CN104774877A - 一种木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法 - Google Patents
一种木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，包括以下步骤：（1）将木质纤维素材料粉碎，放入氨水溶液中浸泡得混合物；（2）将步骤（1）所得的混合物固液分离，固体进行爆破处理得到爆破渣；（3）将爆破渣置于水中，混匀，添加酶液，糖化，接种活化后的酿酒酵母菌液，进行同步糖化发酵；（4）然后发酵罐接入活化后的拜氏梭菌液，发酵得发酵液；（5）将发酵液经减压蒸馏得到粗乙醇、丙酮、丁醇，进一步精馏和脱水得到无水乙醇、丙酮、丁醇。通过本发明的方法，乙醇、丙酮、丁醇三种产物比例合理，由于高浓物料糖化使得酒精含量较高，同时ABE发酵的副产物此时可以与丁醇同时进行分离，有机溶剂的增加，降低了蒸馏成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种木质纤维素生物质综合利用的方法，具体涉及一种木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法。
背景技术
自工业革命时代以来，经济在以石油煤炭为代表的化石能源被急剧消耗的基础上高速发展。中国石油储备量仅占世界的2％，而年消费量却高居世界第二位。世界上石油的可开采量越来越少，而中国的经济发展导致石油的消耗在日益增长。2011年中国原油净进口量首次突破2亿吨，对外依存度超过55％，2012年中国原油进口对外依存度升至58％。专家预计全球现有石油储备量仅可维持100年左右的消耗，而中国如果按现有消耗量，不到50年国内原油资源将消耗殆尽，因此对进口原油的过度依赖已经威胁到中国的资源供应和战略安全。根据FAO数据显示，到2030年世界人口将增至65亿，能源需求上升60％。因此，由化石燃料燃烧导致的环境污染问题已经摆上各国议程。化石等不可再生资源的消耗必然导致能源危机，直接制约着现代社会的发展。开发和利用可再生能源是人类立早自身解决能源问题的重要举措之一，其中燃料乙醇是世界上生产和使用规模最大的生物质液体燃料。
丁醇是一种极具潜力的新型生物燃料，具有亲水性弱，腐蚀性小，便于管道输送，能与汽油任意比混合，含氧量与甲基叔丁基醚(MTBE)相近等优点。丁醇作为燃料，其热值和汽油相当，能量高于乙醇近50％。此外，丁醇还是重要的有机化工原料，可用作油漆和表面涂料的溶剂和各种塑料、橡胶制品的生产。随着石油资源的匮乏，丁醇显示出在能源方面的实用价值。
丙酮是优良的有机溶剂和重要的化工原料，广泛应用于化工、塑料、有机合成、油漆等工业。丙酮最大的消费领域为溶剂，占其消费总量28％，其次是甲基丙烯酸甲酯MMA和双酚A，分别占其消费总量的23％和21％，其他还用于生产丙酮氰醇和异丙醇等。由于目前丙酮、丁醇生物发酵法成本远远高于化学法，所以国内外丙酮的生产方式仍采用丙烯直接氧化、异丙醇法、异苯丙法等化学方法。然而由于石油化工行业的迅猛发展，导致各国的丙酮、丁醇发酵工业一路衰败。
随着石油资源的短缺，石油价格的不断上扬，经济和社会的发展需要进行资源，能源，环境等一场革命。在经济发展和社会发展的双重驱动下，世界各国开始重新关注微生物发酵法生产丙酮、丁醇的研究。Qureshi等人通过丙酮、丁醇梭菌发酵玉米纤维生产丁醇，随后又研究了拜氏梭菌发酵小麦秸秆生产丙酮、丁醇。在我国，中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态所科研人员利用一株高丁醇比例的丙酮丁醇梭菌，通过遗传操作改造该菌株代谢途径，将该菌丙酮合成途径关键酶基因敲除，阻断丙酮的产生大大提高了丁醇比例。刘自勇等人研究了小麦麸皮酸水解后的混合糖发酵生产丙酮、丁醇，丁醇含量达8.8g/L。山东大学方诩教授研究组采用湿盘法对玉米芯预处理，研究了以玉米芯为原料同步糖化法和分步糖化法对丁醇含量的影响，发现产物丁醇对细胞的毒性限制了总溶剂终浓度，导致后续成本较高，难以和化学合成法相竞争，所以菌种改良的目标就是选育高丁醇耐受性、高丁醇比例的高产菌。靳孝庆等也提出使用低价原料、提高丁醇菌株耐受性和提高丁醇比例是提高生物法生产丁醇竞争力的唯一出路。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，包括以下步骤：
