專利名稱：一種利用竹子中的纖維素和半纖維素發(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和半纖維素發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)是世界上竹資源最為豐富的國(guó)家，全國(guó)第六次森林資源清查統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)現(xiàn)有竹林面積突破480萬(wàn)hm2，主要分布在長(zhǎng)江流域沿岸，種類多達(dá)500余種。根據(jù) 2010-2015年中國(guó)竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景分析報(bào)告，竹產(chǎn)品年銷售收入達(dá)億元的企業(yè)可達(dá)9家， 5000萬(wàn)元以上的企業(yè)將達(dá)25家，產(chǎn)業(yè)涉及人造板、制漿造紙、醫(yī)藥、竹炭、旅游等行業(yè)。
丁醇既是大宗化工基礎(chǔ)原料，又是一種優(yōu)質(zhì)燃料和燃料添加劑，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(duì)凈化空氣十分有利。這些優(yōu)點(diǎn)使丁醇成為未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)，2012年全球丁醇表觀消費(fèi)量預(yù)計(jì)在350萬(wàn)噸，我國(guó)的丁醇消費(fèi)量約120萬(wàn)噸，自給率不足50%。
利用竹子為原料生產(chǎn)生物丁醇，發(fā)揮竹資源固持CO2的巨大潛能，使丁醇燃燒過(guò)程中向空氣中排放的少量CO2可重新被竹林資源完全吸收，并不斷釋放出更多的氧氣，建立起 “低碳生態(tài)循環(huán)”的可持續(xù)發(fā)展模式。傳統(tǒng)的丁醇生產(chǎn)主要是以玉米等糧食作物為原料，屬于第一代生物燃料生產(chǎn)技術(shù)。面對(duì)我國(guó)耕地減少，糧食緊缺的問(wèn)題，國(guó)家逐漸限制生物燃料的發(fā)展不能再繼續(xù)“與糧爭(zhēng)地”和“與人爭(zhēng)糧”的發(fā)展模式。二代生物燃料的生產(chǎn)就是以大量的農(nóng)作物剩余原材料，如秸桿、木屑和廢紙等，也可以利用速生材或竹子等生長(zhǎng)周期短的可再生資源發(fā)展生物燃料。二代生物燃料技術(shù)進(jìn)一步延長(zhǎng)了纖維原料的生命周期，提高了產(chǎn)品附加值，并且實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展。
竹子加工企業(yè)利用生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量廢棄物，如竹枝、竹節(jié)、竹簧、竹屑和漿渣等作為生物燃料的直接原材料，實(shí)現(xiàn)竹資源的充分利用，不產(chǎn)生污染的二次轉(zhuǎn)移和新增加CO2 排放。竹子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(zhǎng)和發(fā)酵，是糧食發(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(kāi)發(fā)了新的途徑，還可以實(shí)現(xiàn)竹子加工廢棄物的再利用，同時(shí)為丁醇發(fā)酵提供了一種更廉價(jià)的原料。目前利用竹子生產(chǎn)燃料乙醇已見(jiàn)報(bào)道，但未見(jiàn)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和半纖維發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的方法，利用我國(guó)豐富的竹子資源為原料生產(chǎn)生物燃料丁醇，實(shí)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(kāi)了一種利用竹子中的纖維素和半纖維素發(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140 170°C 溫度下處理10 30min，獲得預(yù)處理產(chǎn)物；
2)酶解調(diào)節(jié)預(yù)處理產(chǎn)物的pH值為4. 5 5. 5，向預(yù)處理產(chǎn)物中加入木聚糖酶、纖維素酶和葡萄糖苷酶進(jìn)行酶解反應(yīng)，獲得酶解產(chǎn)物；
3)固液分離將前一步驟的酶解產(chǎn)物固液分離，取酶解產(chǎn)物的酶解液；
4)脫毒采用活性炭對(duì)步驟3)的酶解液進(jìn)行脫毒，獲得脫毒后的酶解液；
5)向脫毒后的酶解液中補(bǔ)充氮源制備發(fā)酵培養(yǎng)基,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。
較優(yōu)的，步驟I)預(yù)處理反應(yīng)溫度條件為150 160°C。
預(yù)處理過(guò)程中主要為半纖維素發(fā)生降解，預(yù)處理產(chǎn)物中，液體主要成分為木糖，固體主要成分為纖維素和部分木質(zhì)素；預(yù)處理產(chǎn)物直接用于后續(xù)的酶解。
較優(yōu)的，步驟2)所述酶解反應(yīng)的條件為酶解溫度45 55°C，酶解時(shí)間45 60h， 搖床轉(zhuǎn)速120 180rpm。
更優(yōu)的，步驟2)所述酶解反應(yīng)的條件為酶解溫度為50°C，時(shí)間為48h，轉(zhuǎn)速為 150r/mino
