一種以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法

2024-04-04 00:35:05

專利名稱：一種以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法
技術領域：
本發明屬於生物工程技術領域，具體涉及一種以木質纖維素類生物質為原料發酵
製備生物丁醇的方法。
背景技術：
丁醇，又稱正丁醇，是重要的有機化工原料，可用作油漆和表面塗料的溶劑，也用 於生產鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸丁苄酯(BBP)等增塑劑，2006年全球的丁醇 需求量達300萬噸。目前丁醇作為一種極具潛力的新型燃料已經引起國內外的高度重視， 與乙醇相比，丁醇有能量密度大、對水的穩定性高、可直接用於內燃機、運輸方便等優點。丁 醇的生產方法主要有丙烯羰基合成法和發酵法，由於發酵法生產丁醇具有原料可再生、不 依賴石油等特點，發酵法製備丁醇逐漸成為生物能源的研究熱點之一。近年來生物丁醇生 產裝置逐年增加，我國相關企業的生物丁醇總生產能力已超過20萬噸/年，但目前大規模 生產生物丁醇的原料仍然依賴於來自糧食作物的澱粉及來自糖料作物的糖蜜，2008年以來 世界糧食價格迅速上漲，導致原料成本居高不下，生物丁醇生產成本與石化丁醇缺乏顯著 的優勢。因此以生物丁醇生產必須選擇廉價非糧生物質作為原料才能從根本上降低原料成 本。 近年來已有相關專利涉及生物丁醇製備的原料替代技術。專利200710046661.8 公開了一種利用麵粉加工產生的副產物尾澱粉替代玉米用於發酵丁醇的方法，專利 200810035792. O公開了一種提高薯類原料發酵生產丁醇產率的方法，專利200810043763. 9 公開了一種利用玉米皮原料發酵生產丁醇的方法。這些方法所採用的生物質雖然一般不直 接作為口糧，但尾澱粉、薯類與玉米皮均為重要的飼料原料，其價格與糧食掛鈎，近年來價 格迅速攀升，已不屬於廉價生物質。專利200810046776. 1公開了一種利用從富含糖份的甜 高粱或甜玉米的新鮮秸稈中榨取糖汁發酵生產丙酮丁醇的方法，但大面積種植甜高粱或甜 玉米必然佔用糧食耕地。因此上述方法的原料更替並未真正擺脫生物燃料生產存在的"與 人爭糧，與糧爭地"問題。纖維素由己糖構成，是秸稈等廉價生物質中的主要成分，近年來已 有利用纖維素製備丁醇的專利報導如專利200610114241. 4公開了一種利用膜反應器進 行汽爆秸稈循環酶解並耦合丙酮丁醇連續發酵的方法，專利200810141424. 4提供了一種 利用秸稈生產糠醛耦合聯產丙酮和丁醇的方法，專利200810141418. 9公開了一種利用秸 稈生產木糖聯產丙酮、丁醇和乙醇的方法。以上方法均採用纖維素酶水解纖維素製備糖液， 但目前高效纖維素酶的售價極高，且實際的酶解效率受到諸多因素限制，如採用以上方法， 其原料製備成本將不具備競爭力。傳統的濃酸水解法雖然可以降解纖維素，但由於濃酸回 收困難、汙染嚴重而不能得到工業應用。 半纖維素是秸稈等廉價生物質中另一主要成分，約佔其乾重的20_35%，是由兩種 或兩種以上單糖組成的帶有支鏈的高分子共聚物，其主要組成單糖有木糖、阿拉伯糖、甘露 糖和半乳糖等，可被丁醇生產菌所利用。稀酸水解半纖維素製備多組分糖液，具有不必回收廢酸、汙染較少、工藝簡單、成本低、可實施性強等優點，但該法在水解過程中會產生大量 發酵抑制物(包括糠醛類、單酚、多酚類化合物、可溶性木質素)，導致其難於被微生物利 用。儘管有文獻及專利報導採用吸附、萃取等手段對稀酸水解獲得的多組分糖液進行脫毒 處理，但在實際應用中發現經過脫毒處理的多組分糖液所含的低聚糖及可溶性木質素在 高溫滅菌過程中仍會分解產生新的有害物質(如嚴重毒害丁醇生產菌的酚類化合物，其含 量在高溫滅菌後提高了十至二十倍)，實現多組分糖液可靠的低成本脫毒處理，是開發木質 纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的關鍵技術。