CN101613722A

CN101613722A - 一种利用纤维素类原料发酵生产乙醇和丁二酸的方法

Info

Publication number: CN101613722A
Application number: CN200910090184A
Authority: CN
Inventors: 李荣杰; 欧阳平凯; 薛培俭; 姜岷; 尚海涛
Original assignee: Anhui BBCA Fermentation Technology Engineering Research Co Ltd
Current assignee: Anhui BBCA Fermentation Technology Engineering Research Co Ltd
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2009-12-30
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: CN101613722B

Abstract

本发明涉及一种利用纤维素类原料发酵生产乙醇和丁二酸的方法，其将纤维素类原料粉碎并加入稀碱溶液进行预处理后，用纤维素酶和木聚糖酶酶解，酶解产物经过滤和浓缩，获得浓缩糖液；然后在乙醇发酵体系中利用浓缩糖液发酵生产乙醇，同时在丁二酸发酵体系中利用浓缩糖液发酵生产丁二酸，并将发酵乙醇过程中产生的气体经除菌过滤和洗涤后通入发酵生产丁二酸的体系中。本发明使农林业生产中产生的大量纤维素类废弃物得到了有效利用，解决了丁二酸发酵中额外添加二氧化碳辅料的问题，同时降低了乙醇发酵时温室气体的排放量以及尾气处理的成本，且具有原材料来源广泛、生产成本低、生产效率高等优点，利于节能减排和环境保护，适于推广应用。

Description

一种利用纤维素类原料发酵生产乙醇和丁二酸的方法

技术领域

本发明涉及一种乙醇和丁二酸的生产方法，特别涉及一种利用纤维素类原料发酵法生产乙醇和丁二酸的方法。

背景技术

丁二酸又称为琥珀酸，是一种二元有机酸，它是一种重要的C₄平台化合物，可作为合成复杂有机化合物的中间体，广泛应用于制药、食品加工、合成塑料、橡胶、防护涂料、染料和其它工业中。目前，已有超过250种以苯为原料的化工产品可以通过丁二酸转化获得，因此丁二酸的市场需求不断增加。

生产丁二酸的方法主要有两种：化学合成法和微生物发酵法。传统的化学合成法因使用化石原料、环境污染等原因使丁二酸的生产规模和应用受到较大限制。微生物发酵法生产丁二酸由于效率高、污染小等众多优点，正在被广泛深入地研究。但由于目前微生物发酵法生产丁二酸均利用粮食作物中淀粉为原料，丁二酸的生产需要消耗大量的粮食，形成与人争粮的局面，对人类的生存构成一定威胁。

乙醇俗称酒精，不仅是一种非常重要的有机化工原料和溶剂，而且因其可再生和对环境无污染，被认为是可替代石油类不可再生资源的最有发展前景的液体燃料。但目前发酵生产乙醇的原料仍以谷物类粮食为主，存在与人争粮的矛盾。

纤维素是天然高分子化合物，是由D-吡喃葡萄糖以1，4糖苷键连接而成，其化学式为(C₆H₁₀O₅)n，聚合度n为3500-10000。纤维素经水解可生成葡萄糖，能够作为微生物发酵的原料。纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，是植物体中含量最丰富的物质，在作物秸秆中的含量达40-50％。农林业生产中会产生大量农作物秸秆、林木枝丫、林木加工边角料、锯末刨花等纤维素类农林业废弃物，我国每年总的秸秆量每年约在6-7亿吨，仅玉米秸秆即达约1.23亿吨，每年林木采伐和木材加工过程中产生的枝丫、锯末、木屑、截头等约达3930多万立方米，这些都是具有巨大潜力的再生资源，但目前除一部分用作反刍动物的饲料外，大部分未被利用。因此，将作物秸秆等纤维素类农林业废弃物转化为人类可利用的生物能源、生物化学品具有重大的意义和广泛的前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用纤维素类原料发酵生产乙醇和丁二酸的方法。

根据化学计量式可知，每生产1mol丁二酸需要固定1mol二氧化碳，即每生产1吨丁二酸至少需要消耗0.37吨二氧化碳。目前丁二酸发酵过程中二氧化碳的补给主要有两种方法：一是直接通入二氧化碳，二是利用碳酸盐(如碳酸钠、碳酸钙或碳酸镁等)。两种方法都需要增加额外的生产成本。而在发酵生产乙醇的过程中，会产生大量的废气，废气中95％以上为温室气体CO₂，其对大气环境造成的影响不容忽视。目前主要通过回收CO₂生产液态CO₂、轻质碳酸钙、全降解塑料——聚碳酸亚丙酯树脂，但其回收利用的成本较高。本发明经过研究和不断的方法改良发现，能够将发酵乙醇产生的CO₂气体直接应用与丁二酸发酵中，这样能够同时降低乙醇生产的尾气治理成本和丁二酸生产的辅料成本，实现碳源的循环利用和节能减排。

