CN101225408B - 一种由木质纤维原料生产2，3-丁二醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于生物化工技术领域的一种由木质纤维原料生产2，3-丁二醇的方法，主要利用木质纤维原料中半纤维素酸水解成五碳糖生产2，3-丁二醇，同时得到2，3-丁二醇的高附加值的产品，并通过补料等工艺提高了发酵液中2，3-丁二醇的浓度。其优点在于：采用该方法可有效提高原料利用率，同时得到高浓度的2，3-丁二醇，从而降低生产成本，因此具有很好的工业化前景。

Description

一种由木质纤维原料生产2,3-丁二醇的方法

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，特别是提供了一种由木质纤维原料同时生产乙醇和2，3-丁二醇的方法。

背景技术

乙醇广泛应用于饮料、食品、香精、调味品、医药和能源工业，在国民经济中占有较重要的地位，随着国民经济的发展，世界石油储量的锐减、环境保护工作的加强和车用燃料乙醇需求量的增加，乙醇的用途将更加广泛，对乙醇的需求量将与日俱增，乙醇工业的前途将日趋灿烂。

2，3-丁二醇(2，3-butanediol)也是一种重要的化工原料。它是一种无色无味液体，可作为燃料，可用来制备聚合物、油墨、香水、防冻剂、熏蒸剂、增湿剂、软化剂、增塑剂、炸药以及药物的手性载体等。2，3-丁二醇还可作为一个很有价值的化工原料来合成其他化学品，如2，3-丁二醇脱水可产生甲乙酮，甲乙酮的应用相当广泛，再进一步脱水可形成1，3-丁二烯。2，3-丁二醇可通过Diels-Alder反应聚合生成苯乙烯。2，3-丁二醇与甲乙酮缩合并进行加氢反应生成辛烷，辛烷可用来产生高质量的飞行原料。

植物纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。有资料表明，全世界每年的植物体生成量高达1.55×10¹¹吨干物质，其中纤维素、半纤维素的总量约为8.5×10¹⁰吨。我国是一个农业大国，若能把大量的农业纤维原料及工业纤维废料中的纤维素、半纤维素经济有效地水解成葡萄糖，并进一步用于乙醇和其它化工原料的生产，这将有利于改善目前资源紧张，环境恶化的状况，对人类社会实现可持续发展具有重要的经济和社会意义。

当前，利用单糖(主要为葡萄糖和木糖)或木质纤维原料生产乙醇已有一定报道的生产方法，但目前，由木质纤维原料生产乙醇主要有以下几条途径：

1.利用半纤维素水解液生产乙醇(Van ZC，et al.Production of ethanolfrom sugar cane bagasse hemicellulose hydrolysate byPichia stipitis.ApplBiochem Biotechnol.，1988，17：357-369.

2.同时利用纤维素与半纤维素生产乙醇(Karin Ohgren，et al，Fuel ethanolproduction from steam-pretreated corn stover using SSF at higher drymatter content Biomass and Bioenergy，2006，30：863-869。

上述方法中均是利用木质纤维原料为底物发酵产单一的乙醇，文献1主要利用半纤维素，文献2主要同时利用纤维素与半纤维素，由于酵母对半纤维素降解所得五碳糖利用率不高，因此底物利用率较低，所得乙醇浓度也较低。

而对于2，3-丁二醇生产，目前也有一定程度报道，如下列文献：

1.利用葡萄糖生产2，3-丁二醇(Ramachandran，K.B.，Goma，G.，“2，3-Butanediol production from glucose by Klebsiella pneumoniae in acell recycle system”，J.Biotechnol.，1988，9，39-46.

2.利用木糖生产2，3-丁二醇。(B.Marwoto，et al.Enhancement of(R，R)-2，3-butanediol production from xylose by Paenibacillus polymyxa atelevated temperatures.Biotechnology Letters 2002，24：109-114)

3.利用甘油发酵生产2，3-丁二醇(Biebl et al.Fermentation of glycerolto 1，3-propanediol and 2，3-butanediol.Appl MicrobiolBiotechnol，1998，50：24-29).

4.利用木材水解液生产2，3-丁二醇(Grover，B.S.，Garg，S.K.，Verma，J.，Rodution of 2，3-butanediol from wood hydrolysate by Klebsiellapneumoniae，World J.Microbiol.Biotechnol.，1990，6，328-332.)

上述方法中1-3是采用葡萄糖、木糖或甘油为底物发酵生产2，3-丁二醇产品，因此生产成本很高。方法4提出了利用木材水解液生产2，3-丁二醇，但由于工艺条件限制，其发酵水平很低。

发明内容

本发明的目的是提供一种由木质纤维原料生产乙醇和2，3-丁二醇的方法。主要利用木质纤维原料中半纤维素水解成五碳糖生产2，3-丁二醇，纤维素酶解成六碳糖生产乙醇，其具体工艺步骤如下：

1)生产2，3-丁二醇

A1.将木质纤维素原料与浓度为0.25-7wt％的酸液按照重量比1∶8-12的比例混合，在100-200℃的温度下经10分钟～3小时时间的处理，处理后，使半纤维素水解成单糖溶入液相，纤维素与木质素保留在固相中。

B1固液分离，在半纤维素水解液经石灰脱毒处理后，添加培养成份配制2，3-丁二醇发酵用种子培养基和发酵培养基(如下表1)。使用前均于121℃灭菌15分钟.

