專利名稱：一種利用竹子中的纖維素發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物能源領(lǐng)域，具體涉及一種利用竹子中的纖維素發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的方法。
背景技術(shù)：
丁醇本是具有多種用途的大宗基礎(chǔ)原料，近年來的研究表明，丁醇也是一種優(yōu)質(zhì)燃料和燃料添加劑，其高沸點(118°C)和低蒸汽壓有助于汽車的冷啟動；由于丁醇的疏水性比乙醇更強，因此更易于與汽、柴油烴類燃料相混溶；丁醇的完全燃燒性，可大大降低尾氣中的CO2排放，且不發(fā)生殘留烴污染，對凈化空氣十分有利。上述優(yōu)點可使丁醇成為未來發(fā)動機新型綠色燃料，替代礦化燃料的可持續(xù)發(fā)展的再生能源之一。據(jù)統(tǒng)計，2012年 全球丁醇表觀消費量預(yù)計在350萬噸，我國的丁醇消費量約120萬噸，自給率不足50%。隨著石油價格的不斷上漲及其對經(jīng)濟發(fā)展的沖擊，加快生物質(zhì)能源和不依賴石油基化學品生產(chǎn)方法的研究開發(fā)已成為日益緊迫的課題。因此，發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇技術(shù)作為一種重要的技術(shù)儲備重新引起了廣泛的關(guān)注。過去發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇是以糧食原料(如玉米、小麥等)為底物的，較高的糧食價格致使原料費用占溶劑生產(chǎn)總成本的比例偏高(60%以上)，這不僅限制了丁醇產(chǎn)品的市場競爭力，也有悖于我國的糧食安全戰(zhàn)略。也正是基于上述原因，國家發(fā)改委已于2007年底暫停了玉米深加工項目的備案及核準。因此，以木質(zhì)纖維素為原料生物轉(zhuǎn)化制造丁醇是今后發(fā)展的必然趨勢。我國是世界上最主要的產(chǎn)竹國，無論是竹子的種類、面積、蓄積量及竹材、竹筍的產(chǎn)量都雄居世界首位。竹子種類已知有39屬500余種，竹林總面積約500萬公頃，其中毛竹林有300萬公頃，每年竹材總產(chǎn)量達12億根。我國竹林資源主要分布于四川、浙江、江西、安徽、湖南、湖北、福建、廣東、廣西、貴州、重慶、云南等地，其中以福建(100萬公頃)、江西(70萬公頃)、湖南(70萬公頃)和浙江(64萬公頃)4省最多，占全國竹林總面積的60%以上。我國每年可砍竹材1000余萬立方米，相當于年木材采伐量的1/5左右，此外在竹材加工過程中還會產(chǎn)生大量的竹枝、竹節(jié)、竹簧、竹屑等廢棄物，其數(shù)量至少占原竹重量的60%以上，竹子木質(zhì)纖維素含量豐富，其中纖維素占35% (w/w)，半纖維素含量占20% (w/w)，水解之后可以得到含有葡萄糖和木糖混合物的水解液，且完全可以用于生物丁醇菌株的生長和發(fā)酵，是過去糧食發(fā)酵丁醇的理想替代原料。利用竹子發(fā)酵生產(chǎn)丁醇，不僅為竹子資源利用開發(fā)了新的途徑，還可以實現(xiàn)竹子加工廢棄物的再利用，同時為丁醇發(fā)酵提供了一種更廉價的原料。目前利用竹子生產(chǎn)燃料乙醇已見報道，但未見利用竹子生產(chǎn)丁醇的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種利用竹子中的纖維素發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的方法，利用我國豐富的竹子資源為原料生產(chǎn)生物燃料丁醇，實現(xiàn)竹子加工廢棄物的再利用，并且降低丁醇的生產(chǎn)成本。本發(fā)明首先公開了一種利用竹子中的纖維素發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的方法，具體步驟如下I)預(yù)處理竹子原料粉碎獲得竹粉后，將竹粉與水或稀硫酸混合，在170 200°C溫度下反應(yīng)10 30min，獲得預(yù)處理產(chǎn)物；2)固液分離將步驟I)預(yù)處理產(chǎn)物固液分離,取預(yù)處理產(chǎn)物中的固體殘渣進行多次水洗；3)酶解將步驟2)水洗后的固體殘渣與水按一定的固液比混合，獲得酶解混合物，調(diào)節(jié)酶解混合物的PH值為4. 5 5. 5后，加入纖維素酶和β -葡萄糖苷酶進行酶解反應(yīng)，獲得酶解產(chǎn)物；4)發(fā)酵培養(yǎng)基制備將步驟3)的酶解產(chǎn)物固液分離，取酶解液添加氮源配制發(fā)酵
