CN102286545A

CN102286545A - 去除秸秆酶解液抑制丁醇发酵的可溶性木质素的方法

Info

Publication number: CN102286545A
Application number: CN2010102091986A
Authority: CN
Inventors: 陈洪章; 王岚
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明涉及了去除秸秆酶解液抑制丁醇发酵的可溶性木质素的方法。该方法包括用活性炭处理秸秆酶解液或用碱性双氧水处理秸秆，以去除秸秆产生的发酵抑制物。秸秆酶解液中存在的可溶性木质素是抑制丁醇生产菌株正常发酵的主要原因。本发明采用活性炭处理秸秆酶解液可以去除酶解液中的可溶性木质素，得到的酶解液补加氮源后可用于发酵丁醇；采用碱性双氧水处理秸秆可以去除秸秆中的木质素，减少酶解后可溶性木质素的产生，得到的酶解液补充氮源后可直接用于发酵而无抑制现象，总溶剂转化率在0.15～0.2(g/g消耗糖)。本发明解决了秸秆发酵生产丁醇过程中发酵抑制物的问题，为秸秆发酵丁醇的提供了技术路线。

Description

去除秸秆酶解液抑制丁醇发酵的可溶性木质素的方法

技术领域

本方法属于发酵工业领域，特别涉及去除秸秆酶解液抑制丁醇发酵的可溶性木质素的方法。

背景技术

丁醇是重要的有机溶剂和化工原料，广泛用于化工，医药，食品等工业。此外，丁醇还是一种极具潜力的新型生物燃料，具有高热值、易混溶性、高辛烷值和低挥发性等优良特性，在替代汽油作为燃料方面性能优于乙醇。

丁醇可由发酵和石油化工合成法生产。近年来，由于石化资源的耗竭和温室效应等环境问题的日益突出，发酵法生产丁醇得到了人们的广泛的关注。相对于化学合成法，发酵法的生产成本过高，是其缺乏竞争性的主要原因。由于传统的发酵原料(淀粉、糖蜜)的成本约占丁醇发酵总成本的60～70％，采用大量而廉价的秸秆等木质纤维素替代传统发酵原料用于丁醇生产，对于降低丁醇生产成本，解决粮食供应不足以及因秸秆焚烧带来的环境污染问题，具有重要意义。

秸秆等木质纤维素的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中的木质素本身就是一种用途广泛的化工原料，而纤维素和半纤维素降解成的葡萄糖和木糖均能被被丁醇生产菌株(Clostridium.acetobutylicum)利用。以秸秆发酵丁醇，需要对原料进行预处理以利于将其降解成被菌种利用的可发酵糖。但是，在木质素纤维降解成可发酵糖的过程中，也会产生弱酸类，呋喃类和酚类化合物等，成为发酵的抑制物。其中，来自木质素降解物的酚类化合物对发酵的抑制作用最为显著，因为这些物质在极低的浓度(约＜0.1g/L)就对菌体生长造成了抑制作用。另外，许多研究也证明了秸秆中木质素对纤维素酶存在无效吸附作用，从而降低酶解效率，增加了纤维素酶的使用成本。尽管水洗秸秆可以在其酶解前去除大部分的乙酸，糠醛，羟甲基糠醛和少量酚类物质，但由于酶解过程中纤维素和半纤维素的降解，使部分降解的木质素游离到酶解液中，导致酶解液可发酵性能的被大大降低了。因此，在发酵前甚至酶解前去除秸秆中的发酵抑制物对提高秸秆的丁醇发酵性能是非常必要的。

本发明采用活性炭处理秸秆酶解液可以去除酶解液中的可溶性木质素，从而提高了秸秆酶解液的丁醇发酵性能；采用碱性双氧水处理秸秆可以去除秸秆中的木质素，从而降低了酶解后可溶性木质素的产生，得到的酶解液可直接用于发酵丁醇而无抑制现象。本发明解决了秸秆发酵生产丁醇过程中发酵抑制物的问题，为秸秆发酵丁醇的提供了技术路线。

发明内容

本发明的目的在于提供去除秸秆酶解液抑制丁醇发酵的可溶性木质素的方法，即利用活性炭处理秸秆酶解液以去除酶解液中的可溶性木质素，提高了秸秆酶解液的丁醇发酵性能；采用碱性双氧水处理秸秆以去除秸秆中的木质素，降低酶解后可溶性木质素的产生，满足了秸秆酶解液直接发酵丁醇的要求，而无需额外的脱毒处理。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的去除秸秆酶解液抑制丁醇发酵的可溶性木质素的方法，其步骤如下：

2)活性炭处理秸秆酶解液

在秸秆中加入10～15倍秸秆干重的蒸馏水，用1M H₂SO₄调节液体的pH为4.8±0.2，再加入10～20IU/g底物的纤维素酶，于50℃，150rpm下反应48～72h；酶解结果后，过滤收集上清液；将上清液在0.7～0.9MPa，40～70℃下减压蒸馏，在蒸馏后的剩余液中加入2～15％(g/100ml)的活性炭进行吸附，吸附温度15～50℃，吸附时间0.5～24h。活性炭吸附后的上清液用于丁醇发酵。