膜分離技術可實現對菌體細胞的攔 截，因此將膜過濾除菌替代高溫蒸汽滅菌高溫滅菌中重新產生新的糠醛類及酚類等發酵抑 制物，可實現木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇，並可降低丁醇發酵的能耗。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種以木質纖維素類生物質為原料發酵製備 生物丁醇的方法，以解決稀酸水解半纖維素法製備生物丁醇易產生發酵抑制物不利於發酵 的難題。 為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案如下 —種以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法，包括如下步驟
(1)採用稀酸水解木質纖維素類生物質製備多組分糖液；
(2)通過膜分離和吸附分離方法對多組分糖液進行脫毒處理； (3)通過膜分離方法對多組分糖液進行滅菌處理，再通過高溫蒸汽對不包含碳源 的發酵培養基進行滅菌處理，最後將滅菌後的多組分糖液和不包含碳源的發酵培養基組合 配製成發酵培養基； (4)將丁醇生產菌接種至步驟(3)得到的發酵培養基中，發酵製備生物丁醇；
(5)將步驟(4)得到的發酵液經固液分離處理，液體經蒸餾得到丁醇、丙酮和乙醇。 步驟(1)中，所述的木質纖維素類生物質為玉米秸稈、玉米芯、玉米皮、稻草、麥 草、甘蔗渣和鋸木粉中的任意一種或幾種。 步驟(1)中，所述的稀酸水解採用的稀酸為1 3% (v/v)的硫酸溶液或鹽酸溶 液，木質纖維素類生物質與稀酸的料液比為10 20% (w/v) (1% (w/v)即為10g/L，本發明 中質量百分比濃度換算方法相同)，水解溫度為110 13(TC，水解時間為30 180min，將 原料中的半纖維素及殘留的澱粉水解為還原糖，水解完成後經離心或過濾，清液加鹼中和， 再經濃縮即得多組分糖液。 步驟(2)中，所述的膜分離方法所採用的膜為陶瓷超濾膜或有機超濾膜，超濾膜 截留分子量為1500 5000道爾頓；膜分離操作條件為操作壓力0. 2 0. 5Mpa，pH4. 0 6. O，操作溫度15 35t:，採用錯流操作方式分離其中的可溶性木質素及多酚類化合物；對 膜分離後的糖液繼續採用吸附分離的方法脫毒，吸附脫毒結束後，需過濾去除吸附劑，吸附 劑經再生重複使用；所採用的吸附劑為樹脂或活性炭，其中樹脂可以為大孔吸附樹脂，樹脂 吸附的操作條件為pH4. 0 6. O，溫度15 35t:，採用固定床吸附，處理的糖液體積為樹 脂床層體積的10 30倍；活性炭吸附操作條件為pH4. 0 6. O，溫度30 5(TC，活性炭 用量0. 5 3. 0% (w/v)，攪拌吸附15 40min，活性炭吸附結束後需經過濾處理得到脫毒後的多組分糖液。以通過步驟(2)的處理可消除大部分有害物質包括糠醛、5-羥甲基糠 醛、單酚、多酚類化合物及可溶性木質素。 上述吸附劑經再生可重複使用。對於吸附樹脂的再生，其再生劑為乙醇溶液和氫 氧化鈉溶液中的任意一種或幾種，再生條件為在25 5(TC下將再生劑通入樹脂床層，用 量為床層體積的3 6倍，隨後用去離子水將樹脂洗滌至中性；對於活性炭的再生，其再生 劑為鹽酸溶液、硫酸溶液、氫氧化鈉溶液和乙醇溶液中的任意一種或幾種，再生條件為再 生劑與活性炭的質量比為2 : 1，再生溫度為70 10(TC，再生時間為2 6h，再用去離子 水洗滌至中性，過濾烘乾即可。 步驟(3)中，所述的發酵培養基為pH 5. 5 7. 