CN106471127A - Ibe发酵方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制备包含异丙醇、正丁醇和乙醇的水性混合物的方法，所述方法包括以下步骤：其中将含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液在严格无氧条件下在梭状芽孢杆菌属的发酵微生物的存在下发酵，且其中所述水溶液的乙酸根浓度为0.5至10 g/L且（乙酸根）/（C5和/或C6糖的总和）的重量比为0.005至0.35 g/g。

Description

IBE发酵方法
本发明涉及用于通过发酵包含C5和/或C6糖的水溶液来制备包含异丙醇、正丁醇和乙醇的水性混合物的方法。
现有技术
为了应对能量转换的挑战，当前正进行大量的研究以开发用于“绿色”制备可为通常从油中获得的那些提供替代品的化学中间体的方法。
因此，例如，可通过乙醇的脱水来合成“绿色”乙烯，乙醇本身通过糖（优选葡萄糖）的发酵获得。在乙醇制备方法（其被称为“第一代”方法）中，被发酵的葡萄糖源自含糖植物，例如甜菜或甘蔗。在已知为“第二代”的方法中，被发酵的糖获自木质纤维素生物质，所述木质纤维素生物质代表了世界上最为丰富的可再生资源之一。“第二代”方法通常使用以下步骤：
· 对生物质预处理以使生物质中含有的纤维素和半纤维素易于使用；
· 对纤维素和半纤维素酶促水解以制备含葡萄糖的水解产物；
· 将水解产物中含有的葡萄糖发酵成乙醇；和
· 分离/纯化发酵后获得的乙醇。
当前正研究的方法的另一实例涉及糖的“丁基”发酵，其可用于制备溶剂。可引述的实例为“ABE”发酵，其对应于制备包含丙酮、正丁醇（主产物）和乙醇的混合物，或“IBE”，其制备含有异丙醇、正丁醇和乙醇的混合物。在无氧条件下和在梭状芽孢杆菌属的发酵微生物的存在下进行这些发酵。
这些类型的醇和/或溶剂制备方法难以在经济上有效，即使对于使用大型可调集资源的操作者而言。优化这些类型的方法主要针对通过最为适合的微生物来改进用于糖发酵的步骤的产率。
本发明的一个目的是提出用于借助发酵微生物由含有5 (C5)和/或6 (C6)碳原子的糖的水溶液的发酵制备水性混合物（异丙醇、正丁醇、乙醇）的方法，其中溶剂产率得到改进。
发明概述
因此，本发明涉及用于制备包含异丙醇、正丁醇和乙醇的水性混合物的方法，所述方法包括以下步骤，其中将含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液在无氧条件下在梭状芽孢杆菌属的发酵微生物的存在下发酵，且其中所述水溶液的乙酸根浓度为0.5至10 g/L且（乙酸根）/（C5和/或C6糖的总和）的重量比为0.005至0.35 g/g。
令人惊讶地，本发明人已经证实在C5和/或C6糖的水溶液中乙酸根的存在意味着梭状芽孢杆菌属的发酵微生物的“IBE”发酵性能可得到改进，且特别是可增加由发酵获得的水溶液中异丙醇和正丁醇的浓度。
在本发明的上下文中，术语“乙酸根”表示乙酸的去质子化形式，即具有化学式CH3COO-。乙酸根相对于乙酸的比例和其在水溶液中的浓度可借助所述溶液的“pH”变量来调整。
优选地，乙酸根在水溶液中的浓度为1至8 g/L。更优选地，乙酸根在水溶液中的浓度为2至6 g/L，优选为3至6 g/L。
优选地，含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液的pH为4至8。更优选地，含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液的pH为5至8。
优选地，（乙酸根）/（C5和/或C6糖的总和）的重量比为0.08至0.35 g/g。更优选地，（乙酸根）/（C5和/或C6糖的总和）的重量比为 0.09至0.2 g/g。
优选地，水溶液中C5和/或C6糖的浓度为30至100 g/L。
根据一个实施方案，含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液是获自用于预处理木质纤维素生物质的步骤的残余物流。
根据另一实施方案，含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液由糖发酵产生的釜馏物。任选地，可浓缩（例如通过蒸发）该釜馏物。
或者，含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液是获自木质纤维素生物质的酶促水解的水解产物。
根据本发明的另一方面，含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液是增补有含有乙酸根的水溶液的含有C5和/或C6糖的水溶液，其选自：
· 由糖发酵产生的釜馏物；
