CN106893745A - 一种木质纤维素生物质的高效转化利用方法 - Google Patents

一种木质纤维素生物质的高效转化利用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种木质纤维素生物质的高效转化利用方法，所述方法包括将木质纤维素生物质原料与微生物混合进行发酵得到发酵产物的步骤，其中，使所述发酵在水中、pH 为4.5‑9.5、温度为30‑95摄氏度以及厌氧条件下进行，所述微生物为选自自产纤维素酶的菌株中的一种或多种的组合；或者所述微生物为选自自产纤维素酶的菌株中的一种或多种与选自自产半纤维素酶的菌株中的一种或多种的组合。本发明利用菌种自身分泌的纤维素、半纤维素水解酶，并通过液态发酵来降解木质纤维素，一方面，成本较低，发酵过程可控性好，另一方面，降解效率高，可实现木质纤维素生物质的高效转化，所得发酵产物具有很高和广泛的工业及农业应用价值。

Description

一种木质纤维素生物质的高效转化利用方法
技术领域
本发明涉及一种木质素纤维素生物质（如秸秆）的转化利用方法，可以实现木质纤维素生物质的高效转化，用以生产饲料、肥料及能源产品。
背景技术
中国经济快速发展的同时带来了资源及能源短缺问题和严重的环境破坏，因此，绿色可再生资源及能源的开发和利用变得愈感迫切。植物光合作用合成的木质纤维素类生物质（如农作物秸秆）是可再生资源。秸秆经生物转化技术路线生产生物基产品，使用过程释放的CO2能够被植物光合作用吸收，形成一个完整的、对环境友好的生态循环。中国年产各类农作物秸秆9亿吨，经生物转化，每年可利用价值达几万亿人民币。由于资源丰富和价格相对便宜，秸秆综合利用可以有效缓解以下问题：
1）饲料蛋白短缺。随着畜牧业的发展，保证家畜必需的蛋白饲料越来越缺乏。在20世纪末，全球的蛋白质短缺量约为2500万吨，中国蛋白质饲料的缺口每年至少达1200万吨。秸秆经生物转化生产微生物单细胞蛋白，是缓解饲料蛋白紧缺的有效途径。
2）化肥大量使用的危害。中国已是世界上最大的化肥生产国。尽管耕地面积还不到全世界总量的10%，但中国的化肥施用量却接近世界总量的1/3。过量使用化肥不仅使土壤养分单一、肥力迅速下降，严重影响作物品质，而且会导致污染物流失，破坏生态环境。由于吸收来自化肥的化学物残留，施用化肥的农产品还会危害人体健康。利用秸秆生产有机肥料替代化肥，可大幅度降低化肥使用量。
3）能源短缺及环境污染。中国的石油资源严重短缺，中石油经济技术研究院发布《2014年国内外油气行业发展报告》表明，2014年中国石油消费达到5.18亿吨，其中进口量为3.08亿吨，占消费总量的比例约为60%；另一方面，当前中国生态环境问题特别严重，国际能源署（International Energy Agency，IEA）发布的数据显示，2013年中国以CO2总排量83亿吨位居世界第一，汽油和柴油等燃烧产生的车辆尾气不仅是大气环境中CO2的主要来源，而且车辆尾气中的颗粒物、NOX和SOX等污染物更是大中城市雾霾天气多发的主要原因之一。利用秸秆生产清洁可再生生物燃料，其潜在规模达3亿吨，可有效缓解石油短缺和环境污染。
目前木质纤维素生物质（如秸秆）利用的途径有以下几种：
1.经过粗粉碎，加入微生物制剂，然后通过密封固态贮存发酵制作青储或黄储饲料。该方法采用固体发酵，发酵条件（如温度、pH值）可控性差，木质纤维素转化率低，发酵效果不好，可利用营养成分增加不显著，产品附加值小；
2.经过粗粉碎，加入鸡粪等混合，通过固态堆肥制作肥料。该方法同样存在发酵条件可控性差，木质纤维素转化率低，发酵效果不好，产品附加值小等问题；
3.经过粗粉碎或其它预处理，加入猪粪等混合，放入沼气池生产沼气。利用木质纤维素生物质生产沼气时沼气池反应条件（如温度、pH）没有有效控制，固体物质停留在沼气池中的时间长（如几个星期到几个月），木质纤维素转化率低，经济效益差；
4.经过粉碎，高温高压预处理，加入纤维素、半纤维素酶水解，加入酵母等微生物生产乙醇或微生物菌体蛋白。利用木质纤维素生物质生产乙醇或微生物菌体蛋白时原料通常需要经过高温高压预处理，设备投资成本高，纤维素、半纤维素酶价格高，总体生产成本高，没有经济效益，目前基本没有大规模工业化应用。
综上所述，现有的利用方法要么效率低，要么生产成本高。由于没有有效的综合开发利用技术，常有农户违禁焚烧秸秆，严重污染环境。
本发明的目的在于利用特种微生物菌种自身分泌的纤维素、半纤维素水解酶，通过可控液态深层发酵，实现木质纤维素生物质的高效转化，生产饲料、肥料及能源产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的一个或多个不足，提供一种改进的木质素纤维素生物质（如秸秆）的加工方法，该方法成本低，可控性好，木质纤维素转化率高。
为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案是：
一种木质纤维素生物质的高效转化利用方法，所述方法包括将木质纤维素生物质原料与微生物混合进行发酵得到发酵产物的步骤，其中，使所述发酵在水中、pH 为4.5-9.5、温度为30-95摄氏度以及厌氧条件下进行，所述微生物为选自自产纤维素酶的菌株中的一种或多种的组合；或者所述微生物为选自自产纤维素酶的菌株中的一种或多种与选自自产半纤维素酶的菌株中的一种或多种的组合。
根据本发明，所述木质纤维素生物质原料与水的投料重量比一般为1：4-40。优选为1：4-30，更优选为1：4-20，具体例如为1：19。