0的含有碳源、氮源及無機鹽的液 體培養基，並添加維生素；其中碳源為多組分糖液，培養基中的總糖濃度為40 70g/L ;氮 源為有機或無機含氮化合物，其中無機含氮化合物為乙酸銨和硫酸銨中的任意一種或幾 種，有機含氮化合物為蛋白腖、酵母膏、酵母粉、玉米漿和尿素中的任意一種或幾種；無機鹽 為鈉鹽、鉀鹽、鎂鹽、*丐鹽、磷酸鹽、錳鹽和鐵鹽中的任意一種或幾種；維生素為生物素、硫胺 素和對氨基苯甲酸中的任意一種或幾種。為了消除高溫滅菌過程中多組分糖液進一步降解 產生的糠醛類及酚類有害物質，對糖液採用膜過濾除菌，使用微濾膜或超濾膜，材質為有機 膜或無機膜，其中，微濾膜孔徑為0. 1 0. 2um，超濾膜截留分子量為5000 10000道爾頓， 膜組件為巻式、管式、中空纖維式或平板式。 步驟(4)中，丁醇生產菌屬於梭狀芽孢桿菌(Clostridium)包括丙酮丁醇梭菌 (Clostridium acetobutylicum)、拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)。 發酵條件為 厭氧，發酵溫度30 40°C ，發酵時間48 84h。 步驟(5)中，所述的固液分離處理為板框壓濾、離心過濾和真空過濾中的任意一 種或幾種的組合。 有益效果本發明提供一種能以較低成本從木質纖維素製備多組分糖液，通過脫 毒處理，作為原料替代糧食用於發酵製備生物丁醇，通過膜過濾除菌替代傳統的高溫滅菌， 可避免多組分糖液在高溫滅菌過程中產生新的發酵抑制物，並能降低發酵能耗。水解後殘 留的生物質殘渣，可用於木質素提取、造紙、製作人工板材及沼氣發酵等。本發明提高了生 物丁醇的競爭力，既解決了傳統發酵生產丁醇存在的"與人爭糧，與糧爭地"及原料成本高 的問題，又實現了木質纖維素類生物質的多重利用，避免了將其廢棄所造成的環境汙染，促 進了農林業的增收，對實現資源的可持續利用、建設低碳經濟具有重要意義。


圖1為本發明的以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的工藝流程圖。
具體實施例方式
根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實 施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結果僅用於說明本發明，而不應當也不會限 制權利要求書中所詳細描述的本發明。
實施例1 : 以玉米秸稈為原料發酵製備丁醇，稀酸水解條件為2% (v/v)的硫酸溶液，原料與稀酸的料液比為18% (w/v)，水解溫度為12rC，水解時間為120min，水解液經過過濾，採 用石灰乳中和濾液中的硫酸根，濾去沉澱，將清液濃縮至總還原糖濃度為150g/L。
對水解糖液進行脫毒處理，首先採用截留分子量為5000道爾頓的有機超濾膜對 水解糖液進行分離，操作壓力為0. 3Mpa， pH5. O，操作溫度25°C，收集濾液隨後進行大孔吸 附樹脂固定床吸附脫毒，PH5. O，溫度25t:，處理的水解糖液體積為樹脂床層體積的15倍。 經過以上處理，水解糖液中的單酚脫除率為92%，多酚脫除率為94%，糠醛脫除率為85%， 羥甲基糠醛脫除率為73%，可溶性木質素脫除率為82%。 以此糖液配製成總還原糖濃度為60g/L的培養基(經檢測其中木糖濃度約45g/L， 葡萄糖濃度約10g/L，阿拉伯糖濃度約5g/L)，蛋白腖lg/L，磷酸二氫鉀0. 5g/L，磷酸氫二鉀 0. 5g/L， 一水硫酸錳0. 01g/L，氯化鈉0. 01g/L，七水硫酸鎂0. 2g/L，生物素0. 01mg/L，硫胺 素O. 001g/L，對氨基苯甲酸0. 001g/L。其中多組分糖液採用巻式超濾膜(截留分子量2500 道爾頓)過濾除菌，其它組分採用蒸汽滅菌，然後將其混合，配製成發酵培養基。
