[发明专利]一种以木质纤维素为原料发酵制备丁醇的方法

说明书

本发明涉及一种以木质纤维素为原料发酵制备丁醇的方法，包括（1）将木质纤维素原料进行预处理；（2）对预处理后原料进行酶解，得到纤维素和半纤维素水解混合糖液；（3）利用氢氧化钙对水解混合糖液进行脱毒处理；（4）以脱毒后糖液为碳源，补加营养元素制备发酵培养基；（5）将拜氏梭菌XH0906接种至发酵培养基中，发酵制备丁醇；所述拜氏梭菌XH0906，其分类命名为拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii），已于2014年05月04日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No. 9124。本发明以拜氏梭菌XH0906为发酵菌株，可以同时利用纤维素和半纤维素的水解产物作为发酵底物，具有发酵产率高、丁醇选择性高、耐氧能力强等特点。

技术领域

本发明属于生物发酵技术领域，具体涉及一种以木质纤维素为原料发酵制备丁醇的方法。

背景技术

丁醇是一种重要的有机化工原料，在化工、医药和石油等工业部门有广泛的用途。而且由于比乙醇多两个亚甲基，丁醇具有更高的疏水性，较低的挥发性，可与汽油以任意比例混合，并具有与汽油相当的热值。作为一种有潜力的可以替代汽油的可再生生物能源，丁醇越来越受到世界各国的关注。

随着石油资源的日益枯竭，降低矿物能源的使用比重，加强可再生能源开发已成为人类今后能源利用的重要趋势。而且采用以石油为原料的丙烯羰基合成法生产丁醇由于技术落后，装置偏小导致产能不够，致使中国丁醇市场长期供应不足，不能满足国内市场的需求。生物发酵法制备丁醇有其独到的优势，发展生物丁醇将极大地缓解丁醇供应不足的现状。

由于我国人口众多，用传统的原料（玉米和甘蔗）发酵生产丁醇势必会造成与人争粮的问题，造成粮食短缺，因此开展以可再生的生物质材料为原料生物转化生产生物丁醇是符合国情的研究方向。木质纤维素类农业副产物，蕴含大量的纤维素和半纤维素，例如玉米秸秆干物质中纤维素占34-42%，半纤维素占22-28%（岳国君，纤维素乙醇工程概论[M].北京：化学工业出版社，2014）。纤维素的水解产物为葡萄糖，而半纤维素的水解产物主要为木糖，还有少量甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖，木质纤维素原料水解产生的混合糖中，半纤维素糖（主要为木糖）占30%-40%，因此半纤维素糖的发酵显得至关重要。

菌株和原料问题一直是困扰丁醇发酵的瓶颈。近年来，国内外对纤维原料发酵产丁醇的研究很多，主要围绕菌种诱变选育，寻找合适的纤维原料及其糖液制备、发酵工艺条件优化和溶剂提取等方面进行。目前工业上用于丁醇生产的菌株主要是丙酮丁醇梭菌和拜氏梭菌，具有相似的代谢路径，其发酵产物主要分为3 类：1)溶剂（丙酮、乙醇和丁醇）；2)有机酸（乙酸、乳酸和丁酸）；3)气体（包括二氧化碳、氢气等）。他们有的能够利用葡萄糖、蔗糖和淀粉，有的可以利用木糖、半乳糖和甘露糖，因此可以利用该菌对木质纤维素水解的混合糖进行丁醇丙酮发酵。但是，传统丙酮丁醇发酵普遍存在以下问题：（1）传统的丙酮丁醇发酵菌株需在严格厌氧条件下培养发酵，稍有操作不慎，很容易进入空气，造成菌体不能正常生长，因此在发酵过程中通常需要通入惰性气体如N₂来保证无氧环境，能耗较高；（2）丁醇产率低，仅20%左右（质量分数），使得丁醇发酵过程原料成本偏高，制约了丁醇发酵产业的发展；（3）发酵产物除了丁醇外还有40%的丙酮和乙醇等副产物，消耗了有限的碳代谢流，降低了产物中丁醇所占的比例，增加了回收丁醇的难度，提高了能耗。

中国专利201110047422.0提供了一种利用丙酮丁醇羧菌厌氧发酵产丁醇的方法，以葡萄糖为底物，初始葡萄糖浓度为60g/L，在通入N₂保持发酵罐严格厌氧环境的情况下，对丙酮丁醇羧菌产酸期和产醇期的pH进行调控，总溶剂和丁醇的产量分别为19.20-19.65g/L和11.43%-12.30g/L，丁醇选择性为58.2%- 63.1%，溶剂产率为32.0%-32.8%，丁醇产率为19.1%-20.5%。