較優(yōu)的，步驟2)中所述木聚糖酶用量為O. 1-1. 0IU/g底物，纖維素酶用量為 10-30FPU/g底物，β-葡萄糖苷酶用量為l-10CBU/g底物。
酶解產(chǎn)物經(jīng)離心或過(guò)濾進(jìn)行固液分離，酶解產(chǎn)物的液體成分主要為半纖維素和纖維素的降解產(chǎn)物木糖和葡萄糖，用于發(fā)酵丁醇；固體成分主要成分為木質(zhì)素，可用于生產(chǎn)木塑復(fù)合材料等。
較優(yōu)的，步驟4)脫毒過(guò)程中，活性炭用量為O. 5 3%w/v，即活性炭用量按酶解液體積算，為O. 5 3%w/v ;優(yōu)選的，脫毒過(guò)程在搖床中進(jìn)行,搖床轉(zhuǎn)速為100 200r/min,最優(yōu)為 150r/min。
較優(yōu)的，步驟4)脫毒條件為40 60°C脫毒O. 5 3h。
較優(yōu)的，步驟5)所述氮源為玉米漿、硫酸銨、醋酸銨或氯化銨。
更優(yōu)的，步驟5)所述氮源的添加量為O. I I. 0%w/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)菌株為能同時(shí)利用五碳糖和六碳糖為碳源的丁醇生產(chǎn)菌株；更優(yōu)的，所述丁醇生產(chǎn)菌株為NCMB8052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(shí)間為40 50h。
本發(fā)明利用竹子中含量豐富的纖維素和半纖維素，將其水解之后可以得到含有葡萄糖和木糖的混合碳源，且完全可以用于生物丁醇菌株的生長(zhǎng)和發(fā)酵，是過(guò)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(kāi)發(fā)了新的途徑，還可以實(shí)現(xiàn)竹子加工廢棄物的再利用，同時(shí)為丁醇發(fā)酵提供了一種更廉價(jià)的原料。


圖I :利用竹子中的纖維素和半纖維素發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的生產(chǎn)流程圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，應(yīng)理解，實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
須知，下列實(shí)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(gè)或多個(gè)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(shuō)明，各方法步驟的編號(hào)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(shí)施的范圍，其相對(duì)關(guān)系的改變或調(diào)整，在無(wú)實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容的情況下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。
實(shí)施例I
對(duì)竹子(江西毛竹，Ph. pubescens)進(jìn)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)，160°C反應(yīng) 20min,調(diào)節(jié)水解液pH值為4. 8，加入木聚糖酶I. 0IU/g底物(購(gòu)自諾維信公司)，纖維素酶 20FPU/g底(購(gòu)自諾維信公司)物、β -葡萄糖苷酶lCBU/g底物(購(gòu)自諾維信公司)，50°C酶解48h，搖床轉(zhuǎn)速為100r/min。酶解液加入l%(w/v)活性炭50°C脫毒lh，脫毒轉(zhuǎn)速lOOrpm， 清液加入1.0%(w/v)玉米漿粉，接NCMB8052菌株，37°C厭氧培養(yǎng)48h，發(fā)酵產(chǎn)物中，丁醇9.86g/L，總?cè)軇?11.63g/L。
實(shí)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、2% (w/w)的硫酸溶液 (固液比為1:8)，170°C反應(yīng)lOmin，調(diào)節(jié)水解液pH值為5. 0，加入木聚糖酶O. 5IU/g底物，纖維素酶30FPU/g底物、β -葡萄糖苷酶10IU/g底物，50°C酶解48h，搖床轉(zhuǎn)速為120r/min。酶解液加入I. 5%(w/v)活性炭60°C脫毒O. 5h，清液加入O. 3%(w/v)硫酸銨，搖床轉(zhuǎn)速200rpm， 接NCMB8052菌株，35°C厭氧培養(yǎng)50h。發(fā)酵產(chǎn)物中丁醇7. 64g/L，總?cè)軇?. 08g/L。
實(shí)施例3
稱取經(jīng)普通粉碎至粒徑為100目的竹粉5g，加入60mL、I. 5% (w/w)的硫酸溶液(固液比為1:12), 140°C反應(yīng)30min,調(diào)節(jié)水解液pH值為4. 5，加入木聚糖酶O. lIU/g底物，纖維素酶30FPU/g底物、β -葡萄糖苷酶10CBU/g底物，55°C酶解45h，搖床轉(zhuǎn)速為180r/min。 酶解液加入3%(w/v)活性炭40°C脫毒3h，清液加入0. l%(w/v)玉米漿，接NCMB8052菌株， 38°C厭氧培養(yǎng)40h。發(fā)酵產(chǎn)物中丁醇6. 33g/L，總?cè)軇?. 06g/L。
實(shí)施例4