因此，本发明提供一种利用纤维素类原料发酵生产乙醇和丁二酸的方法，其将纤维素类原料水解后获得浓缩糖液，然后分别在乙醇发酵体系中利用浓缩糖液发酵生产乙醇、在丁二酸发酵体系中利用浓缩糖液发酵生产丁二酸，并将发酵乙醇过程中产生的气体通入发酵生产丁二酸的体系中。

所述发酵乙醇过程中产生的气体95％以上为CO₂，再经洗涤、过滤除菌和冷冻压缩后，得含99.9％以上的CO₂气体通入发酵生产丁二酸的体系中。

所述纤维素类原料为作物秸秆、果壳、林木枝丫、林木茎干、林木加工的边角料、锯末、木屑、甘蔗渣或废纸浆等。

所述水解为碱解和酶解。

所述碱解为将纤维素类原料粉碎后，加入稀碱溶液，115～120℃碱解1～2小时后冷却，碱解后的固相用水配成质量百分比浓度为10％的浆状物料，并调整其pH值到4.4-5.5。

所述稀碱溶液为质量百分比浓度为1.6～2.0％的氢氧化钠溶液，其质量为为粉碎的纤维素类原料的5～7倍。

所述酶解为用纤维素酶和木聚糖酶酶解。

所述发酵生产乙醇的微生物可为酵母菌或细菌。

所述的发酵生产丁二酸的微生物可为放线杆菌、丁二酸厌氧螺菌和重组大肠杆菌等。

所述发酵乙醇过程中产生的气体经过滤除菌和洗涤后通入发酵生产丁二酸的体系中。

所述经过滤除菌和洗涤后的气体优选以1∶0.2的通风比通入发酵生产丁二酸的体系中。

本发明利用纤维素类原料发酵生产两个重要大宗化学品乙醇和丁二酸，使农林业生产中产生的大量纤维素类废弃物得到了有效利用。本发明方法采用稀碱处理和酶解的方法对纤维素类原料进行处理，其中稀碱处理能够去除部分碱溶性的半纤维素和木质素，酶解具有高度的专一性，因此能够大大减少纤维素类原料水解过程中产生的发酵抑制剂，从而提高发酵生产效率。此外，本发明方法将乙醇发酵与丁二酸发酵进行有机的耦合，将乙醇发酵时产生的二氧化碳通入丁二酸发酵体系，解决了丁二酸发酵中额外添加二氧化碳辅料的问题，同时降低了乙醇发酵时温室气体的排放量以及尾气处理的成本。

因此本发明方法具有原材料来源广泛、生产成本低、生产效率高、温室气体排放少、辅料消耗少等优点，利于节能减排和环境保护，适于推广应用。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例中所述的百分含量，如果没有特别说明，均为质量百分含量。

实施例1以玉米秸秆为原料制备糖液

以玉米秸秆为原料制备糖液，包括如下步骤：

(1)取100千克玉米秸秆，手工脱叶去根，采用秸秆饲料搓揉机与片式粉碎机进行处理，底部出料筛网的孔径为Φ5，得到玉米秸秆粉状物料。

(2)使用容积为0.8立方米、旋转速度为1rpm的圆柱型反应器，将100千克经粉碎的玉米秸秆物料加入其中，并加入600千克氢氧化钠浓度为1.8％的稀碱溶液。加热到120℃，保温1小时后冷却，并将物料放出。

(3)将碱处理后的物料用螺旋挤干机挤干，并用热水洗涤固相，直至物料pH值小于9。

(4)将洗涤后的固相物料加入到酶解罐中，按固形物绝干重量的9倍加入无菌水，配成10％的浆状物料，用硫酸调整pH到4.6，按20FPIU/g纤维素加入纤维素酶，按10FPIU/g半纤维素加入木聚糖酶，50℃条件下保温56小时。

(5)用板框过滤机分离酶解后的物料，并用50℃热水洗涤固相，得到稀糖液和废渣。

(6)稀糖液用RO膜浓缩，浓缩后的糖液浓度达到12％。

实施例2乙醇发酵体系的建立

乙醇发酵体系的建立，包括如下步骤：

(1)平板培养：平板培养基的组成为葡萄糖3％，酵母膏0.5％，蛋白胨0.5％，琼脂2％。将酒精酵母菌种接种到该培养基中，33℃培养28小时。

(2)摇瓶种子培养：摇瓶种子培养基的组成为葡萄糖3％，酵母膏0.5％，蛋白胨0.15％，玉米浆0.5％，磷酸二氢钾0.05％，硫酸镁0.06％，自来水配制。将平板培养的酒精酵母菌种接种到该培养基中，33℃培养32小时，摇床转速为200rpm。

(3)种子罐种子培养：培养基组成为实施例1得到的浓缩糖液，加入量为使培养基中的总糖含量为5％，酵母膏0.2％，蛋白胨0.05％，玉米浆0.8％，磷酸二氢钾0.05％，硫酸镁0.06％，自来水配制。将摇瓶培养的酒精酵母菌种接种到该秸秆酶解糖种子培养基中，接种量为10％(v/v)，30℃～33℃培养32小时，搅拌转速为350rpm，通风比为1∶0.5。