(1)将木质纤维素材料粉碎，以液固质量比2～5：1置于质量浓度为0.5％～15％(w/w)的氨水溶液中浸泡得混合物；
(2)将步骤(1)所得的混合物进行固液分离，液体用于下一批木质纤维素材料浸泡，将含水固体(固含量30％～60％w/w)进行爆破处理得到爆破渣，爆破压力为1.8～2.5MPa，保压60～350s后在2～10s内完全卸压；
(3)将步骤(2)中的爆破渣以液固质量比为4～8：1置于水中，调节pH为4～6、放入酶解反应器中，设置温度为45～60℃，混匀，添加纤维素酶酶液和木聚糖酶酶液，纤维素酶酶液添加量为：按爆破渣干物质中每克纤维素质量添加纤维素酶酶液5～10FPU，木聚糖酶酶液添加量为：按爆破渣干物质中每克纤维素质量添加木聚糖酶酶液5～40U，糖化2～20h后，降温至40℃，将糖化后的渣液一起泵入发酵罐，接种活化后的酿酒酵母菌液，进行同步糖化发酵12～72h；
(4)然后向步骤(3)中发酵罐按发酵液的体积接入2～10％(v/v)的活化后的拜氏梭菌液，进行发酵得发酵液；
(5)将步骤(4)中的发酵液经减压蒸馏得到粗乙醇、丙酮、丁醇，进一步精馏和脱水得到无水乙醇、丙酮、丁醇。
步骤(1)中，所述的木质纤维素材料指一年生的草本植物或农业废弃物(秸秆、玉米芯等)，其含水量为3％～40％(w/w)。
步骤(1)中，将木质纤维素材料粉碎至2～10cm。
步骤(1)中，所述的氨水溶液质量浓度为5％～10％(w/w)，浸泡时间为10min～24h。
步骤(2)中，所述含水固体置于爆破机中，保压后瞬间(2～10s)降压喷出爆破渣。
步骤(3)中，纤维素酶酶液来源于青霉酶系，优选草酸青霉菌株(本发明中草酸青霉保藏在中国普通微生物保藏管理中心，保藏编号CGMCC NO.5302，记载在中国专利《一种提高纤维素酶和半纤维素酶酶活性的草酸青霉菌株》中，申请号：201410160118.0)，其具体培养方法如下，①菌种活化：草酸青霉在PDA平板上于30℃条件下，生长7天，然后挑取单菌落划线于含有PDA琼脂(马铃薯粉：5.0g/L，葡萄糖：20.0g/L，琼脂：15.0g/L，氯霉素：0.1g/L)的茄形瓶中，28℃培养7天，然后用无菌水洗出，接入液体活化培养基中培养36h，即得活化后的草酸青霉，草酸青霉的数量为1×106—1015CFU/ml，菌丝短、粗壮呈现菊花状。
所述PDA平板的配方是：马铃薯300克、葡萄糖20克、琼脂15～20克、自来水1000毫升、自然pH。所述液体活化培养基的配方是：葡萄糖10g/L，蛋白胨10g/L，玉米芯10g/L，麸皮10g/L，碳酸钙5g/L。
②发酵：将活化好的草酸青霉菌种按照5～10％(v/v)的接种量转接于液体发酵培养基中，调节pH为5.0～5.5，121℃灭菌30min，发酵72～120h获得纤维素酶酶液。
所述液体发酵培养基的配方是：步骤(2)中爆破渣2～30g/L，麸皮20～40g/L，尿素1～10g/L，豆饼粉3～10g/L，硫酸铵1～3g/L，硫酸镁0.5g/L和磷酸二氢钾1～3g/L，pH为5.0～5.5。
步骤(3)中，木聚糖酶酶液来源于链霉菌酶系，优选为链霉菌为中国工业微生物菌种保藏管理中心CICC的菌种编号为11020的菌种。
具体培养方法如下：
①菌种活化：链霉菌木聚糖酶菌种活化在PDA平板(配方为：马铃薯300克、葡萄糖20克、琼脂15～20克、自来水1000毫升、自然pH)上32℃生长7天，然后挑取单菌落划线于含有将在玉米芯水不溶性木聚糖平板上生长5天(32℃)的菌落接到液体种子培养基中，在32℃培养48小时，观察生长状态，挑取生长良好的备用，液体培养基中链霉菌的数量为1×106—1×1013CFU/ml。