根据本发明，所述自产纤维素酶的菌种包括但不限于：梭菌属(Clostridium)和热解纤维素菌属(Caldicellulosiruptor)。 一些具体的自产纤维素酶的菌种实例包括但不限于：克莱弗雷梭菌(Clostridium clariflavum)，解纤维梭菌(Clostridiumcellulolyticum)，植酵梭菌(Clostridium phytofermentans)，热纤梭菌(Clostridiumthermocellum)，斯特米尼斯梭菌(Clostridium straminisolvens)，贝斯其热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor bescii)，产醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptoracetigenus)，解糖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor saccharolyticus)，克里斯托热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor kristjanssonii)，欧文湖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor owensensis)，产乳酸醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptorlactoaceticus）等。
所述自产半纤维素酶的菌种包括但不限于：好热厌氧杆菌属(Thermoanaerobacterium)，嗜热厌氧杆菌属(Thermoanaerobacter)，地芽孢杆菌属(Geobacillus)，厌氧芽孢杆菌属(Anoxybacillus )等。一些具体的自产半纤维素酶的菌种的实例包括但不限于：热硫化氢好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacteriumthermosulfurigenes)，新西兰好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium aotearoense)，解多糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium polysaccharolyticum)，玉米好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium zeae)，解木聚糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacteriumxylanolyticum)，解糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium saccharolyticum)，热解糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum)，热硫化氢嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus)，产乙醇嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter ethanolicus)，伪产乙醇嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterpseudethanolicus)，美氏兰尼嗜热厌氧杆菌（Thermoanaerobacter mathranii），布氏嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter brockii)，热葡糖苷酶地芽孢杆菌(Geobacillusthermoglucosidasius)，热南极地芽孢杆菌(Geobacillus thermantarcticus)，嗜热脂肪地芽孢杆菌(Geobacillus stearothermophilus)，热解木糖地芽孢杆菌(Geobacilluscaldoxylosilyticus)，黄热厌氧芽孢杆菌(Anoxybacillus flavothermus)，勘察加厌氧芽孢杆菌(Anoxybacillus kamchatkensis)等。
本发明上述的菌株均是已知的，可通过商购方式从DSMZ（德国微生物菌种保藏中心）或ATCC（美国典型菌种保藏中心)处购买获得。
根据本发明，所述微生物与所述木质纤维素生物质原料的投料重量比为0.001~0.1：1。优选为0.01~0.1：1。
根据本发明，所述发酵的温度优选为40-85摄氏度，更优选为50-80摄氏度。所述发酵的pH为5-8.5，更优选为5.5-8。
优选地，控制发酵时间为小于等于14天，进一步优选的，控制发酵时间为2-14天，更优选地，控制发酵时间为7-14天。
根据本发明，在进行所述发酵前或发酵过程中可加入有利于微生物生长的营养物质。在本发明的一个具体实施方案中，在进行所述发酵前或发酵过程中加入酵母提取物。酵母提取物的投加量为木质纤维素生物质原料的约0.5%~20%，更优选5%~10%。
优选地，所述方法还包括在进行所述发酵之前对木质纤维素生物质原料进行灭菌的步骤。
根据本发明，木质纤维素生物质原料包括各种富含纤维素的工业、农业副产物及办公、生活垃圾（包括但不仅局限于水果渣、甘蔗渣、谷壳、花生秧、瓜藤、酒糟、淀粉渣、木薯渣、油饼粕、棉籽粕、牧草、树木、杂草、玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、茭白秆、豆秆、棉秆、油菜秆、废纸、造纸厂废料、剩菜饭等），原料在进行加工前，通常需要粉碎到颗粒大小小于等于10mm，更优选小于等于6mm，最优选小于等于3mm。