培養(yǎng)基；5)利用滅菌后的發(fā)酵培養(yǎng)基厭氧條件下發(fā)酵培養(yǎng)丁醇生產(chǎn)菌株，獲得發(fā)酵產(chǎn)物；6)發(fā)酵產(chǎn)物精餾，收集丁醇。較優(yōu)的，步驟I)所述粉碎為研磨粉碎或者超微氣流粉碎。較優(yōu)的，步驟I)所述竹粉的粒徑為10 2000目；更優(yōu)的，步驟I)所述竹粉的粒徑為1500 2000目。較優(yōu)的，步驟I)所述稀硫酸的濃度小于等于2wt%。本發(fā)明所述稀硫酸為硫酸的水溶液，并且其中硫酸的質(zhì)量百分比大于0，小于等于2。較優(yōu)的，步驟I)所述竹粉與預(yù)處理液混合的固液比為1:6 1:12，優(yōu)為選1:6 1:10。更優(yōu)的，步驟I)預(yù)處理反應(yīng)溫度條件為170 180°C。較優(yōu)的，步驟2)和步驟4)所述固液分離的方法可以為離心或過濾。通過預(yù)處理條件的控制，使竹子中的半纖維素降解，預(yù)處理得到的固液混合物經(jīng)離心或過濾進行固液分離，液體主要成分為半纖維素的降解產(chǎn)物木糖，可用于發(fā)酵沼氣；固體主要成分為纖維素和木質(zhì)素，水洗后用于后續(xù)的酶解。較優(yōu)的，步驟3)酶解步驟，所述固體殘渣與水的固液比為1:6 1:10。較優(yōu)的，步驟3)中所述纖維素酶的用量為10_30FPU/g底物；β -葡萄糖苷酶的用量為l-10CBU/g底物。較優(yōu)的，步驟3)所述酶解反應(yīng)的條件為酶解溫度為45 55°C，酶解時間為45 60h，搖床轉(zhuǎn)速為120 180rpm。更優(yōu)的，步驟3)所述酶解反應(yīng)的條件為酶解溫度為50°C，時間為48h，轉(zhuǎn)速為150r/mino酶解得到的固液混合物經(jīng)離心或過濾進行固液分離，液體主要成分為纖維素的降解產(chǎn)物葡萄糖，用于下一步發(fā)酵丁醇；固體主要成分為木質(zhì)素，可用于生產(chǎn)木塑復合材料
坐寸ο較優(yōu)的，步驟4)所述氮源為玉米漿、硫酸銨、醋酸銨或氯化銨一。更優(yōu)的，步驟4)所述氮源的添加量為O.1 lw/v%制備的培養(yǎng)基105°C滅菌15min后接入丁醇生產(chǎn)菌株。較優(yōu)的，步驟5)所述丁醇生產(chǎn)菌株選自CICC8016、CICC8008、NCIMB8052或ATCC55025。
較優(yōu)的，步驟5)所述厭氧發(fā)酵的條件為35 38°C，發(fā)酵時間為40 50h。本發(fā)明利用竹子中含量豐富的纖維素，將其水解之后得到葡萄糖為碳源，且完全可以用于生物丁醇菌株的生長和發(fā)酵，是過去糧食發(fā)酵丁醇的理想替代原料，不僅為竹子資源利用開發(fā)了新的途徑，還可以實現(xiàn)竹子加工廢棄物的再利用，同時為丁醇發(fā)酵提供了一種更廉價的原料。



圖1 :利用竹子中的纖維素發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的生產(chǎn)流程圖
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例進一步闡述本發(fā)明，應(yīng)理解，實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。須知，下列實施例中未具體注明的工藝設(shè)備或裝置均采用本領(lǐng)域內(nèi)的常規(guī)設(shè)備或裝置；此外應(yīng)理解，本發(fā)明中提到的一個或多個方法步驟并不排斥在所述組合步驟前后還可以存在其他方法步驟或在這些明確提到的步驟之間還可以插入其他方法步驟。而且，除非另有說明，各方法步驟的編號僅為鑒別各方法步驟的便利工具，而非為限制各方法步驟的排列次序或限定本發(fā)明可實施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容的情況下，當亦視為本發(fā)明可實施的范疇。