所述玉米芯水不溶性木聚糖平板：玉米芯30g/L，麸皮20g/L，低聚木糖(95P，购自山东龙力生物科技股份有限公司)5g/L，酵母提取物5g/L，蛋白胨5g/L，pH6.5-7.5，121℃灭菌20min。
所述液体种子培养基的配方是：低聚木糖(95P，购自山东龙力生物科技股份有限公司)10g/L；酵母提取物10g/L；蛋白胨10g/L；磷酸二氢钾0.6g/L；氯化钙0.3g/L，pH6.5-7.0，121℃灭菌20min。
②发酵：将生长良好的上述种子液接到发酵培养基中，发酵生产木聚糖酶。发酵条件为：50℃，pH自然，转速为200-300rpm；发酵罐培养基组成：步骤(2)中爆破渣30～50g/L，酵母粉5g/L，胰蛋白胨5g/L，磷酸二氢钾0.6g/L，氯化钙3g/L，七水硫酸镁0.3g/L，硫酸亚铁0.3g/L。发酵过程中48h时，每升发酵液补加5g酵母粉和5g胰蛋白胨，64h时，每升发酵液补加2ml吐温，发酵84～120h，获得木聚糖酶酶液。
步骤(3)中，酿酒酵母为耐高温酿酒高活性干酵母(为常规市售产品，购自安琪酵母股份有限公司)。活化方法为：将步骤(2)中的爆破渣进行酶解糖化制备水解糖液。具体步骤为：向水中加入爆破渣，使爆破渣干物质含量为10％～25％(w/w)，pH为4～6；按照爆破渣干物质中每克纤维素质量添加5～10FPU纤维素酶酶液，50℃糖化2～24h得到水解糖液。
按照每升上述水解糖液中加入0～5克的玉米浆及0.5～1克耐高温酿酒高活性干酵母(安琪酵母股份有限公司)，34℃活化4～8h，此时酵母数量为2×108CFU/ml-1×1013CFU/ml，即得活化后的酿酒酵母。
步骤(3)中，活化后的酿酒酵母菌液的接种量为发酵液体积的10％(v/v)。
步骤(3)中，所述酶解反应器为专利201420441746.1实施例1中所述的木质纤维原料酶解反应器，使固含量一次达到10％～25％。
步骤(4)中，丙酮、丁醇发酵菌拜氏梭菌ATCC55025(Clostridium beijerinckii)的活化方法为：制备拜氏梭菌活化液：将爆破渣进行酶解糖化制备水解糖液。具体步骤为：向水中加入爆破渣，使爆破渣干物质含量为10％～25％(w/w)，pH为4～6；按照爆破渣干物质中每克纤维素质量添加5～10FPU纤维素酶酶液，50℃糖化2～24h得到水解糖液，水解糖液中葡萄糖的浓度为40g/L。按照每升上述水解糖液中加入20克的玉米浆，pH为6.5～7.5，115℃灭菌20min，即得拜氏梭菌活化液，接入ATCC55025拜氏梭菌菌种，37℃活化16～24h，即得活化后的拜氏梭菌菌液，此时，拜氏梭菌的数量为106CFU/ml～1010CFU/ml。
步骤(4)中，发酵条件为34～40℃，厌氧反应60～96h。所述拜氏梭菌ATCC55025是由美国典型微生物菌种保藏中心ATCC保藏(山东大学赠予)。
木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，纤维素可以被纤维素酶分解为葡萄糖，半纤维素可以被木聚糖酶分解为木糖，为提高酶解产糖效率需要对原料进行一定预处理。本发明是通过低损失的氨爆预处理，通过预处理后回收氨水，剩余的废渣含有纤维素、木质素和半纤维素，通过预处理的木质纤维素原料作为诱导物来替代微晶纤维素起到诱导纤维素酶产生，使纤维素酶三大酶系比例更利于降解该类预处理物料，然后通过酶系复配及高固含量酶解设备达到玉米秸秆一次浓度为10％～25％，实现原料快速降粘，利用纤维素和半纤维素糖化降解成葡萄糖和木糖的工艺，混合发酵生产乙醇和丙酮、丁醇；通过乙醇、丁醇和丙酮三种产品同时蒸馏，解决原有丁醇发酵含量低蒸馏能耗高的弊端，使得现有常规发酵生产丙酮和丁醇具有市场竞争力，剩余残渣的木质素主要可以制备木质素成型燃料。三种产物的比例根据菌种不同产生差异，由公开号为CN101358218的专利一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法以及公开号为CN101440381的专利一种以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法中可以看出，无论是传统梭菌还是高丁醇比梭菌的发酵产物中总容剂只有2％左右，本发明方法最大程度的实现了木质纤维原料的综合利用，同时实现了有机溶剂含量大于4％，极大的降低了蒸馏成本。