待發酵培養基冷卻後，接種丁醇生產菌株Clostridium acetobutylicum(購於 CGMCC，編號1. 134)，厭氧條件下，發酵溫度為37°C ，發酵時間為72h。發酵完畢後，經氣相色 譜檢測，其中丁醇含量為11g/L，丙酮含量為3. 2g/L，乙醇含量為1. 4g/L。發酵液經過離心 過濾，將菌體與液體分離，離心清液經過粗餾、精餾最終分為丁醇、丙酮及乙醇三種產品。
對吸附樹脂的再生處理，採用的再生劑為乙醇與氫氧化鈉溶液的混合物，其中乙 醇的含量為50% (v/v)，氫氧化鈉的含量為lmol/L，再生劑的用量為樹脂體積的4倍，4(TC 下進行再生，並用去離子水洗至中性，再生後的樹脂對酚類的吸附量為新樹脂的99% 。
對比例1 : 同實施例1的方法，所不同的是培養基中的多組分糖液與其它組分一起採用高溫 滅菌，結果發酵液中殘糖為58g/L，經氣相色譜檢測，未檢出丁醇、丙酮及乙醇等產物。
實施例2: 以甘蔗渣為原料發酵製備丁醇，稀酸水解條件為1. 5% (v/v)的硫酸，原料與稀 酸的料液比為15% (w/v)，水解溫度為126t:，酸水解時間為90min，水解液經過過濾，採用 石灰乳中和濾液中的硫酸根，濾去沉澱，將清液濃縮至總還原糖濃度為200g/L。
對水解糖液進行脫毒處理，首先採用截留分子量為1500道爾頓的有機超濾膜對 水解糖液進行分離，操作壓力為0. 5Mpa， pH4. 5，操作溫度30°C，收集濾液隨後進行大孔吸 附樹脂固定床吸附脫毒，PH4. 5，溫度25t:，處理的水解糖液體積為樹脂床層體積的20倍， 對經過樹脂處理的糖液進行活性炭吸附，活性炭用量0. 5% (w/v)，攪拌30min，，活性炭吸 附結束後需經過濾處理得到脫毒後的多組分糖液。經過以上處理，水解糖液中的單酚脫除 率為95 % ，多酚脫除率為97 % ，糠醛脫除率為95 % ，羥甲基糠醛脫除率為95 % ，可溶性木質 素脫除率為93%。 以此糖液配製成總還原糖濃度為70g/L的培養基(經檢測其中木糖濃度約53g/L， 葡萄糖濃度約10g/L，阿拉伯糖濃度約7g/L)，酵母粉lg/L，磷酸二氫鉀0. 5g/L，磷酸氫二鉀 0. 5g/L， 一水硫酸錳0. 01g/L，氯化鈉0. 01g/L，七水硫酸鎂0. 2g/L，生物素0. 01mg/L，硫胺 素O. 001g/L。其中多組分糖液採用巻式超濾膜(截留分子量8000道爾頓)過濾除菌，其它 組分採用蒸汽滅菌，然後將其混合配製成發酵培養基。 待發酵培養基冷卻後，接種丁醇生產菌株Clostridiumbei jerinckii (ATCC51743)，厭氧條件下，發酵溫度為36°C ，發酵時間為60h。發酵完畢後， 經氣相色譜檢測，其中丁醇含量為13. 5g/L，丙酮含量為6. lg/L，乙醇含量為2. 3g/L。發酵 液經過板框過濾，將菌體與液體分離，清液經過粗餾、精餾最終分為丁醇、丙酮及乙醇三種
廣PR o 對吸附樹脂的再生處理採用3mol/L的氫氧化鈉溶液作為再生劑，再生劑用量為 樹脂體積的3倍，5(TC下進行再生，並用去離子水洗至中性，再生後的樹脂對酚類的吸附量 為新樹脂的90%。 廢活性炭再生採用40% (v/v)的硫酸溶液，再生劑與廢活性炭的質量比為2 : 1， 再生溫度為9(TC，攪拌再生2h，並用去離子水洗滌至中性，過濾烘乾即可。再生後的活性炭 對酚類的吸附量為新活性炭的95%。
對比例2: 同實施例2的方法，所不同的是培養基中的多組分糖液與其它組分一起採用高溫 滅菌，結果發酵液中殘糖為41g/L，經氣相色譜檢測，丁醇含量為2. 4g/L、丙酮含量為0. 7g/ L、乙醇含量為0. 2g/L。