表1种子培养基和发酵培养基成份

C1.将产酸克雷伯氏菌或克雷伯氏肺炎杆菌一环接入种子培养基，30～37℃培养12～18小时，得到种子液，以1wt％～3wt％的接种量将种子液接入含半纤维素水解液的发酵培养基中，发酵温度35～37℃，由碱溶液或氨水控制pH为6.0～8.0，生产2，3-丁二醇产品。

本发明的优点在于：采用该方法可有效提高原料利用率，同时得到高附加值的乙醇和2，3-丁二醇，从而降低生产成本。

具体实施方式

实施例1：由秸秆生产乙醇和2，3-丁二醇

1.秸秆经切削、除尘、粉碎至40目，加入浓度为7wt％的硫酸溶液中，硫酸溶液与植物纤维原料的重量比为8∶1；

2.升温至100℃，并保持该温度2小时。将以上所得液固混合物过滤，液相部分加入CaO至pH值等于8，搅拌，过滤去除沉淀，滤液中加入浓硫酸调pH为7，按表1分别用滤液配制种子培养基和发酵培养基，种子培养基中还原糖含量控制为20g/l，发酵培养基中还原糖含量控制为20g/l。

3.将克雷伯氏肺炎杆菌(Klebsiella pneumoniae 10011，购自中国工业微生物菌种管理保藏中心)一环接入种子培养基，30℃培养18小时，得到种子液。以1wt％的接种量将种子液接入发酵培养基中，发酵温度35℃，pH由碱溶液或氨水控制在6，生产2，3-丁二醇9.8g/l。

实施例2：由玉米芯生产乙醇和2，3-丁二醇

1.玉米芯经切削、除尘、粉碎至40目，加入浓度为0.25％的硫酸溶液中，硫酸溶液与植物纤维原料的液固比为12∶1；

2.升温至200℃，并保持该温度0.25小时。将以上所得液固混合物过滤，液相部分加入CaO至pH值等于10，搅拌，过滤去除沉淀，滤液中加入浓硫酸调pH为7，按表1分别用滤液配制种子培养基和发酵培养基，种子培养基中还原糖含量控制为20g/l，发酵培养基中还原糖含量控制为40g/l；

3.将产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca 10370，中国农业微生物菌种保藏中心)一环接入种子培养基，37℃培养12小时得到种子液。以3％的接种量将种子液接入发酵培养基中，发酵温度37℃，pH由碱溶液或氨水控制在8，发酵60小时，得到2，3-丁二醇32g/l。

实施例3：由甘蔗渣生产乙醇和2，3-丁二醇

1.甘蔗渣经切削、除尘、粉碎至40目，加入硫酸使溶液中酸浓度为2％，溶液与植物纤维原料的液固比为10∶1；

2.升温至160℃，并保持该温度40min。将以上所得液固混合物过滤，液相部分加入CaO至pH值等于9，搅拌，过滤去除沉淀，滤液中加入浓硫酸调pH为7，按表1分别用滤液配制种子培养基和发酵培养基，种子培养基中还原糖含量控制为20g/l，发酵培养基中还原糖含量控制为40g/l)

3.将克雷伯氏肺炎杆菌(Klebsiella pneumoniae 10011，购自中国工业微生物菌种管理保藏中心)一环接入种子培养基，30℃培养18小时得到种子液。以1％的接种量将种子液接入发酵培养基中，发酵温度37℃，pH由碱溶液或氨水控制在6，发酵开始20小时后，再补加脱毒水解液50g/l，共发酵72小时，得到2，3-丁二醇42.5g/l。

Claims (1)

1.一种由木质纤维原料生产2，3-丁二醇的方法，利用木质纤维原料中半纤维素水解成五碳糖生产2，3-丁二醇，其特征在于，具体工艺步骤如下：

A1.将木质纤维素原料与浓度为0.25-7wt％的酸液按照重量比1∶8-12的比例混合，在100-200℃的温度下经10分钟～3小时时间的处理，处理后，使半纤维素水解成单糖溶入液相，纤维素与木质素保留在固相中；

B1固液分离，在半纤维素水解液经石灰脱毒处理后，添加培养成份配制2，3-丁二醇发酵用种子培养基和发酵培养基，如下表1所示；使用前均于121℃灭菌15分钟；

表1种子培养基和发酵培养基成份

C1.将产酸克雷伯氏菌或克雷伯氏肺炎杆菌一环接入种子培养基，30～37℃培养12～18小时，得到种子液，以1wt％～3wt％的接种量将种子液接入含半纤维素水解液的发酵培养基中，发酵温度35～37℃，由碱溶液或氨水控制pH为6.0～8.0，生产2，3-丁二醇产品。