本发明还提供一种根据本发明的木质纤维素生物质的高效转化利用方法所得的发酵产物。该发酵产物包括可溶性糖、有机酸（盐）、氨基酸（盐）、醇、多肽和菌体蛋白中的一种或几种。其中可溶性糖可以是葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等单糖以及它们的二糖或可溶性多糖中的一种或几种。其中有机酸（盐）可以是甲酸、醋酸、乳酸、丙酸、丁酸等以及它们的有机酸盐的一种或几种。其中氨基酸（盐）可以是甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、天冬氨酸、组氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺、甲硫氨酸、精氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、脯氨酸以及它们的氨基酸盐中的一种或几种。其中醇可以是乙醇、丙醇、丁醇等的一种或几种。
根据本发明的一个具体且优选方面，所述发酵产物中含有氨基酸和/或氨基酸盐、有机酸和/或有机酸盐，以及选择性的含有可溶性糖、乙醇、多肽和菌体蛋白中的一种或多种，其中更优选地，有机酸和/或有机酸盐为甲酸、醋酸、乳酸或它们的盐。更优选的发酵产物中含有乙醇。
本发明的发酵产物经过浓缩或分离可作为产品销售，也可与其他组分配合用于制备各种饲料，肥料或能源产品，在确保饲料，肥料或能源产品复合使用要求的前提下，大幅降低生产成本。为此，本发明还涉及发酵产物在制备肥料、饲料和/或能源产品中的应用。
根据本发明，可将所述发酵产物直接应用于所述肥料、饲料和/或能源产品的制备；或者也可先将发酵产物中的一种或多种物质分离出来，然后再应用于制备所述肥料、饲料或能源产品中。
根据本发明的一个具体且优选实施方面，将发酵产物中的氨基酸分离并浓缩，添加微量或中量元素后制备含氨基酸叶面肥或含氨基酸水溶肥；将发酵产物中的乙醇分离出来用于制备燃料乙醇；将发酵产物中的有机酸例如甲酸、醋酸或乳酸或它们的组合与碳酸钙、氢氧化钙、或氧化钙中和，制备饲料级补钙添加剂。
由于以上技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有如下优势：
本发明利用菌种自身分泌的纤维素、半纤维素水解酶，并通过液态发酵来降解木质纤维素，一方面，成本较低，发酵过程可控性好，另一方面，降解效率高，可实现木质纤维素生物质的高效转化，所得发酵产物含有氨基酸、有机酸、多肽、乙醇、菌体蛋白等成分，具有很高和广泛的工业及农业应用价值。
具体实施方式
在本发明的一个具体实施方式中，木质纤维素生物质原料的加工方法包括如下步骤：
（1）木质纤维素生物质原料经过粉碎到颗粒大小小于或等于10mm；
（2）粉碎后的原料与水按原料重量比例大于或等于2.5% 的比例混合，混合物可加入酸或碱含量与原料重量比例小于或等于20%，混合物加热到温度大于或等于80摄氏度并保持温度小于或等于24小时进行灭菌。
（3）经过灭菌之后的混合物加入反应容器中进行发酵，温度控制在30-95摄氏度区间内，pH控制在4.5-9.5区间内，发酵反应容器中固体原料综合停留时间小于或等于14天，发酵操作可以采用间歇发酵、流加发酵、或连续发酵，发酵过程采用单菌株或混合菌株共同发酵。其中，温度优选控制在40-85摄氏度区间内，更优选控制在50-80摄氏度区间内。pH优选控制在5-8.5区间内，更优选控制在5.5-8区间内。
优选地，控制发酵过程在厌氧条件下进行。
根据本发明，单菌株发酵采用自产纤维素酶的菌种，包括但不限于：梭菌属(Clostridium)，热解纤维素菌属(Caldicellulosiruptor)，一些实例包括但不限于：克莱弗雷梭菌(Clostridium clariflavum)，解纤维梭菌(Clostridium cellulolyticum)，植酵梭菌(Clostridium phytofermentans)，热纤梭菌(Clostridium thermocellum)，斯特米尼斯梭菌(Clostridium straminisolvens)，贝斯其热解纤维素菌(Caldicellulosiruptorbescii)，产醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor acetigenus)，解糖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor saccharolyticus)，克里斯托热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor kristjanssonii)，欧文湖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptorowensensis)，产乳酸醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor lactoaceticus）。