實施例3 : 以玉米芯為原料發酵製備丁醇，玉米秸稈稀酸水解條件為3% (v/v)的硫酸，原 料與稀酸的料液比為20% (w/v)，水解溫度為13(TC，酸水解時間為180min，水解液經過過 濾，採用石灰乳中和濾液中的硫酸根，濾去沉澱，將清液濃縮至總還原糖濃度為150g/L。對 水解糖液進行脫毒處理，首先採用截留分子量為5000道爾頓的陶瓷超濾膜對水解糖液進 行分離，操作壓力為0. 3Mpa， pH5. O，操作溫度25°C，收集濾液隨後進行經過再生處理的大 孔吸附樹脂固定床吸附脫毒，PH4. O，溫度25t:，處理的水解糖液體積為樹脂床層體積的25 倍。經過以上處理，水解糖液中的單酚脫除率為90%，多酚脫除率為87%，糠醛脫除率為 81%，羥甲基糠醛脫除率為75%，可溶性木質素脫除率為78%。 以此糖液配製成總還原糖濃度為60g/L的培養基(經檢測其中木糖濃度約43g/ L，葡萄糖濃度約8g/L，阿拉伯糖濃度約9g/L)，玉米漿lg/L，磷酸二氫鈉1. 0g/L，磷酸氫二 鈉1. Og/L，七水硫酸亞鐵0. lg/L，七水硫酸鎂lg/L，對氨基苯甲酸0. 001g/L。其中多組分 糖液採用巻式超濾膜(截留分子量8000)過濾除菌，其它組分採用蒸汽滅菌，然後將其混合 配製成發酵培養基。 待發酵培養基冷卻後，接種丁醇生產菌株Clostridium acetobutylicum(ATCC824)，厭氧條件下，發酵溫度為38。C，發酵時間為84h。發酵完畢後， 經氣相色譜檢測，其中丁醇含量為12g/L，丙酮含量為3. 5g/L，乙醇含量為1. 7g/L。發酵液 經過真空過濾，將菌體與液體分離，清液經過粗餾、精餾最終分為丁醇、丙酮及乙醇三種產
PR o 對吸附樹脂的再生處理採用50% (v/v)的乙醇溶液作為再生劑，再生劑用量為樹 脂體積的4倍，3(TC下進行再生，並用去離子水洗至中性，再生後的吸附樹脂對酚類的吸附 量為新樹脂的91%。
對比例3: 同實施例3的方法，所不同的是培養基中的多組分糖液與其它組分一起採用高溫 滅菌，結果發酵液中的殘糖為54g/L，經氣相色譜檢測，未檢測到丁醇、丙酮及乙醇。
以麥草為原料發酵製備丁醇，稀酸水解條件為3% (v/v)的鹽酸，原料與稀酸的 料液比為15% (w/v)，水解溫度為126t:，酸水解時間為90min，水解液經過過濾，採用氫氧 化鈉中和至P朋.O，濃縮至總還原糖濃度為200g/L。對水解糖液進行脫毒處理，首先採用截 留分子量為2500道爾頓的有機超濾膜對水解糖液進行分離，操作壓力為0. 3Mpa，pH6. O，操 作溫度2(TC，收集濾液隨後進行活性炭吸附脫毒，pH4. 5，溫度5(TC，添加活性炭2. 5% (w/ v，其中80%為回收的再生活性炭)，攪拌40min，活性炭吸附結束後需經過濾處理得到脫毒 後的多組分糖液。經過以上處理，水解糖液中的單酚脫除率為79%，多酚脫除率為80%，糠 醛脫除率為80%，羥甲基糠醛脫除率為75%，可溶性木質素脫除率為86%。
以此糖液配製成總還原糖濃度為40g/L的培養基(經檢測其中木糖濃度約31g/L， 葡萄糖濃度約6g/L，阿拉伯糖濃度約3g/L)，玉米蛋白lg/L，過磷酸鈣1. 5g/L，乙酸胺2g/L， 七水硫酸亞鐵O. lg/L，生物素0.001g/L。其中多組分糖液採用中空纖維微濾膜(0. lum)過 濾除菌，其它組分採用蒸汽滅菌，然後將其混合配製成發酵培養基。 待發酵培養基冷卻後，接種丁醇生產菌株Clostridium beijerinckii(ATCC51743)，厭氧條件下，發酵溫度為38°C ，發酵時間為48h。發酵完畢後， 經氣相色譜檢測，其中丁醇含量為8. 5g/L，丙酮含量為4. Og/L，乙醇含量為1. 2g/L。發酵液 經過板框過濾，將菌體與液體分離，清液經過粗餾、精餾最終分為丁醇、丙酮及乙醇三種產
PR o 廢活性炭再生採用40% (v/v)的硫酸溶液，再生劑與廢活性炭的質量比為2 : 1， 再生溫度為9(TC，攪拌再生2h，並用去離子水洗滌至中性，過濾烘乾即可。再生後的活性炭 對酚類的吸附量為新活性炭的95%。