本发明的有益效果：
1、氨法爆破预处理可以疏松木质纤维素原料的致密结构，部分去除木质素和少量半纤维素，同时破坏纤维素结晶，提高酶解效率。
2、整个爆破过程中基本无抑制物产生；残留于物料中的NH4+可以在后期发酵过程中当做氮源。
3、碱液浸泡可以加强爆破效果，特别是氨水回收利用可以减少氨水的使用，氨可以作为氮源在后续发酵中被利用，预处理过程中无污染物排放。
4、乙醇发酵和丙酮丁醇发酵在同一反应器中同时混合发酵，前期乙醇生产的二氧化碳给丁醇发酵提供了充足的厌氧环境；其次充分利用原料中的五碳糖、六碳糖共同发酵、达到节约设备，节约投资，而且第一步发酵中衰亡的酵母可以作为第二步发酵微生物的营养。
5、乙醇、丙酮、丁醇三种产物比例合理，由于高浓物料糖化使得酒精含量较高，同时ABE发酵的副产物此时可以与丁醇同时进行分离，有机溶剂的增加，降低了蒸馏成本。
附图说明
图1为本发明方法的技术路线图。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种玉米秸秆联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，具体包括以下步骤：
1、玉米秸秆剪切至3cm，置于3倍质量的10％(w/w)氨水溶液中，室温浸泡3h，过滤将固液分离，液体用于下一批物料浸泡；固体置于爆破机(QBS-200B，鹤壁正道生物能源公司，河南)中，2.5MPa保压60s，瞬间降压喷出爆破渣；爆破渣置于4倍质量的水中，用硫酸调pH为5.5。
2、草酸青霉纤维素酶菌种活化及发酵
(1)菌种活化：草酸青霉在PDA平板上于30℃条件下，生长7天，然后挑取单菌落划线于含有PDA琼脂(马铃薯粉：5.0g/L，葡萄糖：20.0g/L，琼脂：15.0g/L，氯霉素：0.1g/L)的茄形瓶中，28℃培养7天，然后用无菌水洗出，接入液体活化培养基中培养36h，即得活化后的草酸青霉，草酸青霉的数量为1×1011CFU/ml。
所述PDA平板的成分是：马铃薯300克、葡萄糖20克、琼脂15～20克、自来水1000毫升、自然pH。
所述液体活化培养基的配方是：葡萄糖10g/L，蛋白胨10g/L，玉米芯10g/L，麸皮10g/L，碳酸钙5g/L。
(2)发酵：将活化好的上述菌种按照10％(v/v)的接种量转接于液体发酵培养基中，调节pH为5.0～5.5，121℃灭菌30min，发酵72～120h获得纤维素酶酶液。
所述液体发酵培养基的配方是：爆破渣30g/L，麸皮30g/L，尿素1g/L，1豆饼粉10g/L，硫酸铵2g/L，硫酸镁0.5g/L和磷酸二氢钾3g/L。
注：本实施例中草酸青霉保藏在中国普通微生物保藏管理中心，保藏编号CGMCC NO.5302。
3、链霉菌木聚糖酶菌种活化及发酵
(1)菌种活化：链霉菌木聚糖酶菌种活化在PDA平板上30℃生长7天，然后挑取单菌落划线于含有将在玉米芯水不溶性木聚糖平板上生长5天(32℃)的菌落接到液体种子培养基中，在30℃培养48小时，观察生长状态，挑取生长良好的备用，液体培养基中链霉菌的数量为1×108CFU/ml。
所述玉米芯水不溶性木聚糖平板：玉米芯30g/L，麸皮20g/L，低聚木糖(95P，龙力生物)5g/L，酵母提取物5g/L，蛋白胨5g/L，pH6.5-7.5，121℃灭菌20min。
所述液体种子培养基的配方是：低聚木糖(聚合度为95)10g/L；酵母提取物10g/L；蛋白胨10g/L；磷酸二氢钾0.6g/L；氯化钙0.3g/L。
