專利名稱：一種利用纖維素類原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和丁二酸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種乙醇和丁二酸的生產(chǎn)方法，特別涉及一種利用纖 維素類原料發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇和丁二酸的方法。
背景技術(shù)：
丁二酸又稱為琥珀酸，是一種二元有機(jī)酸，它是一種重要的C4 平臺化合物，可作為合成復(fù)雜有機(jī)化合物的中間體，廣泛應(yīng)用于制藥、 食品加工、合成塑料、橡膠、防護(hù)涂料、染料和其它工業(yè)中。目前，
已有超過250種以苯為原料的化工產(chǎn)品可以通過丁 二酸轉(zhuǎn)化獲得，因 此丁二酸的巿場需求不斷增加。
生產(chǎn)丁二酸的方法主要有兩種化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法。傳 統(tǒng)的化學(xué)合成法因使用化石原料、環(huán)境污染等原因使丁二酸的生產(chǎn)規(guī) 模和應(yīng)用受到較大限制。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸由于效率高、污染 小等眾多優(yōu)點(diǎn)，正在被廣泛深入地研究。但由于目前微生物發(fā)酵法生 產(chǎn)丁二酸均利用糧食作物中淀粉為原料，丁二酸的生產(chǎn)需要消耗大量 的糧食，形成與人爭糧的局面，對人類的生存構(gòu)成一定威脅。
乙醇俗稱酒精，不僅是一種非常重要的有機(jī)化工原料和溶劑，而 且因其可再生和對環(huán)境無污染，被認(rèn)為是可替代石油類不可再生資源 的最有發(fā)展前景的液體燃料。但目前發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原料仍以谷物類 糧食為主，存在與人爭糧的矛盾。
纖維素是天然高分子化合物，是由D-吡喃葡萄糖以l, 4糖苷鍵連 接而成，其化學(xué)式為(C6H10O5)n,聚合度n為3500-10000。纖維素 經(jīng)水解可生成葡萄糖，能夠作為微生物發(fā)酵的原料。纖維素是植物細(xì) 胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分，是植物體中含量最豐富的物質(zhì)，在作物秸稈中 的含量達(dá)40-50%。農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量農(nóng)作物秸稈、林木枝丫、林木加工邊角料、鋸末刨花等纖維素類農(nóng)林業(yè)廢棄物，我國每年總的
秸稈量每年約在6-7億噸，僅玉米秸稈即達(dá)約1.23億噸，每年林木釆伐 和木材加工過程中產(chǎn)生的枝丫、鋸末、木屑、截頭等約達(dá)3930多萬立 方米，這些都是具有巨大潛力的再生資源，但目前除一部分用作反芻 動物的飼料外，大部分未被利用。因此，將作物秸稈等纖維素類農(nóng)林 業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為人類可利用的生物能源、生物化學(xué)品具有重大的意義 和廣泛的前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用纖維素類原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和丁 二酸的方法。
根據(jù)化學(xué)計(jì)量式可知，每生產(chǎn)lmol丁二酸需要固定lmol二氧化 碳，即每生產(chǎn)1噸丁二酸至少需要消耗0.37噸二氧化碳。目前丁二酸 發(fā)酵過程中二氧化碳的補(bǔ)給主要有兩種方法 一是直接通入二氧化 碳，二是利用碳酸鹽(如碳酸鈉、碳酸鈣或碳酸鎂等)。兩種方法都 需要增加額外的生產(chǎn)成本。而在發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的過程中，會產(chǎn)生大量 的廢氣，廢氣中95%以上為溫室氣體<:02,其對大氣環(huán)境造成的影響
不容忽視。目前主要通過回收C02生產(chǎn)液態(tài)C02、輕質(zhì)碳酸鈣、全降