· 通过木质纤维素生物质的酶促水解获得的水解产物；
· 获自用于预处理木质纤维素生物质的步骤的残余流出物。
优选地，所述C5糖是木糖且所述C6糖是葡萄糖。
葡萄糖可任选源自获自用于制备生物燃料（例如乙醇）的第一代方法的酶促水解的步骤的物流，所述方法使用含糖植物作为起始材料，所述含糖植物例如为甜菜和甘蔗，或为玉米或小麦的谷粒。
优选地，在根据本发明的方法中使用的发酵微生物选自丙酮丁醇梭杆菌（Clostridium acetobutylicum）和拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）菌株（strain）。
“IBE”发酵在通常为30℃至37℃，优选在 34℃的温度下进行30至120小时的时间段，并通过保持连续搅拌以均化培养基来进行。优选地，如本领域技术人员公知的，发酵以分批或补料分批（fed-batch）模式进行。
本发明还涉及用于起始于木质纤维素生物质来制备生物燃料的方法，所述方法包括以下步骤：
· 对木质纤维素生物质预处理以使生物质中含有的纤维素和半纤维素易于使用；
· 进行对纤维素和半纤维素的酶促水解以制备含糖的水解产物；
· 在发酵微生物的存在下发酵水解产物的糖以制备生物燃料，
其特征在于该方法此外进行了用于通过发酵含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液来制备包含异丙醇、正丁醇和乙醇的水性混合物的方法，所述溶液选自：
· 获自用于预处理木质纤维素生物质的步骤的残余流出物；
· 由糖发酵产生的釜馏物；
· 获自酶促水解的水解产物。
因此，有利地将根据本发明的用于制备“IBE”混合物的方法整合到用于制备醇和/或溶剂的第二代方法中，以这样的方式使得生成的副产物，特别是在预处理和发酵步骤过程中生成的副产物得到处理和提质。
发明详述
本发明涉及被称为“IBE”的发酵方法，以借助梭状芽孢杆菌属的微生物由含有C5和/或C6糖并在乙酸根的存在下的水溶液制备溶剂（异丙醇、正丁醇、乙醇）的混合物。发酵在无氧下并在生物反应器（也称为术语“发酵器”）中运行。生物反应器是一件用于繁殖发酵微生物的设备，所述发酵微生物能够制备所关注的分子（溶剂或其他有机化合物）。生物反应器发酵因此可用于以分批模式在控制关键参数如pH、搅拌和培养基温度的情况下繁殖微生物。
发酵步骤由以下组成：致使微生物生长并回收必定含有混合物（异丙醇、正丁醇、乙醇）的水溶液的反应流出物或发酵产物。然后通常在浓缩步骤中处理来自发酵的产物以提供经浓缩的水溶液（异丙醇、正丁醇、乙醇）。
发酵在通常为30℃至37℃，优选在 34℃的温度下进行30至120小时的时间段，并通过连续搅拌以均化反应培养基来进行。
根据本发明，水溶液通常含有浓度为30至100 g/L的C5和/或C6糖，以及去质子化形式的乙酸，即为具有式CH3COO-的乙酸根形式。所述水溶液中乙酸根的浓度为0.5至10 g/L，优选1至8 g/L，更优选2至6 g/L且高度优选3至6 g/L。此外，（乙酸根）/（C5和/或C6糖的总和）的重量比为 0.005至0.35。根据一个高度优选的实施方案，（乙酸根）/（C5和/或C6糖的总和）的重量比为0.08至0.35 g/g，优选0.09至0.2。
乙酸根形式的乙酸（弱羧酸，在25℃下其pKa等于4.8）的存在取决于水溶液的pH。因此，根据本发明，水溶液的pH为4至8，优选5至8。在本发明的上下文中，可将乙酸根添加至C5和/或C6糖的水溶液以满足乙酸根在培养基中的浓度。
根据本发明的方法涉及使用梭状芽孢杆菌属的微生物，其为来自厌氧革兰氏阳性杆菌（bacillae）族的细菌。优选地，发酵微生物选自丙酮丁醇梭杆菌和拜氏梭菌菌株，且可为天然菌株或已经被基因修饰以产生异丙醇的菌株。
微生物在发酵培养基中的浓度通常为1至30 g/L，优选2至10 g/L。
可通过根据本发明的方法发酵的C5和/或C6糖的水溶液可具有多种来源。然而，为了解决以“绿色”方式制备溶剂的问题，所述水溶液有利地来源于对可再生资源的处理。优选地，可再生资源为木质纤维素生物质类型，其特别包括木质底物（substrate）（硬木和软木）、农业副产物（秸秆）或来自生成木质纤维素废物的工业（农产食品、造纸工业）的那些。
C5和/或C6糖的水溶液也可获自含糖植物，如甜菜和甘蔗，或获自玉米或小麦的谷粒。
可通过根据本发明的方法来发酵天然存在于用于通过生物途径制备生物燃料的各种木质纤维素生物质（单或双子叶）的任何C5糖。优选地，所述C5糖选自木糖和阿拉伯糖。
也可通过根据本发明的方法来发酵任何C6糖。优选地，C6糖选自葡萄糖、甘露糖和半乳糖。更优选地，所述C6糖是葡萄糖。