混合菌株发酵采用两种或两种以上自产纤维素酶的菌株共同发酵，包括但不限于：梭菌属(Clostridium)，热解纤维素菌属(Caldicellulosiruptor)，一些实例包括但不限于：克莱弗雷梭菌(Clostridium clariflavum)，解纤维梭菌(Clostridiumcellulolyticum)，植酵梭菌(Clostridium phytofermentans)，热纤梭菌(Clostridiumthermocellum)，斯特米尼斯梭菌(Clostridium straminisolvens)，贝斯其热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor bescii)，产醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptoracetigenus)，解糖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor saccharolyticus)，克里斯托热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor kristjanssonii)，欧文湖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor owensensis)，产乳酸醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptorlactoaceticus）。
混合菌株发酵也可采用一种或一种以上自产纤维素酶的菌株和一种或一种以上自产半纤维素酶的菌株共同发酵，其中自产纤维素酶的菌株包括但不限于：梭菌属(Clostridium)，热解纤维素菌属(Caldicellulosiruptor)，一些实例包括但不限于：克莱弗雷梭菌(Clostridium clariflavum)，解纤维梭菌(Clostridium cellulolyticum)，植酵梭菌(Clostridium phytofermentans)，热纤梭菌(Clostridium thermocellum)，斯特米尼斯梭菌(Clostridium straminisolvens)，贝斯其热解纤维素菌(Caldicellulosiruptorbescii)，产醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor acetigenus)，解糖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor saccharolyticus)，克里斯托热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor kristjanssonii)，欧文湖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptorowensensis)，产乳酸醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor lactoaceticus），其中自产半纤维素酶的菌株包括但不限于：好热厌氧杆菌属(Thermoanaerobacterium)，嗜热厌氧杆菌属(Thermoanaerobacter)，地芽孢杆菌属(Geobacillus)，厌氧芽孢杆菌属(Anoxybacillus )，一些实例包括但不限于：热硫化氢好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes)，新西兰好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium aotearoense)，解多糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacteriumpolysaccharolyticum)，玉米好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium zeae)，解木聚糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium xylanolyticum)，解糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium saccharolyticum)，热解糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum)，热硫化氢嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus)，产乙醇嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter ethanolicus)，伪产乙醇嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterpseudethanolicus)，美氏兰尼嗜热厌氧杆菌（Thermoanaerobacter mathranii），布氏嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter brockii)，热葡糖苷酶地芽孢杆菌(Geobacillusthermoglucosidasius)，热南极地芽孢杆菌(Geobacillus thermantarcticus)，嗜热脂肪地芽孢杆菌(Geobacillus stearothermophilus)，热解木糖地芽孢杆菌(Geobacilluscaldoxylosilyticus)，黄热厌氧芽孢杆菌(Anoxybacillus flavothermus)，勘察加厌氧芽孢杆菌(Anoxybacillus kamchatkensis)。