3)碱性双氧水处理秸秆及其酶解液的制备

在每g秸秆中加入5～50ml的碱性双氧水进行处理(每升碱性双氧水中含5～50g的NaOH和5～50ml的30％的双氧水)，处理温度为10～90℃，处理时间0.5～48h，然后用清水冲洗物料至中性，再经固液分离后得到碱处理秸秆；在干燥的碱处理秸秆中加入10～15倍秸秆干重的蒸馏水，用1M H₂SO₄调节液体的pH为4.8±0.2，再加入10～20IU/g底物的纤维素酶，于50℃，150rpm下反应48～72h；酶解结果后，过滤收集上清液。将上清液在0.7～0.9MPa，40～70℃下减压蒸馏，蒸馏剩余液用于丁醇发酵。

4)丁醇发酵

将步骤2)得到的上清液和步骤3)得到的蒸馏剩余液用1M NaOH调至pH6.5，再加入1～10g/L的氮源，以及10mg/L微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入5～10％的丁醇种子液，30～35℃下厌氧发酵3～6d；用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量；

所述的氮源为：酵母粉，蛋白胨，豆粕粉，玉米浆，硫酸铵，醋酸铵，硝酸铵，碳酸铵，碳酸氢氨，磷酸二氢铵，磷酸氢二铵或氯化铵

所述的微量元素为：生物素和对氨基苯甲酸

所述丁醇种子液的制备为：将Clostridium.acetobutylicum接入到6％的玉米醪培养基中，厌氧发酵2～3d后制得；

本发明的去除秸秆酶解液抑制丁醇发酵的可溶性木质素的方法，具有下述优点：

1.采用活性炭处理可以去除秸秆酶解液中的发酵抑制物，提高了秸秆酶解液的丁醇发酵性能；

2.采用碱性双氧水处理秸秆可以去除秸秆中的木质素，不仅可以降低随后酶解液中可溶性木质素的含量，还提高了酶解效率，实现秸秆酶解液直接发酵丁醇，而无需额外的脱毒处理过程。

附图说明：

图1是本发明的工艺流程图

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1

去除秸秆中的发酵抑制物并用于发酵丁醇是按照下述两种工艺进行的。

(1)称取干燥后的秸秆50g，加入500ml蒸馏水，用1M H₂SO₄调节液体的pH为4.8±0.2，再加入20IU/g底物的纤维素酶，于50℃，150rpm下反应48h，酶解结果后，过滤收集上清液，并测定上清液中葡萄糖和木糖的含量，计算浓缩倍数(按照浓缩后葡萄糖和木糖两者总和为60g/L计算)；接着，将上清液在0.9MPa，40℃下减压蒸馏，浓缩到规定体积，在蒸馏后的剩余液中加入2％(g/100ml)的活性炭进行吸附，吸附温度15℃，吸附时间24h，过滤活性炭颗粒，得到澄清的液体；然后，将澄清液体用1M NaOH调至pH6.5，加入1g/L的硫酸铵，以及10mg/L微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入10％(体积比)的丁醇种子液，35℃下厌氧发酵3d；最后，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量，其中总溶剂的转化率为0.20g/g(消耗糖)，产率为0.17g/(L·h)。

(2)称取干燥后的秸秆100g，加入500mL碱性双氧水(每升碱性双氧水中含5g的NaOH和5ml的30％的双氧水)，在温度为50℃下处理48h，然后用清水冲洗物料至中性，再经固液分离后得到碱处理秸秆；称取50g干燥的碱处理秸秆，加入500ml蒸馏水，用1M H₂SO₄调节液体的pH为4.8±0.2，再加入15IU/g底物的纤维素酶，于50℃，150rpm下反应48h；酶解结果后，过滤收集上清液，并测定上清液中葡萄糖和木糖的含量，计算浓缩倍数(按照浓缩后葡萄糖和木糖两者总和为60g/L计算)；接着，将上清液在0.9MPa，40℃下减压蒸馏，浓缩到规定体积；然后，将蒸馏剩余液用1M NaOH调至pH6.5，加入1g/L蛋白胨，以及10mg/L微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入10％(体积比)的丁醇种子液，35℃下厌氧发酵3d；最后，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量，其中总溶剂的转化率为0.19g/g(消耗糖)，产率为0.15g/(L·h)。

实施例2

(1)称取干燥后的秸秆50g，加入500ml蒸馏水，用1M H₂SO₄调节液体的pH为4.8±0.2，再加入20IU/g底物的纤维素酶，于50℃，150rpm下反应48h，酶解结果后，过滤收集上清液，并测定上清液中葡萄糖和木糖的含量，计算浓缩倍数(按照浓缩后葡萄糖和木糖两者总和为60g/L计算)；接着，将上清液在0.8MPa，50℃下减压蒸馏，浓缩到规定体积，在蒸馏后的剩余液中加入7.5％(g/100ml)的活性炭进行吸附，吸附温度50℃，吸附时间12h，过滤活性炭颗粒，得到澄清的液体；然后，将澄清液体用1M NaOH调至pH6.5，加入5g/L硫酸铵，以及10mg/L微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入10％(体积比)的丁醇种子液，35℃下厌氧发酵3d；最后，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量，其中总溶剂的转化率为0.19g/g(消耗糖)，产率为0.14g/(L·h)。