X寸比例4: 同實施例4的方法，所不同的是培養基中的多組分糖液與其它組分一起採用高溫 滅菌，結果發酵液中的殘糖為37g/L，經氣相色譜檢測，未檢測到丁醇、丙酮及乙醇。
實施例5 : 以稻草為原料發酵製備丁醇，稀酸水解條件為1% (v/v)的硫酸，原料與稀酸的 料液比為20% (w/v)，水解溫度為13(TC，酸水解時間為90min，水解液經過過濾，採用石灰 乳中和濾液中的硫酸根，濾去沉澱，濃縮至總還原糖濃度為150g/L。對水解糖液進行脫毒 處理，首先採用截留分子量為3000道爾頓的有機超濾膜對水解糖液進行分離，操作壓力為 0. 3Mpa， pH4. O，操作溫度30°C ，收集濾液隨後採用活性炭吸附脫毒，溫度4(TC，添加活性炭 3.0% (w/v)，攪拌30min，活性炭吸附結束後需經過濾處理得到脫毒後的多組分糖液。經過 以上處理，水解糖液中的單酚脫除率為85%，多酚脫除率為90%，糠醛脫除率為85%，羥甲 基糠醛脫除率為80%，可溶性木質素脫除率為96%。 以此糖液配製成總還原糖濃度為60g/L的培養基(經檢測其中木糖濃度約43g/L， 葡萄糖濃度約1 lg/L，阿拉伯糖濃度約6g/L)，玉米漿lg/L，磷酸二氫鉀0. 5g/L，磷酸氫二鉀 0. 5g/L，乙酸銨2. 2g/L， 一水硫酸錳0. 01g/L，七水硫酸亞鐵0. lg/L，七水硫酸鎂0. 2g/L，其 中多組分糖液採用管式陶瓷微濾膜(0. 2um)過濾除菌，其它組分採用蒸汽滅菌，然後將其 混合配製成發酵培養基。 待發酵培養基冷卻後，接種丁醇生產菌株Clostridium acetobutylicum1. 134(購於CGMCC，編號1. 134)，厭氧條件下，發酵溫度為35。C，發酵時間為72h。發酵完 畢後，經氣相色譜檢測，其中丁醇含量為12. 5g/L，丙酮含量為5. 5g/L，乙醇含量為1. 9g/L。 發酵液經過離心過濾，將菌體與液體分離，離心清液經過粗餾、精餾最終分為丁醇、丙酮及 乙醇三種產品。 廢活性炭再生採用50% (v/v)的硫酸溶液，再生劑與廢活性炭的質量比為2 : 1， 再生溫度為7(TC，攪拌再生6h，並用去離子水洗滌至中性，過濾烘乾即可。再生後的活性炭 對酚類的吸附量為新活性炭的97%。
對比例5: 同實施例5的方法，所不同的是發酵採用的稻草水解糖液未進行脫毒處理，並且 對多組分糖液採用高溫滅菌，結果發酵液中的糖未被消耗。
權利要求
一種以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法，其特徵在於該方法包括如下步驟(1)採用稀酸水解木質纖維素類生物質製備多組分糖液；(2)通過膜分離和吸附分離方法對多組分糖液進行脫毒處理；(3)通過膜分離方法對多組分糖液進行滅菌處理，再通過高溫蒸汽對不包含碳源的發酵培養基進行滅菌處理，最後將滅菌後的多組分糖液和不包含碳源的發酵培養基組合配製成發酵培養基；(4)將丁醇生產菌接種至步驟(3)得到的發酵培養基中，發酵製備生物丁醇；(5)將步驟(4)得到的發酵液經固液分離處理，液體經蒸餾得到丁醇、丙酮和乙醇。
2. 根據權利要求1所述的以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法，其 特徵在於所述的木質纖維素類生物質為玉米秸稈、玉米芯、玉米皮、稻草、麥草、甘蔗渣和鋸 木粉中的任意一種或幾種。
3. 根據權利要求1所述的以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法，其 特徵在於步驟(1)中，所述的稀酸水解採用的稀酸為1 3% (v/v)的硫酸溶液或鹽酸溶 液，木質纖維素類生物質與稀酸的料液比為10 20% (w/v)，水解溫度為110 13(TC，水 解時間為30 180min，水解完成後經離心或過濾，清液加鹼中和，再經濃縮即得多組分糖 液。