本发明中的发酵产物可经过浓缩或分离作为产品销售。本发明中的发酵产物也可作为中间体经过进一步加工处理生产其它产品。
以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
以下实施例中未注明的条件为常规实验条件，例如温度、pH以及厌氧条件的控制均可按照本领域技术人员熟知的方式去进行。在无特别说明时，表示含量的“%”为质量百分含量。菌种添加比例是相对于原料秸秆粉的重量而言的。
实施例1
玉米秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取50克秸秆粉添加950克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入克莱弗雷梭菌（Clostridiumclariflavum，DSM 19732，添加量1%），温度控制在约60摄氏度，pH控制在约7.0，厌氧条件下发酵10天。发酵后碳水化合物转化率75%。产物中含可溶糖5-9克、氨基酸0.5-1.5克、甲酸0-2克，醋酸3-5克、乳酸0-0.5克、乙醇0-0.5克等。
实施例2
玉米秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取50克秸秆粉添加950克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入克莱弗雷梭菌（Clostridiumclariflavum ，DSM19732，添加量1%）和贝斯其热解纤维素菌（Caldicellulosiruptorbescii DSM 6725，添加量1%），温度控制在约63摄氏度，pH控制在约7.0，厌氧条件下，发酵10天。发酵后碳水化合物转化率78%。产物含可溶糖3-7克、氨基酸0.3-1.2克、甲酸0-2克、醋酸4-6克、乳酸0.5-1克、乙醇0-0.5克等。
实施例3
玉米秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取50克秸秆粉添加950克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入克莱弗雷梭菌（Clostridiumclariflavum DSM19732，添加量1%）和热解糖好热厌氧杆菌（Thermoanaerobacteriumthermosaccharolyticum, DSM 571，添加量1%），温度控制在约55摄氏度，pH控制在约6.8，厌氧条件下，发酵10天。发酵后碳水化合物转化率80%。产物含可溶糖0-2克、氨基酸0.3-1.2克、甲酸0-2.5克、醋酸4.5-6.5克、乳酸0-1克、乙醇2-3克等。
对比例1
玉米秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取50克秸秆粉添加950克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入酿酒酵母（添加量1%）和大剂量真菌纤维素酶（1000 毫克蛋白），温度控制在约37摄氏度，pH控制在约5.0，厌氧条件下，发酵10天。发酵后碳水化合物转化率35%。产物含可溶糖3-4.5克、乙醇2-3克，氨基酸0-0.05克、有机酸0-0.05克。
对比例2
本例基本同实施例1，不同的是，发酵不是在控制的厌氧条件下进行，菌种基本不生长，转化率基本为零。
对比例3
本例基本同实施例1，不同的是，采用的微生物为乳酸菌，温度控制在乳酸菌适宜温度约30摄氏度，pH控制在约6，发酵只能消耗玉米秸秆中的可溶性糖，碳水化合物转化率小于10%，产物含乳酸0-2克、醋酸0-0.02克、乙醇0-0.05克，氨基酸0-0.02克。
实施例4
玉米秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取50克秸秆粉添加950克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入热纤梭菌（Clostridium thermocellum ，DSM 1313，添加量1%），温度控制在约60摄氏度，pH控制在约7.0，厌氧条件下发酵10天。发酵后碳水化合物转化率75%。产物含可溶糖5-9克、氨基酸0.5-1.5克、甲酸0-0.5克，醋酸2-3克、乳酸0-0.5克、乙醇1-2克等。
实施例5
玉米秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取50克秸秆粉添加950克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入热纤梭菌（Clostridium thermocellum，DSM1313，添加量1%）和解糖好热厌氧杆菌（Thermoanaerobacterium saccharolyticum，DSM 8691，添加量1%），温度控制在约55摄氏度，pH控制在约6.7，厌氧条件下，发酵10天。发酵后碳水化合物转化率78%。产物含可溶糖0-2克、氨基酸0.3-1.2克、甲酸0-0.5克、醋酸3.5-5克、乳酸0-1克、乙醇2-3.5克等。
实施例6