注：本实施例中的链霉菌为中国工业微生物菌种保藏管理中心CICC的菌种编号为11020的菌种。
(2)发酵：将生长良好的上述种子液接到发酵培养基中，发酵生产木聚糖酶。发酵条件为：32℃，pH自然，转速为200-300rpm；发酵罐培养基组成：爆破渣50g/L，酵母粉5g/L，胰蛋白胨5g/L，磷酸二氢钾0.6g/L，氯化钙.3g/L，七水硫酸镁,0.3g/L，硫酸亚铁0.3g/L。发酵过程中48h时，每升发酵液补加5g酵母粉和5g胰蛋白胨，64h时，每升发酵液补加2ml吐温，发酵84～120h，获得木聚糖酶酶液。
4、预糖化：将预处理后按照18％(w/w)的干物浓度调好pH的物料加入专利201420441746.1实施例1中所述的酶解反应器中，添加纤维素酶酶液和木聚糖酶酶液，按照爆破渣中每克纤维素的质量添加10FPU纤维素酶酶液和10U木聚糖酶酶液，50℃糖化12h后打入发酵罐后降温。
5、乙醇预发酵：
(1)活化耐高温酿酒高活性干酵母
活化方法为：将爆破渣进行酶解糖化制备水解糖液。具体步骤为：向水中加入爆破渣，使爆破渣干物质含量为10％～25％(w/w)，pH为4～6；按照爆破渣干物质中每克纤维素质量添加5～10FPU纤维素酶酶液，50℃糖化2～24h得到水解糖液，水解糖液中葡萄糖的浓度为40g/L。
按照每升上述水解糖液中加入5克的玉米浆及1克耐高温酿酒高活性干酵母(安琪酵母股份有限公司)，34℃活化8h，此时酵母数量为2×108CFU/ml，即得活化后的酿酒酵母。
(2)乙醇发酵：待步骤4中打入发酵罐中的预糖化液温度降至40℃时，按照预糖化液体积加入10％(v/v)酿酒酵母活化液，开搅拌混匀后，停止搅拌，38℃发酵20h。
6、丙酮、丁醇发酵：
(1)活化拜氏梭菌
制备拜氏梭菌活化液：将爆破渣进行酶解糖化制备水解糖液。具体步骤为：向水中加入爆破渣，使爆破渣干物质含量为10％～25％(w/w)，pH为4～6；按照爆破渣干物质中每克纤维素质量添加5～10FPU纤维素酶酶液，50℃糖化2～24h得到水解糖液，水解糖液中葡萄糖的浓度为40g/L。按照每升上述水解糖液中加入20克的玉米浆，即得拜氏梭菌活化液，接入ATCC55025拜氏梭菌菌种，37℃活化18h，即得活化后的拜氏梭菌菌液，此时，拜氏梭菌的数量为106CFU/ml。
按照10％(v/v)接种量将活化后的拜氏梭菌菌液接入上述乙醇发酵的发酵罐中，发酵条件为37℃厌氧反应72h后进行粗馏处理。粗馏后的醪液经过固液分离，液体用于污水处理制备沼气，固体用螺旋挤干机挤成固体成型燃料烘干。物料变化及主要产物的产量见表1、表2。
表1处理前后物料组分变化(质量百分含量)
| 纤维素％ | 半纤维素％ | 木质素％ | 灰分％ | |
| 玉米秸秆 | 34.3 | 21.8 | 15.2 | 15.1 |
| 蒸汽爆破处理后秸秆 | 49.1 | 14.3 | 9.4 | 4.9 |
表2主要产物产量
| 20h乙醇发酵液 | 乙醇24g/L |
| 发酵结束后总发酵液 | 乙醇40.1g/L，丙酮2.9g/L，丁醇6.2g/L |
实施例2
如图1所示，一种玉米秸秆联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，具体包括以下步骤：
1、玉米秸秆剪切至5cm，置于4倍质量的15％(w/w)氨水溶液中，室温浸泡30min，过滤将固液分离，液体用于下一批物料浸泡；固体置于爆破机(QBS-200B，鹤壁正道生物能源公司，河南)中，1.8MPa保压350s，瞬间降压喷出爆破渣；爆破渣置于3倍质量的水中，用硫酸调pH为5。
2、草酸青霉纤维素酶菌种活化及发酵
(1)菌种活化：草酸青霉在PDA平板上于30℃条件下，生长7天，然后挑取单菌落划线于含有PDA琼脂(马铃薯粉：5.0g/L，葡萄糖：20.0g/L，琼脂：15.0g/L，氯霉素：0.1g/L)的茄形瓶中，28℃培养7天，然后用无菌水洗出，接入液体活化培养基中培养36h，即得活化后的草酸青霉，草酸青霉的数量为1×107CFU/ml。