(4)发酵罐培养

培养基组成为实施例1得到的浓缩糖液，加入量为使培养基中的总糖含量为15％，玉米浆0.5％，磷酸氢二钾0.05％，硫酸铵0.05％，磷酸氢二铵0.15％。将种子罐培养基培养的酒精酵母菌种接种到发酵罐中的培养基中培养，根据该菌株在生长、代谢的不同阶段对氧气及不同碳源需求量的差异，进行有氧、厌氧两段组合多罐连续发酵。在第一阶段为有氧发酵阶段，无菌空气以通风比为1∶0.5的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为300rpm，维持溶氧浓度(DO)为60～80％，温度控制在30～31℃，好氧培养10小时。当细胞浓度即光密度(OD)达到20时，进入第二阶段厌氧发酵，温度控制在30～38℃，发酵75小时，乙醇产率达到6.58％，糖醇转化率大于42％。

实施例3丁二酸发酵体系及其与乙醇发酵体系的耦合

丁二酸的生产方法，包括以下步骤：

(1)平板培养：将丁二酸菌种琥珀酸放线杆菌接种到胰蛋白胨大豆琼脂培养基中，35℃厌氧培养28小时。

(2)摇瓶种子培养：培养基组成为实施例1得到的浓缩糖液，加入量为使培养基中的总糖含量为3％，酵母膏0.4％，蛋白胨0.2％，玉米浆0.3％，Na₂CO₃0.9％，NaH₂PO₄0.7％，K₂HPO₄1.0％，Na₂HPO₄0.2％，NaCl0.2％，自来水配制。将平板培养的丁二酸菌种接种到装有200ml上述培养基的血清瓶中摇瓶培养，35℃培养15小时，摇床转速为180rpm.

(3)种子罐培养：培养基组成为实施例1得到的浓缩糖液，加入量为使培养基中的总糖含量为5％，酵母膏0.4％，蛋白胨0.2％，玉米浆0.3％，Na₂CO₃0.9％，NaH₂PO₄0.7％，K₂HPO₄1.0％，Na₂HPO₄0.2％，NaCl0.2％，自来水配制。将摇瓶培养的丁二酸菌种接种到装有上述培养基的种子罐中厌氧培养，接种量为5％(v/v)，35℃培养20小时，搅拌转速为200rpm，二氧化碳通入量为1∶0.3。

(4)发酵罐培养

培养基组成为实施例1得到的浓缩糖液，加入量为使培养基中的总糖含量为12％，酵母膏1.0％，NaAc0.1％，NaH₂PO₄0.02％，K₂HPO₄0.1～0.5％，Na₂HPO₄0.02％，NaCl0.03％，CaCl₂0.02％，MgCl₂0.02％，自来水配制。将种子罐培养的丁二酸菌种接种到发酵罐中，根据该菌株在生长、代谢的不同阶段对二氧化碳及不同碳源、氮源、微量元素需求量的差异，进行厌氧发酵。发酵过程中流加无菌中和剂碳酸镁将pH值控制在6.5～7.1范围内，同时将实施例2乙醇发酵过程中产生的气体经洗涤、过滤除菌和冷冻压缩后，得99.9％以上的CO₂气体，以通风比为1∶0.2的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为200rpm，温度控制在35℃，厌氧培养45小时，丁二酸产率达到6.8％，糖酸转化率70％。

注：本发明中所采用的纤维素酶、木聚糖酶、酒精酵母菌种、酒精细菌菌种、琥珀酸放线菌种、琥珀酸厌氧螺菌或重组大肠杆菌等均为常规使用的产品，可市售获得。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1、一种利用纤维素类原料发酵生产乙醇和丁二酸的方法，其将纤维素类原料水解后获得浓缩糖液，然后分别在乙醇发酵体系中利用浓缩糖液发酵生产乙醇、在丁二酸发酵体系中利用浓缩糖液发酵生产丁二酸，并将发酵乙醇过程中产生的气体通入发酵生产丁二酸的体系中。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维素类原料为作物秸秆、果壳、林木枝丫、林木茎干、林木加工的边角料、锯末、木屑、甘蔗渣或废纸浆。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水解为碱解和酶解。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述碱解为将纤维素类原料粉碎后，加入稀碱溶液，115-120℃碱解1-2小时后冷却，碱解后的固相用水配成质量百分比浓度为10％的浆状物料，并调整其pH值到4.4-5.5。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述稀碱溶液为质量百分比浓度为1.6-2.0％的氢氧化钠溶液，其质量为粉碎的纤维素类原料的5-7倍。

6、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述酶解为用纤维素酶和木聚糖酶酶解。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵生产乙醇的微生物为酵母菌或细菌。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的发酵生产丁二酸的微生物为放线杆菌、丁二酸厌氧螺菌或重组大肠杆菌。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵乙醇过程中产生的气体经过滤除菌和洗涤后通入发酵生产丁二酸的体系中。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述经过滤除菌和洗涤后的气体以1∶0.2的通风比通入发酵生产丁二酸的体系中。