的产生大大提高了丁醇比例。刘自勇等人研究了小麦麸皮酸水解后的混合糖发酵生产丙酮、丁醇，丁醇含量达8.8g/L。山东大学方诩教授研究组采用湿盘法对玉米芯预处理，研究了以玉米芯为原料同步糖化法和分步糖化法对丁醇含量的影响，发现产物丁醇对细胞的毒性限制了总溶剂终浓度，导致后续成本较高，难以和化学合成法相竞争，所以菌种改良的目标就是选育高丁醇耐受性、高丁醇比例的高产菌。靳孝庆等也提出使用低价原料、提高丁醇菌株耐受性和提高丁醇比例是提高生物法生产丁醇竞争力的唯一出路。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，包括以下步骤：

(1)将木质纤维素材料粉碎，以液固质量比2～5：1置于质量浓度为0.5％～15％(w/w)的氨水溶液中浸泡得混合物；

(2)将步骤(1)所得的混合物进行固液分离，液体用于下一批木质纤维素材料浸泡，将含水固体(固含量30％～60％w/w)进行爆破处理得到爆破渣，爆破压力为1.8～2.5MPa，保压60～350s后在2～10s内完全卸压；

(3)将步骤(2)中的爆破渣以液固质量比为4～8：1置于水中，调节pH为4～6、放入酶解反应器中，设置温度为45～60℃，混匀，添加纤维素酶酶液和木聚糖酶酶液，纤维素酶酶液添加量为：按爆破渣干物质中每克纤维素质量添加纤维素酶酶液5～10FPU，木聚糖酶酶液添加量为：按爆破渣干物质中每克纤维素质量添加木聚糖酶酶液5～40U，糖化2～20h后，降温至40℃，将糖化后的渣液一起泵入发酵罐，接种活化后的酿酒酵母菌液，进行同步糖化发酵12～72h；

(4)然后向步骤(3)中发酵罐按发酵液的体积接入2～10％(v/v)的活化后的拜氏梭菌液，进行发酵得发酵液；