所述PDA平板的成分是：马铃薯300克、葡萄糖20克、琼脂15～20克、自来水1000毫升、自然pH。
所述液体活化培养基的配方是：葡萄糖10g/L，蛋白胨10g/L，玉米芯10g/L，麸皮10g/L，碳酸钙5g/L。
(2)发酵：将活化好的上述菌种按照10％(v/v)的接种量转接于液体发酵培养基中，调节pH为5.0～5.5，121℃灭菌30min，发酵120h获得纤维素酶酶液。
所述液体发酵培养基的配方是：爆破渣30g/L，麸皮30g/L，尿素1g/L，1豆饼粉10g/L，硫酸铵2g/L，硫酸镁0.5g/L和磷酸二氢钾3g/L。
注：本实施例中草酸青霉保藏在中国普通微生物保藏管理中心，保藏编号CGMCC NO.5302。
3、链霉菌木聚糖酶菌种活化及发酵
(1)菌种活化：链霉菌木聚糖酶菌种活化在PDA平板上32℃生长7天，然后挑取单菌落划线于含有将在玉米芯水不溶性木聚糖平板上生长5天(32℃)的菌落接到液体种子培养基中，在32℃培养48小时，观察生长状态，挑取生长良好的备用，液体培养基中链霉菌的数量为1×1010CFU/ml。
所述PDA平板的成分是：马铃薯300克、葡萄糖20克、琼脂15～20克、自来水1000毫升、自然pH。
所述玉米芯水不溶性木聚糖平板：玉米芯30g/L，麸皮20g/L，低聚木糖(95P，龙力生物)5g/L，酵母提取物5g/L，蛋白胨5g/L，pH6.5-7.5，121℃灭菌20min。
所述液体种子培养基的配方是：低聚木糖(聚合度为95)10g/L；酵母提取物10g/L；蛋白胨10g/L；磷酸二氢钾0.6g/L；氯化钙0.3g/L。
注：本实施例中的链霉菌为中国工业微生物菌种保藏管理中心CICC的菌种编号为11020的菌种。
(2)发酵：将生长良好的上述种子液接到发酵培养基中，发酵生产木聚糖酶。发酵条件为：32℃，pH自然，转速为300rpm；发酵罐培养基组成：爆破渣50g/L，酵母粉5g/L，胰蛋白胨5g/L，磷酸二氢钾0.6g/L，氯化钙.3g/L，七水硫酸镁,0.3g/L，硫酸亚铁0.3g/L。发酵过程中48h时，每升发酵液补加5g酵母粉和5g胰蛋白胨，64h时，每升发酵液补加2ml吐温，发酵120h，获得木聚糖酶酶液。
4、预糖化：将预处理后按照18％(w/w)的干物浓度调好pH的物料加入专利201420441746.1实施例1中所述的酶解反应器中，添加纤维素酶酶液和木聚糖酶酶液，按照爆破渣中每克纤维素的质量添加15FPU纤维素酶酶液和15U木聚糖酶酶液，50℃糖化24h后打入发酵罐后降温。
5、乙醇预发酵：
(1)活化耐高温酿酒高活性干酵母
活化方法为：将爆破渣进行酶解糖化制备水解糖液。具体步骤为：向水中加入爆破渣，使爆破渣干物质含量为10％～25％(w/w)，pH为4～6；按照爆破渣干物质中每克纤维素质量添加5～10FPU纤维素酶酶液，50℃糖化24h得到水解糖液，水解糖液中葡萄糖的浓度为40g/L。
按照每升上述水解糖液中加入5克的玉米浆及1克耐高温酿酒高活性干酵母(安琪酵母股份有限公司)，34℃活化8h，此时酵母数量为2×108CFU/ml，即得活化后的酿酒酵母。
(2)乙醇发酵：待步骤4中打入发酵罐中的预糖化液温度降至40℃时，按照预糖化液体积加入10％(v/v)酿酒酵母活化液，开搅拌混匀后，停止搅拌，37℃发酵36h。
6、丙酮、丁醇发酵：
(1)活化拜氏梭菌
制备拜氏梭菌活化液：将爆破渣进行酶解糖化制备水解糖液。具体步骤为：向水中加入爆破渣，使爆破渣干物质含量为10％～25％(w/w)，pH为4～6；按照爆破渣干物质中每克纤维素质量添加5～10FPU纤维素酶酶液，50℃糖化2～24h得到水解糖液，水解糖液中葡萄糖的浓度为40g/L。按照每升上述水解糖液中加入20克的玉米浆，即得拜氏梭菌活化液，接入一环ATCC55025拜氏梭菌菌种，37℃活化24h，即得活化后的拜氏梭菌菌液，此时，拜氏梭菌的数量为1.2×108CFU/ml。