解塑料一一聚碳酸亞丙酯樹脂，但其回收利用的成本較高。本發(fā)明經(jīng) 過研究和不斷的方法改良發(fā)現(xiàn)，能夠?qū)l(fā)酵乙醇產(chǎn)生的C02氣體直接 應(yīng)用與丁二酸發(fā)酵中，這樣能夠同時(shí)降低乙醇生產(chǎn)的尾氣治理成本和 丁二酸生產(chǎn)的輔料成本，實(shí)現(xiàn)碳源的循環(huán)利用和節(jié)能減排。
因此，本發(fā)明提供一種利用纖維素類原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和丁二酸 的方法，其將纖維素類原料水解后獲得濃縮糖液，然后分別在乙醇發(fā) 酵體系中利用濃縮糖液發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、在丁二酸發(fā)酵體系中利用濃縮 糖液發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸，并將發(fā)酵乙醇過程中產(chǎn)生的氣體通入發(fā)酵生產(chǎn) 丁二酸的體系中。
所述發(fā)酵乙醇過程中產(chǎn)生的氣體95%以上為(302,再經(jīng)洗滌、過濾除菌和冷凍壓縮后，得含99.9。/。以上的C02氣體通入發(fā)酵生產(chǎn)丁二
酸的體系中。
所述纖維素類原料為作物秸稈、果殼、林木枝丫、林木莖干、林 木加工的邊角料、鋸末、木屑、甘蔗渣或廢紙漿等。 所述水解為堿解和酶解。
所述堿解為將纖維素類原料粉碎后，加入稀堿溶液，115~120°C 堿解1 2小時(shí)后冷卻，堿解后的固相用水配成質(zhì)量百分比濃度為10% 的漿狀物料，并調(diào)整其pH值到4.4-5.5。
所述稀堿溶液為質(zhì)量百分比濃度為1.6~2.0%的氫氧化鈉溶液， 其質(zhì)量為為粉碎的纖維素類原料的5 7倍。
所述酶解為用纖維素酶和木聚糖酶酶解。
所述發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的微生物可為酵母菌或細(xì)菌。
所述的發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的微生物可為放線桿菌、丁二酸厭氧螺菌 和重組大腸桿菌等。
所述發(fā)酵乙醇過程中產(chǎn)生的氣體經(jīng)過濾除菌和洗滌后通入發(fā)酵 生產(chǎn)丁二酸的體系中。
所述經(jīng)過濾除菌和洗滌后的氣體優(yōu)選以1: 0.2的通風(fēng)比通入發(fā)酵 生產(chǎn)丁二酸的體系中。
本發(fā)明利用纖維素類原料發(fā)酵生產(chǎn)兩個重要大宗化學(xué)品乙醇和 丁二酸，使農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量纖維素類廢棄物得到了有效利 用。本發(fā)明方法釆用稀堿處理和酶解的方法對纖維素類原料進(jìn)行處 理，其中稀堿處理能夠去除部分堿溶性的半纖維素和木質(zhì)素，酶解具 有高度的專一性，因此能夠大大減少纖維素類原料水解過程中產(chǎn)生的 發(fā)酵抑制劑，從而提高發(fā)酵生產(chǎn)效率。此外，本發(fā)明方法將乙醇發(fā)酵 與丁二酸發(fā)酵進(jìn)行有機(jī)的耦合，將乙醇發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳通入丁 二酸發(fā)酵體系，解決了丁二酸發(fā)酵中額外添加二氧化碳輔料的問題， 同時(shí)降低了乙醇發(fā)酵時(shí)溫室氣體的排放量以及尾氣處理的成本。因此本發(fā)明方法具有原材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、 溫室氣體排放少、輔料消耗少等優(yōu)點(diǎn)，利于節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)，適 于推廣應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 實(shí)施例中所述的百分含量，如果沒有特別說明，均為質(zhì)量百分含量。
實(shí)施例l 以玉米秸稈為原料制備糖液
以玉米秸稈為原料制備糖液，包括如下步驟