C5和/或C6糖的水溶液可获自用于制备醇和/或溶剂的第二代方法的步骤。在该情况下，所述溶液可为源自用于预处理木质纤维素生物质的步骤的流出物。旨在改性木质纤维素材料的物理性质和物理化学性质从而改进对困在木质素和半纤维素基体中的纤维素的易用性的预处理步骤生成残余流出物，该流出物通常含有C5和/或C6糖的混合物，其然后可有利地用于根据本发明的IBE发酵。作为实例，残余流出物可获自选自酸煮、碱煮、有或没有酸浸渍情况下的蒸汽爆发（steam explosion）和有机溶剂（Organosolv）法的预处理。该类型的获自预处理的流出物是有利的，因为其含有可用于发酵的糖以及乙酸（或乙酸根）。
优选地，含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液是获自通过蒸汽爆发的预处理的残余流出物。除了“蒸汽爆发”外，该预处理还称作“蒸汽喷压（steam gunning）”、“爆炸式减压（explosive decompression）”或“蒸汽预处理”。在该过程中，通过注射在压力下的蒸汽将生物质快速加热至高温(150℃ – 250℃)。该处理通常通过突然的减压（被称为减压或爆发）而停止，这破坏了木质纤维素基体的结构。对于该类型的预处理针对10至50 bar的压力停留时间从10秒至几分钟变化。许多配置可用于该类型的预处理。其可以分批模式或连续进行。在蒸汽爆发之前可进行酸浸渍以有利于蒸煮过程中半纤维素的水解。当将蒸汽爆发应用于预酸化的底物时，例如用H2SO4预酸化，其通常导致半纤维素溶解或几乎完全水解成它们的单体。使用酸预浸渍特别实现了降低工艺温度（为150℃至200℃，与无酸浸渍情况下的蒸汽爆发的250℃形成对比），并因此最小化了降解化合物的形成。
因此，通过根据本发明的方法发酵的含有C5和/或C6糖和乙酸根的水性物流可来源于从用于木质纤维素生物质的酸浸渍步骤结束时回收的酸液，所述步骤先于用于通过蒸汽爆发来预处理的步骤。
还可使用在用于固/液分离的操作后回收的液体级分作为含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液的来源，所述用于固/液分离的操作对经预处理的底物上进行，所述经预处理的底物在用于通过蒸汽爆发来预处理的步骤的减压阶段之后获得。
还可使用通过在用于预处理生物质的步骤的过程中释放的纤维素和半纤维素的酶促反应获得的水解产物作为C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液。举例来说，水解可在由来自木霉属、曲霉属、青霉属或裂褶菌属的微生物产生的纤维素分解酶和/或半纤维素分解酶的存在下进行。
在本发明的上下文中，C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液也可为获自发酵步骤的残余流出物，其也用术语“釜馏物”来表示。通常，该来自发酵的液体残余物含有未经发酵的糖，其包括戊糖（C5糖）和甚至痕量的己糖，己糖（例如半乳糖）最难以用发酵微生物代谢。
为了保持糖的水溶液中的乙酸根含量，无疑可通过用增补的乙酸来供给培养基来丰富所述C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液。有利地，以下来源用作乙酸根来源：
· 从用于木质纤维素生物质的酸浸渍的步骤结束时回收的酸液，所述步骤先于在蒸发爆发步骤，
· 获自用于固/液分离的操作的液体级分，所述用于固/液分离的操作对经预处理的生物质进行，所述经预处理的生物质在用于通过蒸汽爆发来预处理的步骤的减压阶段之后回收；
· 获自对蒸汽相的处理的浓缩物，所述蒸汽相由用于通过蒸汽爆发来预处理的步骤生成。
根据本发明的方法的示例性实施方案
将参照附图来在下文描述根据本发明的方法的示例性实施方案，其中：
· 图1是整合了“IBE”发酵单元的用于制备醇和/或溶剂的第二代方法的布局；
· 图2是根据本发明的“IBE”发酵方法的布局。
图1表示根据本发明的方法的一个示例性实施方案，所述方法被有利地整合到用于制备醇和/或溶剂的第二代方法中。
经由线路1将底物（木质纤维素生物质）引入到预处理反应器2中。经由线路3引入进行预处理所需要的试剂和工具（例如蒸汽）。经由线路6将经预处理的底物从预处理反应器2中取出，并经由线路4将残余预处理流出物从其中排出。残余流出物的组成取决于针对预处理所使用的方法。当预处理是有或没有蒸汽爆发的酸式类型时，残余流出物可含有0.5至10 g/L的乙酸。
在本发明的上下文中，在任选地调整残余流出物的pH之后（当其pH在4至8的pH单位之外时），有利地使用根据本发明的方法处理来自预处理的含有C5和/或C6糖和乙酸根的残余流出物。
如图1所示，经由线路4将残余流出物送至“IBE”发酵反应器19以制备含有（异丙醇、正丁醇、乙醇）混合物的水溶液。