稱取經(jīng)普通粉碎至粒徑為20目的竹粉5g，加入30mL 0. 5% (w/w)的硫酸溶液(固液比為1:6)，150°C反應(yīng)20min，調(diào)節(jié)水解液pH值為5. 5，加入木聚糖酶0. 8IU/g底物，纖維素酶10FPU/g底物、β-葡萄糖苷酶8CBU/g底物，45°C酶解60h，搖床轉(zhuǎn)速為150r/min。酶解液加入O. 5%(w/v)活性炭50°C脫毒2h，清液加入O. 5%(w/v)玉米漿，接ATCC55025菌株， 37°C厭氧培養(yǎng)48h。發(fā)酵產(chǎn)物中丁醇7. 58g/L，總?cè)軇?. 34g/L。
實(shí)施例5
稱取經(jīng)超微氣流粉碎至粒徑為2000目的竹 粉5g，加入50mL水(固液比為1:10)， 165°C反應(yīng)20min，調(diào)節(jié)水解液pH值為5. 0，加入木聚糖酶5. 0IU/g底物(購(gòu)自諾維信公司)， 纖維素酶20FPU/g底(購(gòu)自諾維信公司)、β-葡萄糖苷酶lCBU/g底物(購(gòu)自諾維信公司)， 50°C酶解48h，搖床轉(zhuǎn)速為100r/min。酶解液加入2%(w/v)活性炭50°C脫毒lh，清液加入I.5%(w/v)玉米漿粉，接NCMB8052菌株，37°C厭氧培養(yǎng)48h，發(fā)酵產(chǎn)物中，丁醇9. 86g/L，總?cè)軇?lL63g/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(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)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(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等同物界定。
權(quán)利要求
1.一種利用竹子中的纖維素和半纖維素發(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140 170°C溫度下處理10 30min，獲得預(yù)處理產(chǎn)物；2)酶解調(diào)節(jié)預(yù)處理產(chǎn)物的pH值為4.5 5. 5，向預(yù)處理產(chǎn)物中加入木聚糖酶、纖維素酶和β -葡萄糖苷酶進(jìn)行酶解反應(yīng)，獲得酶解產(chǎn)物；3)固液分離將前一步驟的酶解產(chǎn)物固液分離，取酶解產(chǎn)物的酶解液；4)脫毒采用活性炭對(duì)步驟3)的酶解液進(jìn)行脫毒，獲得脫毒后的酶解液；5)向脫毒后的酶解液中補(bǔ)充氮源制備發(fā)酵培養(yǎng)基，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I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%。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟I)所述竹粉與水或稀硫酸混合的固液比為1:6 1:12。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟2)所述酶解反應(yīng)的條件為酶解溫度 45 55°C，酶解時(shí)間45 60h，搖床轉(zhuǎn)速120 180rpm。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟2)酶解反應(yīng)過(guò)程中酶的添加量為木聚糖酶O. I I. Ο υ/g底物，纖維素酶10 30FPU/g底物，β -葡萄糖苷酶I 10CBU/g底物。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟4)脫毒過(guò)程中，活性炭用量為O.5 3w/v%,脫毒條件為40 60°C脫毒O. 5 3h。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟5)所述氮源為玉米漿、硫酸銨、醋酸銨或氯化銨。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟5)所述氮源的添加量為O.I I. Ow/
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟5)所述丁醇生產(chǎn)菌株為能同時(shí)利用五碳糖和六碳糖為碳源的丁醇生產(chǎn)菌株。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，步驟5)所述丁醇生產(chǎn)菌株為NCMB8052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和半纖維素發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的方法，具體步驟為1)預(yù)處理；2)酶解；3)固液分離；4)脫毒；5)制備發(fā)酵培養(yǎng)基，培養(yǎng)獲得發(fā)酵產(chǎn)物；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和半纖維素，將其水解得到含有葡萄糖和木糖的混合碳源，用于生物丁醇菌株的生長(zhǎng)和發(fā)酵，不僅為竹子資源利用開(kāi)發(fā)了新的途徑，還可以實(shí)現(xiàn)竹子加工廢棄物的再利用，同時(shí)為丁醇發(fā)酵提供了一種更廉價(jià)的原料。
文檔編號(hào)C12P7/16GK102925496SQ20121048447
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者沈兆兵, 劉莉, 史吉平, 林增祥, 張麗麗, 姜標(biāo) 申請(qǐng)人:上海中科高等研究院