(2)称取干燥后的秸秆100g，加入1L碱性双氧水(每升碱性双氧水中含10g的NaOH和10ml的30％的双氧水)，在温度为50℃下处理24h，然后用清水冲洗物料至中性，再经固液分离后得到碱处理秸秆；称取50g干燥的碱处理秸秆，加入500ml蒸馏水，用1M H₂SO₄调节液体的pH为4.8±0.2，再加入15IU/g底物的纤维素酶，于50℃，150rpm下反应48h；酶解结果后，过滤收集上清液，并测定上清液中葡萄糖和木糖的含量，计算浓缩倍数(按照浓缩后葡萄糖和木糖两者总和为60g/L计算)；接着，将上清液在0.8MPa，50℃下减压蒸馏，浓缩到规定体积；然后，将蒸馏剩余液用1M NaOH调至pH6.5，加入5g/L的硫酸铵，以及10mg/L微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入10％(体积比)的丁醇种子液，35℃下厌氧发酵3d；最后，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量，其中总溶剂的转化率为0.20g/g(消耗糖)，产率为0.17g/(L·h)。

实施例3

(1)称取干燥后的秸秆50g，加入500ml蒸馏水，用1M H₂SO₄调节液体的pH为4.8±0.2，再加入20IU/g底物的纤维素酶，于50℃，150rpm下反应48h，酶解结果后，过滤收集上清液，并测定上清液中葡萄糖和木糖的含量，计算浓缩倍数(按照浓缩后葡萄糖和木糖两者总和为60g/L计算)；接着，将上清液在0.7MPa，40℃下减压蒸馏，浓缩到规定体积，在蒸馏后的剩余液中加入15％(g/100ml)的活性炭进行吸附，吸附温度30℃，吸附时间24h，过滤活性炭颗粒，得到澄清的液体；然后，将澄清液体用1M NaOH调至pH6.5，加入10g/L的硫酸铵，以及10mg/L微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入10％(体积比)的丁醇种子液，35℃下厌氧发酵3d；最后，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量，其中总溶剂的转化率为0.19g/g(消耗糖)，产率为0.16g/(L·h)。

(2)称取干燥后的秸秆100g，加入5L碱性双氧水(每升碱性双氧水中含50g的NaOH和50ml的30％的双氧水)，在温度为50℃下处理24h，然后用清水冲洗物料至中性，再经固液分离后得到碱处理秸秆；称取50g干燥的碱处理秸秆，加入500ml蒸馏水，用1M H₂SO₄调节液体的pH为4.8±0.2，再加入10IU/g底物的纤维素酶，于50℃，150rpm下反应48h；酶解结果后，过滤收集上清液，并测定上清液中葡萄糖和木糖的含量，计算浓缩倍数(按照浓缩后葡萄糖和木糖两者总和为60g/L计算)；接着，将上清液在0.7MPa，70℃下减压蒸馏，浓缩到规定体积；然后，将蒸馏剩余液用1M NaOH调至pH6.5，加入10g/L的硫酸铵，以及10mg/L微量元素制成发酵培养基，在121℃下灭菌10min，接入10％(体积比)的丁醇种子液，35℃下厌氧发酵3d；最后，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量，其中总溶剂的转化率为0.20g/g(消耗糖)，产率为0.17g/(L·h)。

Claims

1.去除秸秆酶解液抑制丁醇发酵的可溶性木质素的方法，其特征在于以下步骤：

1)将秸秆进行酶解，酶解液经过减压蒸馏、活性炭吸附后，得到活性炭处理的酶解液，向其中补加氮源和微量元素制成发酵培养基生产丁醇；

2)用碱性双氧水处理秸秆，将得到的碱处理秸秆进行酶解，酶解液经过减压蒸馏后，得到碱处理秸秆酶解液，向其中补加氮源和微量元素制成发酵培养基生产丁醇。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述活性炭吸附条件为：每升秸秆酶解液添加20～150g的活性炭，吸附温度15～50℃，吸附时间0.5～24h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的减压蒸馏条件为：压力0.7～0.9MPa，温度40～70℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的碱性双氧水处理的条件为：按照每g秸秆添加5～50ml的碱性双氧水，每升碱性双氧水中含5～50g的NaOH和5～50ml的30％的双氧水，反应温度10～90℃，反应时间0.5～48h。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的氮源的添加量按照每升发酵培养基添加1～10g，氮源为酵母粉，蛋白胨，豆粕粉，玉米浆，硫酸铵，醋酸铵，硝酸铵，碳酸铵，碳酸氢氨，磷酸二氢铵，磷酸氢二铵或氯化铵中之一或任意组合。