关于经预处理的底物，经由线路5将其送至单元7以用于将纤维素转化成醇和/或溶剂。如在图1中可见，转化单元7包括至少一个用于将纤维素酶促水解成己糖（优选葡萄糖）的反应器7a和用于醇和/或溶剂发酵的生物反应器7b，其将己糖转变成醇和/或溶剂。优选地，发酵为产生乙醇的乙基类型。
以这样的方式选择酶促水解条件（主要为待水解的混合物的干物质的量和使用的酶的量）使得在反应器7a中溶解20%至99%，更优选30%至95%的纤维素。经由导管8添加为获得所设想的固体物质含量所必需的水。经由线路8a添加纤维素分解酶和/或半纤维素分解酶。经由线路9将从来自反应器7a的出口获得的水解产物送至发酵生物反应器7b。根据一个变型，步骤7a和7b在同一反应器中同时进行。
经由线路8b引入用于发酵所释放的己糖的微生物，并经由线路8c将调整pH所需要的或用于液化的添加剂引入生物反应器7b中。
经由线路11将必定含有醇和/或溶剂的水性混合物和固体物质（主要为木质素）的发酵产物从生物反应器7b中取出，并将其送至处理单元12以回收浓缩的醇和/或溶剂的水溶液。
如图1中所示，处理单元12包括用于浓缩醇和/或溶剂的单元13和固/液分离单元15。在浓缩步骤结束时，回收经由线路16排出的醇和/或溶剂的经浓缩的水性物流，以及经由线路14取出的淤浆。所述淤浆由基本上由未经水解的纤维素、半纤维素和木质素组成的固体级分和由术语“釜馏物”表示的液体级分构成。如图1中所示，在固/液分离单元15中处理所述淤浆。该单元15可用于经由线路17将残余固体和经由线路18将液体级分（或釜馏物）相分离。
所述釜馏物（其为含有未经发酵的糖的水溶液）特别地含有戊糖（木糖、阿拉伯糖）和甚至痕量的己糖（例如半乳糖，其为最难以通过常规酵母代谢的己糖），以及糖的低聚物和乙酸根，由此构成了可用于根据本发明的“IBE”发酵的溶液。
如在图1中可见，有利地在“IBE”发酵反应器19中处理釜馏物。或者，釜馏物可在被送至反应器19之前被预浓缩。
根据另一选项，可将淤浆直接送至“IBE”生物反应器19。经由线路21供给“IBE”发酵生物反应器19梭状芽孢杆菌属的微生物并经由线路20供给“IBE”发酵生物反应器19乙酸。当反应器19中的培养基不含有本发明所要求的足够的乙酸根时，供给乙酸的线路20的存在是有用的。
应注意的是，添加的乙酸可来源于通过当涉及蒸汽爆发时的预处理步骤所产生的浓缩物。
由此经由线路22从来自生物反应器19的出口回收水性“IBE”混合物。如在图1中可见，还可提供被线路10分接的线路9以供给生物反应器19通过酶促水解反应器7a产生的水解产物。线路10的存在特别意味着可调节生物反应器19中的培养基中的C5和/或C6糖的浓度。
图2表示根据本发明的用于制备异丙醇、正丁醇和乙醇的水性混合物的方法的一个示例性实施方案。
经由线路1将底物（木质纤维素生物质）引入到预处理反应器2中。经由线路3引入进行预处理所必需的试剂和工具（例如蒸汽）。经由线路5将经预处理的底物从预处理反应器2中取出并且经由线路4将残余预处理流出物排出。残余流出物的组成取决于针对预处理所使用的方法。
在该实施方案中，有利地借助根据本发明的方法来处理含有C5和/或C6糖和乙酸根的残余预处理流出物。如图2中所示，经由线路4将残余流出物送至“IBE”发酵反应器19以制备含有异丙醇、正丁醇和乙醇的水性混合物的水溶液。
关于经预处理的底物，经由线路5将其送至用于将纤维素转化成己糖的单元7a，其中进行纤维素的酶促水解。以这样的方式选择用于酶促水解的条件（主要是待水解的混合物的干物质含量和使用的酶的量）使得10%至99%，更特别是15%至95%的纤维素溶解在反应器7中。经由导管8添加对于获得所设想的固体物质含量所必需的水。经由线路8a添加纤维素分解酶和/或半纤维素分解酶。
经由线路9将从来自纤维素转化单元7a的出口获得的水解产物送至“IBE”发酵反应器19。
经由线路21引入用于己糖和戊糖的发酵的梭状芽孢杆菌属的微生物。
然后经由线路22将必定含有异丙醇、正丁醇、乙醇的水性混合物和固体物质（主要为木质素）的发酵产物从生物反应器19中取出，并将其送至处理单元23以回收异丙醇、正丁醇和乙醇的经浓缩的水溶液。
如图2中所示，处理单元23包括用于浓缩溶剂的单元24和固/液分离单元26。在浓缩步骤结束时，回收溶剂的经浓缩的水性物流并将其经由线路27排出，以及回收经由线路25取出的淤浆。所述淤浆由基本上由未经水解的纤维素、半纤维素和木质素组成的固体级分和由术语“釜馏物”表示的液体级分构成。因此在固/液分离单元26内处理所述淤浆。该单元26可用于经由线路28将残余固体并经由线路29将液体级分（或釜馏物）相分离。
釜馏物（其为含有残余糖和可能的乙酸根的水溶液）构成可用于IBE发酵的溶液。如在图2中可见，有利地经由线路29将釜馏物再循环至“IBE”发酵生物反应器19。或者，将含有固体残余物和釜馏物的淤浆直接送至“IBE”生物反应器19。当反应器19中的培养基不含有本发明所要求的足够的乙酸根时，经由线路20供给“IBE”发酵反应器乙酸（或乙酸根）。乙酸（或乙酸根）可任选来源于在处理通过蒸汽爆发预处理的减压阶段产生的蒸汽相之后产生的浓缩物。