玉米秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取50克秸秆粉添加950克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入热纤梭菌（Clostridium thermocellum ，DSM1313，添加量1%）和美氏兰尼嗜热厌氧杆菌（Thermoanaerobacter mathranii ，DSM11426，添加量1%），温度控制在约60摄氏度，pH控制在约7，厌氧条件下，发酵10天。发酵后碳水化合物转化率78%。产物含可溶糖0-2克、氨基酸0.3-1.2克、甲酸0-0.5克、醋酸2.5-3.5克、乳酸2-5克、乙醇1.5-2.5克等。
实施例7
玉米秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取50克秸秆粉添加950克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入热纤梭菌（Clostridium thermocellum ，DSM1313，添加量1%）和热葡糖苷酶地芽孢杆菌（Geobacillus thermoglucosidasius ，DSM2542，添加量1%），温度控制在约60摄氏度，pH控制在约7，厌氧条件下，发酵10天。发酵后碳水化合物转化率78%。产物含可溶糖0-2克、氨基酸0.3-1.2克、甲酸0-1克、醋酸2.5-3.5克、乳酸3-5克、乙醇2-3克等。
实施例8
玉米秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取50克秸秆粉添加950克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入热纤梭菌（Clostridium thermocellum ，DSM1313，添加量1%）和勘察加厌氧芽孢杆菌（Anoxybacillus kamchatkensis，DSM 14988，添加量1%），温度控制在约60摄氏度，pH控制在约7.0，厌氧条件下，发酵10天。发酵后碳水化合物转化率78%。产物含可溶糖0-2克、氨基酸0.3-1.2克、甲酸0-0.5克、醋酸2.5-3.5克、乳酸3-5克、乙醇1.5-2.5克等。
实施例9
玉米秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取50克秸秆粉添加950克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入热纤梭菌（Clostridium thermocellum ，DSM1313，添加量1%）和美氏兰尼嗜热厌氧杆菌（Thermoanaerobacter ethanolicus，DSM2246，添加量1%），温度控制在约60摄氏度，pH控制在约7，厌氧条件下，发酵10天。发酵后碳水化合物转化率78%。产物含可溶糖0-2克、氨基酸0.3-1.2克、甲酸0-0.5克、醋酸2.5-3.5克、乳酸0.5-1.5克、乙醇2-4克等。
实施例10
上述实施例中的发酵产物可制备肥料、饲料或能源产品。其中游离氨基酸可分离浓缩，添加微量或中量元素制备符合国家标准的含氨基酸叶面肥（GB/T 17419--1998）或含氨基酸水溶肥（NY1429--2010）。其中甲酸、醋酸、乳酸可用碳酸钙、氢氧化钙、或氧化钙中和，分离制备饲料级添加剂补钙。其中乙醇可分离制备燃料乙醇。
以上对本发明做了详尽的描述，实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (17)

1.一种木质纤维素生物质的高效转化利用方法，所述方法包括将木质纤维素生物质原料与微生物混合进行发酵得到发酵产物的步骤，其特征在于，使所述发酵在水中、pH 为4.5-9.5、温度为30-95摄氏度以及厌氧条件下进行，其中，所述微生物为选自自产纤维素酶的菌株中的一种或多种的组合；或者所述微生物为选自自产纤维素酶的菌株中的一种或多种与选自自产半纤维素酶的菌株中的一种或多种的组合。
2.根据权利要求1所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，所述木质纤维素生物质原料与水的投料重量比为1：4-40。
3.根据权利要求1所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，所述自产纤维素酶的菌种包括梭菌属(Clostridium)和热解纤维素菌属(Caldicellulosiruptor)。
4.根据权利要求3所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，所述自产纤维素酶的菌种包括克莱弗雷梭菌(Clostridium clariflavum)， 解纤维梭菌(Clostridium cellulolyticum)，植酵梭菌(Clostridium phytofermentans)， 热纤梭菌(Clostridium thermocellum)，斯特米尼斯梭菌(Clostridium straminisolvens)，贝斯其热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor bescii)，产醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor acetigenus)，解糖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptorsaccharolyticus)， 克里斯托热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor kristjanssonii)，欧文湖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor owensensis)，产乳酸醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor lactoaceticus）。