按照6％(v/v)接种量将活化后的拜氏梭菌菌液接入上述乙醇发酵的发酵罐中，发酵条件为37℃厌氧反应84h后进行粗馏处理。粗馏后的醪液经过固液分离，液体用于污水处理制备沼气，固体用螺旋挤干机挤成固体成型燃料烘干。物料变化及主要产物的产量见表3、表4。
表3处理前后物料组分变化(质量百分含量)
表4主要产物产量
| 36h乙醇发酵液 | 乙醇39g/L |
| 发酵结束后总发酵液 | 乙醇56.5g/L丙酮4.3g/L丁醇8.5g/L |
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1. 一种木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）将木质纤维素材料粉碎，以液固质量比2～5：1置于质量浓度为0.5%~15%的氨水溶液中浸泡得混合物；
（2）将步骤（1）所得的混合物进行固液分离，液体用于下一批木质纤维素材料浸泡，将含水固体进行爆破处理得到爆破渣；
（3）将步骤（2）中的爆破渣以液固质量比为4～8：1置于水中，调节pH为4～6、放入酶解反应器中，设置温度为45～60℃，混匀，添加纤维素酶酶液和木聚糖酶酶液，糖化2～20h后，将糖化后的渣液一起泵入发酵罐，接种活化后的酿酒酵母菌液，进行同步糖化发酵12～72h；
（4）然后向步骤（3）中发酵罐按发酵液的体积接入2～10%的活化后的拜氏梭菌液，进行发酵得发酵液；
（5）将步骤（4）中的发酵液经减压蒸馏得到粗乙醇、丙酮、丁醇，进一步精馏和脱水得到无水乙醇、丙酮、丁醇。
2. 如权利要求1所述的木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，其特征是：步骤（1）中，将木质纤维素材料粉碎至2～10cm。
3. 如权利要求1所述的木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，其特征是：步骤（1）中，所述的木质纤维素材料指一年生的草本植物或农业废弃物。
4. 如权利要求1所述的木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，其特征是：步骤（2）中，所述固体置于爆破机中，1.8~2.5MPa保压60~350s，2~10s完全卸压喷出爆破渣。
5. 如权利要求1所述的木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，其特征是：步骤（1）中，所述的氨水溶液质量浓度为5%～10%，浸泡时间为10min～24h。
6. 如权利要求1所述的木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，其特征是：步骤（3）中，纤维素酶酶液来源于青霉酶系。
7. 如权利要求1所述的木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，其特征是：步骤（3）中，木聚糖酶酶液来源于链霉菌酶系。
8. 如权利要求1所述的木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，其特征是：步骤（3）中，纤维素酶酶液添加量为：按爆破渣干物质中每克纤维素质量添加纤维素酶酶液5～10FPU，木聚糖酶酶液添加量为：按爆破渣干物质中每克纤维素质量添加木聚糖酶酶液5～40U。
9. 如权利要求1所述的木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，其特征是：步骤（3）中，酿酒酵母菌液的接种量为发酵液体积的10%。
10. 如权利要求1所述的木质纤维素生物质联产乙醇、丙酮和丁醇的方法，其特征是：步骤（4）中，发酵条件为34~40℃厌氧反应60~96h。
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