實施例1對竹子(江西毛竹，Ph. pubescens)進行超微氣流粉碎,稱取經(jīng)超微氣流粉碎至粒徑為2000目的竹粉5g，加入50mL、0. 5% (w/w)的硫酸溶液(固液比為1:10)，180°C反應(yīng)20min，預(yù)處理水解液抽濾，水洗后的固體殘渣加30mL水混合(固液比為1:6)，調(diào)節(jié)酶解體系PH值為4. 8，加入纖維素酶(購自諾維信公司)20FPU/g底物、β -葡萄糖苷酶(購自諾維信公司)8CBU/g底物，50°C酶解48h，搖床轉(zhuǎn)速為150r/min。酶解液抽濾，取酶解后的濾液加入1. 0%(w/v)玉米漿粉，接CICC8016菌株，37°C厭氧培養(yǎng)48h獲得發(fā)酵產(chǎn)物。發(fā)酵產(chǎn)物中，丁醇 11.98g/L，總?cè)軇?20. 13g/L。實施例2稱取經(jīng)超微氣流粉碎至粒徑為1500目的竹粉5g，加入40mL、1% (w/w)的硫酸溶液(固液比為1:8)，170°C反應(yīng)20min，預(yù)處理水解液抽濾，水洗后的固體殘渣加40mL水混合(固液比為1:7)，調(diào)節(jié)酶解體系pH值為5.0，加入纖維素酶30FPU/g底物、β -葡萄糖苷酶10CBU/g底物，45°C酶解45h，搖床轉(zhuǎn)速為120r/min。酶解液抽濾，清液加入O. 3%(w/v)硫酸銨，接CICC8008菌株，38°C厭氧培養(yǎng)40h，獲得發(fā)酵產(chǎn)物。發(fā)酵產(chǎn)物中丁醇10. 73g/L，總?cè)軇?19. 04g/L。實施例3稱取經(jīng)普通粉碎至粒徑為100目的竹粉5g，加入60mL (固液比為1:12)、0. 3% (w/w)的硫酸溶液,200°C反應(yīng)IOmin,預(yù)處理水解液5000r/min離心IOmin,水洗后的固體殘洛加50mL水混合(固液比為1: 10)，調(diào)節(jié)酶解體系pH值為5. 5，加入纖維素酶20FPU/g底物、β-葡萄糖苷酶4CBU/g底物，50°C酶解60h，搖床轉(zhuǎn)速為180r/min。酶解液5000r/min離心lOmin，清液加入O. 5%(w/v)氯化銨，接NCMB8052菌株，35°C厭氧培養(yǎng)50h，獲得發(fā)酵產(chǎn)物。發(fā)酵產(chǎn)物中丁醇7. 75g/L，總?cè)軇?3. 66g/L。實施例4稱取經(jīng)超微氣流粉碎至粒徑為2000目的竹粉5g，加入30mL、0. 5% (w/w)的硫酸溶液(固液比為1:6)，180°C反應(yīng)30min，預(yù)處理水解液抽濾，水洗后的固體殘 渣加40mL水混合(固液比為1:8)，調(diào)節(jié)酶解體系pH值為4. 5，加入纖維素酶25FPU/g底物、β -葡萄糖苷酶2CBU/g底物，55°C酶解48h，搖床轉(zhuǎn)速為150r/min。酶解液抽濾，清液加入O. 5%玉米漿，接NCMB8052菌株，38°C厭氧培養(yǎng)40h。發(fā)酵產(chǎn)物中丁醇9. 18g/L，總?cè)軇?1.69g/L。實施例5稱取經(jīng)普通粉碎至粒徑為10目的竹粉5g，加入50mL、2. 0% (w/w)的硫酸溶液(固液比為1:10)，180°C反應(yīng)20min，預(yù)處理水解液抽濾，水洗后的固體殘渣加50mL水混合(固液比為1:10)，調(diào)節(jié)酶解體系pH值為5. 5，加入纖維素酶10FPU/g底物、β -葡萄糖苷酶lCBU/g底物，50°C酶解48h，搖床轉(zhuǎn)速為150r/min。酶解液抽濾，清液加入O. 1%玉米漿，接ATCC55025菌株，38°C厭氧培養(yǎng)45h。發(fā)酵產(chǎn)物中丁醇6. 56g/L，總?cè)軇?. 33g/L。實施例6稱取經(jīng)超微氣流粉碎至粒徑為1500目的竹粉5g，加入50mL水(固液比為1:10)，190 V反應(yīng)20min,預(yù)處理水解液抽濾,水洗后的固體殘洛加30mL水混合(固液比為1:6 ),調(diào)節(jié)酶解體系PH值為4. 8，加入纖維素酶15FPU/g底物、β -葡萄糖苷酶8CBU/g底物，50°C酶解48h,搖床轉(zhuǎn)速為120r/min。酶解液抽濾,取酶解后的濾液加入O. 5%(w/v)玉米衆(zhòng)粉，接CICC8016菌株，37°C厭氧培養(yǎng)48h。發(fā)酵產(chǎn)物中，丁醇5. 68g/L，總?cè)軇?. 12g/L。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。