实施例
使用拜氏梭菌NRRL B593 (DSMZ 6423)菌株并在含有60 g/L 的葡萄糖的CM1培养基中进行分批异丙醇/丁醇/乙醇发酵，已经向所述CM1培养基添加了0 g/L或3 g/L或6 g/L的乙酸铵。
1升的 CM1溶液的组成详见以下：
发酵在以下操作条件下分批进行：
· 34℃的温度
· 150 rpm下搅拌
应注意的是，在含有乙酸根的发酵介质中未调节pH。
用于测试的拜氏梭菌NRRL B593菌株的量为16至24 g/L，并通过测量在接种菌株后培养基在600 nm下的光密度来确定。
表1提供了50小时后在分批培养后获得的底物和产物的最终浓度。
1负值表示乙酸的净消耗([乙酸]最终-[乙酸]初始)
表1。
对发酵培养基的pH的监测表明在含有乙酸根的介质中pH升高至5.3不具有对菌株性能的影响。该生物反应器中pH的改变可能是酸的产生和再同化之间众多平衡的结果。
因此，不考虑培养基（含有或不含有乙酸根）如何，观察到菌株在50小时的发酵后消耗了相同量的葡萄糖。与之相比，当将3 g/L的乙酸根添加至培养基（即（乙酸根）/（C5和/或C6糖的总和）的重量比为0.098）或将6 g/L的乙酸根添加至培养基（即（乙酸根）/（C5和/或C6糖的总和）的重量比为0.148）时，溶剂（异丙醇和丁醇）的产生极大增加。
对于分别含有3或6 g/L的乙酸根的介质中的发酵，也观察到1.8或3.3 g/L的由拜氏梭菌NRRL B593菌株对乙酸根的消耗。

Claims (16)

1.用于制备包含异丙醇、正丁醇和乙醇的水性混合物的方法，所述方法包括以下步骤：其中将含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液在无氧条件下在梭状芽孢杆菌属的发酵微生物的存在下发酵，且其中所述水溶液的乙酸根浓度为0.5至10 g/L且（乙酸根）/（C5和/或C6糖的总和）的重量比为0.005至0.35 g/g。
2.根据权利要求1所述的方法，其中水溶液中乙酸根的浓度为1至8 g/L。
3.根据权利要求2所述的方法，其中乙酸根的浓度为2至6 g/L，优选3至6 g/L。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液的pH为4至8。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中（乙酸根）/（C5和/或C6糖的总和）的重量比为0.08至0.35 g/g，优选0.09至0.2。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液获自用于木质纤维素生物质的预处理的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液获自通过蒸汽爆发的预处理。
8.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中所述含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液是通过糖发酵产生的釜馏物。
9.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中所述含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液是获自木质纤维素生物质的酶促水解的水解产物。
10.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中所述含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液是增补有含有乙酸根的水溶液的含有C5和/或C6糖的水溶液，其选自：
●获自用于预处理木质纤维素生物质的步骤的残余流出物；
●由糖发酵产生的釜馏物；
●通过木质纤维素生物质的酶促水解获得的水解产物。
11.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述C5糖是木糖且所述C6糖是葡萄糖。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述发酵微生物选自丙酮丁醇梭杆菌和拜氏梭菌菌株。
13.根据前述权利要求之一所述的方法，其中水溶液中C5和/或C6糖的浓度为30至100g/L。
14.根据前述权利要求之一所述的方法，其中水溶液中梭状芽孢杆菌属的发酵微生物的浓度为1至30 g/L。
15.根据前述权利要求之一所述的方法，其中发酵在30℃至37℃的温度下在保持连续搅拌下进行。