(1) 取100千克玉米秸稈，手工脫葉去根，釆用秸稈飼料搓揉機(jī) 與片式粉碎機(jī)進(jìn)行處理，底部出料篩網(wǎng)的孔徑為①5，得到玉米秸稈 粉狀物料。
(2) 使用容積為0.8立方米、旋轉(zhuǎn)速度為lrpm的圓柱型反應(yīng)器， 將100千克經(jīng)粉碎的玉米秸稈物料加入其中，并加入600千克氫氧化鈉 濃度為1.8%的稀堿溶液。加熱到12(TC,保溫l小時(shí)后冷卻，并將物料 放出。
(3) 將堿處理后的物料用螺旋擠干機(jī)擠干，并用熱水洗滌固相， 直至物料pH值小于9。
(4) 將洗滌后的固相物料加入到酶解罐中，按固形物絕干重量 的9倍加入無菌水，配成10%的漿狀物料，用硫酸調(diào)整pH到4.6，按 20FPIU/g纖維素加入纖維素酶，按10FPIU/g半纖維素加入木聚糖酶， 50。C條件下保溫56小時(shí)。
(5) 用板框過濾機(jī)分離酶解后的物料，并用5(TC熱水洗滌固相， 得到稀糖液和廢渣。
(6) 稀糖液用RO膜濃縮，濃縮后的糖液濃度達(dá)到12%。 實(shí)施例2 乙醇發(fā)酵體系的建立
乙醇發(fā)酵體系的建立，包括如下步驟
6(1) 平板培養(yǎng)平板培養(yǎng)基的組成為葡萄糖3%，酵母膏0.5%, 蛋白胨0.5%，瓊脂2%。將酒精酵母菌種接種到該培養(yǎng)基中，33'C培 養(yǎng)28小時(shí)。
(2) 搖瓶種子培養(yǎng)搖瓶種子培養(yǎng)基的組成為葡萄糖3%,酵母 膏0.5%，蛋白胨0.15%,玉米漿0.5 %,磷酸二氫鉀0.05%,硫酸鎂0.06%， 自來水配制。將平板培養(yǎng)的酒精酵母菌種接種到該培養(yǎng)基中，33'C培 養(yǎng)32小時(shí)，搖床轉(zhuǎn)速為200rpm。
(3) 種子罐種子培養(yǎng)培養(yǎng)基組成為實(shí)施例l得到的濃縮糖液， 加入量為使培養(yǎng)基中的總糖含量為5%，酵母膏0.2%，蛋白胨0.05%， 玉米漿0.8%，嫌酸二氫鉀0.05%，硫酸鎂0.06%,自來水配制。將搖 瓶培養(yǎng)的酒精酵母菌種接種到該秸稈酶解糖種子培養(yǎng)基中，接種量為 10%(v/v)， 3(TC 33。C培養(yǎng)32小時(shí)，攪拌轉(zhuǎn)速為350rpm,通風(fēng)比 為l: 0.5。
(4) 發(fā)酵罐培養(yǎng)
培養(yǎng)基組成為實(shí)施例1得到的濃縮糖液，加入量為使培養(yǎng)基中的 總糖含量為15%，玉米漿0.5%,磷酸氫二鉀0.05%，硫酸銨0.05%,磷 酸氫二銨0.15%。將種子罐培養(yǎng)基培養(yǎng)的酒精酵母菌種接種到發(fā)酵罐 中的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，根據(jù)該菌株在生長、代謝的不同階段對氧氣及不 同碳源需求量的差異，進(jìn)行有氧、厭氧兩段組合多罐連續(xù)發(fā)酵。在第 一階段為有氧發(fā)酵階段，無菌空氣以通風(fēng)比為l: 0.5的通風(fēng)速率流入 發(fā)酵罐的發(fā)酵培養(yǎng)基中，攪拌轉(zhuǎn)速為300rpm,維持溶氧濃度(DO) 為60~80%,溫度控制在30 31。C，好氧培養(yǎng)10小時(shí)。當(dāng)細(xì)胞濃度即 光密度(OD)達(dá)到20時(shí)，進(jìn)入第二階段厭氧發(fā)酵，溫度控制在30-38°C,發(fā)酵75小時(shí)，乙醇產(chǎn)率達(dá)到6.58%,糖醇轉(zhuǎn)化率大于42%。 實(shí)施例3 丁二酸發(fā)酵體系及其與乙醇發(fā)酵體系的耦合
丁二酸的生產(chǎn)方法，包括以下步驟
(1)平板培養(yǎng)將丁二酸菌種琥珀酸放線桿菌接種到胰蛋白胨大豆瓊脂培養(yǎng)基中，35'C厭氧培養(yǎng)28小時(shí)。
(2) 搖瓶種子培養(yǎng)培養(yǎng)基組成為實(shí)施例l得到的濃縮糖液，加 入量為使培養(yǎng)基中的總糖含量為3%，酵母膏0.4%，蛋白胨0.2%,玉 米漿0.3%， Na2CO30.9%, NaH2PO40.7%, K2HPO4l,0o/0, Na2HPO40.2%， NaClO.2%,自來水配制。將平板培養(yǎng)的丁二酸菌種接種到裝有200ml 上述培養(yǎng)基的血清瓶中搖瓶培養(yǎng)，35。C培養(yǎng)15小時(shí)，搖床轉(zhuǎn)速為 180rpm.