4. 根據權利要求1所述的以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法，其 特徵在於步驟(2)中，所述的膜分離方法所採用的膜為陶瓷超濾膜或有機超濾膜，超濾膜 截留分子量為1500 5000道爾頓；膜分離操作條件為操作壓力0. 2 0. 5Mpa，pH4. 0 6. O，操作溫度15 35°C ;對膜分離後的糖液繼續採用吸附分離的方法脫毒，吸附脫毒結束 後，需過濾去除吸附劑，吸附劑經再生重複使用；所採用的吸附劑為樹脂或活性炭，其中樹 脂吸附的操作條件為pH4. 0 6. O，溫度15 35t:，採用固定床吸附，處理的糖液體積為 樹脂床層體積的10 30倍；活性炭吸附操作條件為pH4. 0 6. O，溫度30 50°C，活性 炭用量0. 5 3. 0% (w/v)，攪拌吸附15 40min，活性炭吸附結束後需經過濾處理得到脫 毒後的多組分糖液。
5. 根據權利要求1所述的以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法， 其特徵在於步驟(3)中，所述的發酵培養基為pH 5. 5 7. 0的含有碳源、氮源及無機鹽的 液體培養基，並添加維生素；其中碳源為多組分糖液，培養基中的總糖濃度為40 70g/L ; 氮源為有機或無機含氮化合物，其中無機含氮化合物為乙酸銨和硫酸銨中的任意一種或幾 種，有機含氮化合物為蛋白腖、酵母膏、酵母粉、玉米漿和尿素中的任意一種或幾種；無機鹽 為鈉鹽、鉀鹽、鎂鹽、*丐鹽、磷酸鹽、錳鹽和鐵鹽中的任意一種或幾種；維生素為生物素、硫胺 素和對氨苯甲酸中的任意一種或幾種。
6. 根據權利要求1所述的以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法，其 特徵在於步驟(3)中，所述的膜分離方法所採用的膜為微濾膜或超濾膜，材質為有機膜或 無機膜，其中，微濾膜孔徑為0. 1 0. 2um，超濾膜截留分子量為5000 10000道爾頓。
7. 根據權利要求1所述的以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法，其 特徵在於步驟(4)中，所述的丁醇生產菌為梭狀芽孢桿菌Clostridium。
8. 根據權利要求1所述的以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法，其特徵在於步驟(4)中，發酵條件為厭氧，發酵溫度30 4(TC，發酵時間48 84h。
9.根據權利要求1所述的以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法，其 特徵在於步驟(5)中，所述的固液分離處理為板框壓濾、離心過濾和真空過濾中的任意一 種或幾種的組合。
全文摘要
本發明公開了一種以木質纖維素類生物質為原料發酵製備生物丁醇的方法，採用稀酸水解木質纖維素類生物質製備多組分糖液；通過膜分離和吸附分離方法對多組分糖液進行脫毒處理及滅菌處理，通過膜分離方法對多組分糖液進行滅菌處理，再通過高溫對不包含碳源的發酵培養基進行滅菌處理，最後將滅菌後的多組分糖液和不包含碳源的發酵培養基組合配製成發酵培養基；將丁醇生產菌接種至發酵培養基中，發酵製備生物丁醇；將發酵液經固液分離處理，液體經蒸餾得到丁醇、丙酮和乙醇。本發明既解決了傳統發酵生產丁醇存在的「與人爭糧，與糧爭地」及原料成本高的問題，又實現了木質纖維素類生物質的多重利用。
文檔編號C12P7/28GK101748158SQ201019026109
公開日2010年6月23日 申請日期2010年2月5日 優先權日2010年2月5日
發明者任曉乾, 吳昊, 姜岷, 孫佰軍, 歐陽平凱, 蔡恆, 郭亭, 陳嘯鵬, 韋萍 申請人:南京工業大學