16.用于起始于木质纤维素生物质来制备生物燃料的方法，所述方法包括以下步骤：
●对木质纤维素生物质预处理以使生物质中含有的纤维素和半纤维素易于使用；
●进行对纤维素和半纤维素的酶促水解以制备含糖的水解产物；
●在发酵微生物的存在下发酵水解产物的糖以制备生物燃料，
其特征在于该方法此外进行了用于起始于含有C5和/或C6糖和乙酸根的水溶液来制备根据前述权利要求之一所述的包含异丙醇、正丁醇和乙醇的水性混合物的方法，所述溶液选自：
●获自用于预处理木质纤维素生物质的步骤的残余流出物；
●获自酶促水解的水解产物；
●由糖发酵产生的釜馏物。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3053357B1 (fr) 2016-06-30 2019-07-26 IFP Energies Nouvelles Procede de recuperation d'alcools dans un fermenteur
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CN109486868B (zh) * 2017-09-09 2022-04-08 中国石油化工股份有限公司 一种以木质纤维素为原料发酵生产异丙醇和丁醇的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101868549A (zh) * 2007-11-21 2010-10-20 Ifp公司 在生物精炼环境中生产醇的方法
US20140065683A1 (en) * 2011-04-14 2014-03-06 IFP Energies Nouvelles Method for producing ethanol and solvents from lignocellulosic biomass including the recirculation of a butyl wine obtained by fermenting pentoses

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101144235B1 (ko) * 2010-02-25 2012-05-10 한국과학기술연구원 바이오에탄올 폐발효액을 이용한 부탄올의 제조방법
FR2981089B1 (fr) * 2011-10-11 2016-05-20 Ifp Energies Now Production d'isopropanol par des souches recombinantes ameliorees

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101868549A (zh) * 2007-11-21 2010-10-20 Ifp公司 在生物精炼环境中生产醇的方法
US20140065683A1 (en) * 2011-04-14 2014-03-06 IFP Energies Nouvelles Method for producing ethanol and solvents from lignocellulosic biomass including the recirculation of a butyl wine obtained by fermenting pentoses

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AKARIN BOONSOMBUTI等: "Enhancement of ABE fermentation through regulation of ammonium acetate and D–xylose uptake from acid-pretreated corncobs", 《ANN MICROBIOL》 *
ARTHUR KOLLARAS等: "Adding Value To Sugarcane Bagasse Using A Xylose Metabolising Yeast", 《PROC AUST SOC SUGAR CANE TECHNOL》 *
FLORENT COLLAS等: "Simultaneous production of isopropanol, butanol, ethanol and 2,3-butanediol by Clostridium acetobutylicum ATCC 824 engineered strains", 《AMB EXPRESS》 *

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