(3) 種子罐培養(yǎng)培養(yǎng)基組成為實(shí)施例l得到的濃縮糖液，加入 量為使培養(yǎng)基中的總糖含量為5%，酵母膏0.4%,蛋白胨0.2%，玉米 漿0.3%， Na2CO30.9%, NaH2PO40.7%, K2HPO41.0%， Na2HPO40.2o/o, NaClO.2%,自來水配制。將搖瓶培養(yǎng)的丁二酸菌種接種到裝有上述 培養(yǎng)基的種子罐中厭氧培養(yǎng)，接種量為5。/。(v/v)， 35匸培養(yǎng)20小時(shí)， 攪拌轉(zhuǎn)速為200rpm， 二氧化碳通入量為l: 0.3。
(4) 發(fā)酵罐培養(yǎng)
培養(yǎng)基組成為實(shí)施例l得到的濃縮糖液，加入量為使培養(yǎng)基中的 總糖含量為12% ，酵母膏1.0% , NaAcO.1% , NaH2PO40.02% ， K2HPO40.1 - 0.5% ， Na2HPO40.02% ， NaClO.03% ， CaCl20.02% ， MgCl20.02%,自來水配制。將種子罐培養(yǎng)的丁二酸菌種接種到發(fā)酵 罐中，根據(jù)該菌株在生長、代謝的不同階段對二氧化碳及不同碳源、 氮源、微量元素需求量的差異，進(jìn)行厭氧發(fā)酵。發(fā)酵過程中流加無菌 中和劑碳酸鎂將pH值控制在6.5 7.1范圍內(nèi)，同時(shí)將實(shí)施例2乙醇發(fā) 酵過程中產(chǎn)生的氣體經(jīng)洗滌、過濾除菌和冷凍壓縮后，得99.9%以上 的C02氣體，以通風(fēng)比為L 0.2的通風(fēng)速率流入發(fā)酵罐的發(fā)酵培養(yǎng)基 中，攪拌轉(zhuǎn)速為200rpm，溫度控制在35'C，厭氧培養(yǎng)45小時(shí)，丁二酸 產(chǎn)率達(dá)到6.8%，糖酸轉(zhuǎn)化率70%。
注本發(fā)明中所釆用的纖維素酶、木聚糖酶、酒精酵母菌種、酒 精細(xì)菌菌種、琥珀酸放線菌種、琥珀酸厭氧螺菌或重組大腸桿菌等均為常規(guī)使用的產(chǎn)品，可巿售獲得。
雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施方案對本發(fā)明作了詳 盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進(jìn)，這對本 領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ) 上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種利用纖維素類原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和丁二酸的方法，其將纖維素類原料水解后獲得濃縮糖液，然后分別在乙醇發(fā)酵體系中利用濃縮糖液發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、在丁二酸發(fā)酵體系中利用濃縮糖液發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸，并將發(fā)酵乙醇過程中產(chǎn)生的氣體通入發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的體系中。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述纖維素類原料 為作物秸稈、果殼、林木技丫、林木莖干、林木加工的邊角料、鋸末、 木屑、甘蔗渣或廢紙漿。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述水解為堿解和 酶解。
4、 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述堿解為將纖維 素類原料粉碎后，加入稀堿溶液，115-120。C堿解1-2小時(shí)后冷卻，堿 解后的固相用水配成質(zhì)量百分比濃度為10%的漿狀物料，并調(diào)整其 pH值到4.4-5.5。
5、 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述稀堿溶液為質(zhì) 量百分比濃度為1.6-2.0%的氫氧化鈉溶液，其質(zhì)量為粉碎的纖維素類 原料的5-7倍。
6、 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述酶解為用纖維 素酶和木聚糖酶酶解。
7、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 的微生物為酵母菌或細(xì)菌。
8、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述的發(fā)酵生產(chǎn)丁 二酸的微生物為放線桿菌、丁二酸厭氧螺菌或重組大腸桿菌。
9、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述發(fā)酵乙醇過程 中產(chǎn)生的氣體經(jīng)過濾除菌和洗滌后通入發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的體系中。
10、 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述經(jīng)過濾除菌和 洗滌后的氣體以1: 0.2的通風(fēng)比通入發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的體系中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用纖維素類原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和丁二酸的方法，其將纖維素類原料粉碎并加入稀堿溶液進(jìn)行預(yù)處理后，用纖維素酶和木聚糖酶酶解，酶解產(chǎn)物經(jīng)過濾和濃縮，獲得濃縮糖液；然后在乙醇發(fā)酵體系中利用濃縮糖液發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，同時(shí)在丁二酸發(fā)酵體系中利用濃縮糖液發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸，并將發(fā)酵乙醇過程中產(chǎn)生的氣體經(jīng)除菌過濾和洗滌后通入發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的體系中。本發(fā)明使農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量纖維素類廢棄物得到了有效利用，解決了丁二酸發(fā)酵中額外添加二氧化碳輔料的問題，同時(shí)降低了乙醇發(fā)酵時(shí)溫室氣體的排放量以及尾氣處理的成本，且具有原材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，利于節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)，適于推廣應(yīng)用。
文檔編號C12P7/10GK101613722SQ20091009018
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者岷 姜, 尚海濤, 李榮杰, 歐陽平凱, 薛培儉 申請人:安徽豐原發(fā)酵技術(shù)工程研究有限公司