5.根据权利要求1所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，所述自产半纤维素酶的菌种包括好热厌氧杆菌属(Thermoanaerobacterium)，嗜热厌氧杆菌属(Thermoanaerobacter)，地芽孢杆菌属(Geobacillus)和厌氧芽孢杆菌属(Anoxybacillus)。
6.根据权利要求5所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，所述自产半纤维素酶的菌种包括热硫化氢好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacteriumthermosulfurigenes)，新西兰好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium aotearoense)，解多糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium polysaccharolyticum)，玉米好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium zeae)，解木聚糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacteriumxylanolyticum)，解糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium saccharolyticum)，热解糖好热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum)，热硫化氢嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus)，产乙醇嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter ethanolicus)，伪产乙醇嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterpseudethanolicus)，美氏兰尼嗜热厌氧杆菌（Thermoanaerobacter mathranii），布氏嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter brockii)，热葡糖苷酶地芽孢杆菌(Geobacillusthermoglucosidasius)，热南极地芽孢杆菌(Geobacillus thermantarcticus)，嗜热脂肪地芽孢杆菌(Geobacillus stearothermophilus)，热解木糖地芽孢杆菌(Geobacilluscaldoxylosilyticus)，黄热厌氧芽孢杆菌(Anoxybacillus flavothermus)，勘察加厌氧芽孢杆菌(Anoxybacillus kamchatkensis)。
7.根据权利要求1所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，所述微生物与所述木质纤维素生物质原料的投料重量比为0.001~0.1：1。
8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，控制所述发酵的温度为40-85摄氏度，pH为5-8.5。
9.根据权利要求8所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，控制所述发酵的温度为50-80摄氏度，pH为5.5-8。
10.根据权利要求1所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，控制发酵时间为2-14天。
11.根据权利要求10所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，控制发酵时间为7-14天。
12.根据权利要求1所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，在进行所述发酵前或发酵过程中加入酵母提取物。
13.根据权利要求1所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法，其特征在于，所述方法还包括在进行所述发酵之前对木质纤维素生物质原料进行灭菌的步骤。
14.一种根据权利要求1至13中任一项权利要求所述的木质纤维素生物质的高效转化利用方法所得的发酵产物。
15.根据权利要求14所述的发酵产物，其特征在于，所述发酵产物中含有氨基酸和/或氨基酸盐、有机酸和/或有机酸盐，以及选择性的含有可溶性糖、乙醇、多肽和菌体蛋白中的一种或多种。
16.如权利要求14或15所述的发酵产物在制备肥料、饲料和/或能源产品中的应用。
17.根据如权利要求16所述的应用，其特征在于：将所述发酵产物直接应用于所述肥料、饲料和/或能源产品的制备；或者先将发酵产物中的一种或多种物质分离出来，然后再应用于制备所述肥料、饲料或能源产品中。
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