權(quán)利要求
1.一種利用竹子中的纖維素發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的方法，具體步驟如下 O預(yù)處理竹子原料粉碎獲得竹粉后，將竹粉與水或稀硫酸混合，在170 20(TC溫度下反應(yīng)10 30min，獲得預(yù)處理產(chǎn)物； 2)固液分離將步驟I)預(yù)處理產(chǎn)物固液分離，取預(yù)處理產(chǎn)物中的固體殘渣進行多次水洗； 3)酶解將步驟2)水洗后的固體殘渣與水按一定的固液比混合，獲得酶解混合物，調(diào)節(jié)酶解混合物的PH值為4. 5 5. 5后，加入纖維素酶和β -葡萄糖苷酶進行酶解反應(yīng)，獲得酶解產(chǎn)物； 4)發(fā)酵培養(yǎng)基制備將步驟3)的酶解產(chǎn)物固液分離，取酶解液添加氮源配制發(fā)酵培養(yǎng)基; 5)利用滅菌后的發(fā)酵培養(yǎng)基厭氧條件下發(fā)酵培養(yǎng)丁醇生產(chǎn)菌株，獲得發(fā)酵產(chǎn)物； 6)發(fā)酵產(chǎn)物精餾，收集丁醇。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)所述竹粉的粒徑為10 2000目。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)所述稀硫酸的濃度小于等于2wt%。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)所述竹粉與預(yù)處理液混合的固液比為 1:6 1:12。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)酶解過程中，所述固體殘渣與水的固液比為1:6 1:10。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)中所述纖維素酶的用量為10 30FPU/g底物；β -葡萄糖苷酶的用量為I 10CBU/g底物。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)所述酶解反應(yīng)的條件為酶解溫度為45 55°C，酶解時間為45 60h，搖床轉(zhuǎn)速為120 180rpm。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟4)所述氮源為玉米漿、硫酸銨、醋酸銨或氯化銨。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟4)所述氮源的添加量為O.1 lw/v%。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟5)所述丁醇生產(chǎn)菌株選自CICC8016、CICC8008、NCIMB8052 或 ATCC55025。
全文摘要
本發(fā)明涉及生物能源領(lǐng)域，具體涉及一種利用竹子中的纖維素發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的方法，具體步驟為1)預(yù)處理；2)固液分離；3)酶解；4)發(fā)酵培養(yǎng)基制備；5)厭氧發(fā)酵；6)發(fā)酵產(chǎn)物精餾獲得丁醇。本發(fā)明利用竹子中含量豐富的纖維素，將其水解得到的葡萄糖作為碳源，用于生物丁醇菌株的生長和發(fā)酵，不僅為竹子資源利用開發(fā)了新的途徑，還可以實現(xiàn)竹子加工廢棄物的再利用，同時為丁醇發(fā)酵提供了一種更廉價的原料。
文檔編號C12P7/16GK102994572SQ201210509488
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者劉莉, 沈兆兵, 史吉平, 林增祥, 張麗麗, 姜標 申請人:上海中科高等研究院