CN110029135A - 一种提高木质纤维素水解液发酵速率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种提高木质纤维素水解液发酵速率的方法，所述方法包括如下步骤：1)制备木质纤维素水解液，然后向木质纤维素水解液中加入生物质炭，混匀得混合溶液，2)向混合溶液中加入发酵培养液，然后接种微生物，进行发酵，即可。本发明的有益效果：生物质炭的加入能减小木质纤维素水解液中抑制物乙酸、呋喃甲醛和酚类物质对微生物发酵的抑制作用，大幅提高发酵速率；本发明方法适用于任意发酵微生物参与的木质纤维素水解液的生物转化；本发明方法简单易操作，成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于生物发酵技术领域，具体涉及一种提高木质纤维素水解液发酵速率的方法。
背景技术
我国每年产生数量庞大的固体废弃物，焚烧已成为最常见的固废处置方式，该方式不仅浪费资源，还严重影响空气质量，农作物秸秆和木材废弃物在固体废弃物中占重要地位，其主要成分是木质纤维素；木质纤维素是一种典型的生物质，利用微生物代谢木质纤维素产生清洁能源已成为研究热点之一，但是，在利用木质纤维素进行发酵时，木质纤维素中的纤维素与半纤维素等转化为可发酵糖，在纤维素与半纤维素等大分子物质的分解过程中，引入了一些小分子化合物，这些物质对发酵有抑制作用，统称为抑制物。
利用木质纤维素为原料生产清洁能源有着极为广阔的前景，也是数十年来生物化工技术领域研究的一个焦点，木质纤维素制清洁能源至少需要经过预处理、酶解以及发酵三步完成，其中预处理过程中产生的抑制物(如乙酸、呋喃甲醛和酚类物质等)严重抑制微生物生长和发酵进程，成为纤维素能源生产的主要技术瓶颈。目前主要通过水洗、物理、化学和生物等方法对预处理木质纤维素及其酶解液进行深度脱毒才能实现较好的发酵效果，但是，复杂的工艺、昂贵的设备投资、大量的水耗以及可发酵糖的损失等极大地降低了纤维素能源生产的经济效益，从而制约了纤维素能源的工业化进程。
因此，研究一种简易的方法，能显著减小木质纤维素水解液中的各类抑制物对微生物发酵过程的抑制作用，大幅提升发酵速率，具有突出的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种提高木质纤维素水解液发酵速率的方法，通过减小木质纤维素水解液中抑制物(乙酸、呋喃甲醛和酚类物质)对微生物发酵的抑制作用来实现，同时，本发明方法适用于可降解木质纤维素的任意菌株对木质纤维素水解液的发酵。
本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种提高木质纤维素水解液发酵速率的方法，包括如下步骤：
1)制备木质纤维素水解液，然后向木质纤维素水解液中加入生物质炭，混合均匀，得到混合溶液；所述混合溶液中生物质炭与木质纤维素水解液的质量/ 体积比为0.01％-5％；
2)向步骤1)所得混合溶液中加入发酵培养液，然后接种微生物，进行发酵。
优选的，步骤1)中，所述木质纤维素水解液的制备步骤如下：
a.将预处理的木质纤维生物质经过降解后得到水解浆液；
b.将步骤a所得水解浆液进行过滤，去除固体残渣，得到木质纤维素水解液；
所述预处理为酸预处理、碱预处理、微生物预处理、离子液体预处理、有机溶剂预处理和水热预处理中的至少一种；
所述木质纤维素的降解，是通过酸水解、碱水解、水热自水解和酶水解中的至少一种水解方式实现的。
优选的，步骤a中，所述木质纤维生物质包括农作物秸秆、畜禽粪便、木材及其加工废弃物中的至少一种。
优选的，所述木质纤维素为原生生物质原料中的木质素；
所述原生生物质原料包括树木、农作物秸秆、农产品加工业副产品、畜禽粪便和能源作物中的至少一种；
所述树木为软木/硬木。
优选的，步骤1)中，所述生物质炭由生物质原料炭化而得；
所述炭化在炭化炉中进行；
所述炭化温度为300-800℃；
所述炭化的时间为0.5-3h，优选为2h；
所述生物质原料为秸秆、粪便和木屑中的至少一种。
优选的，所述生物质炭的粒径为10-300目，优选为80目。
优选的，步骤2)中，所述微生物包括大肠杆菌、酵母菌和运动发酵单胞菌。
本发明主要是提出生物质炭作为微生物发酵过程的添加剂，缓解抑制物的抑制、提升发酵速率。生物质炭的加入并不会改变木质纤维素发酵条件。整个过程和常规的微生物发酵过程一样，同时，本发明方法适用于可降解木质纤维素的任意菌株对木质纤维素水解液的发酵，本发明只是提出了加入生物炭作为添加剂。下面举例一种常规的木质纤维素发酵，例如：取70克玉米秸秆木糖渣添加适量水至1000克总重，调节pH至约6.8，在121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0.35克热纤梭菌(Clostridiumthermocellum，DSM 1313)，温度控制在约55摄氏度，厌氧条件下，液态深层发酵3天。
本发明的机理在于：第一，生物质炭对有机酸、呋喃甲醛、呋喃和酚类等木质纤维素水解液中抑制微生物发酵的副产物具有一定的吸附能力，减少对微生物的胁迫作用；第二，生物炭具有一定的孔隙度，可以为微生物的生长提供载体，增强微生物与底物的接触；第三，生物炭自身含有一定的氮、磷、钾、钠、钙和镁等营养盐，在发酵液中可以提供一定量的营养盐，改善发酵液营养盐含量。通过这三方面的作用可以显著提升微生物在木质纤维素水解液中的发酵速率。
本发明的有益效果：
1)减小木质纤维素水解液中抑制物乙酸、呋喃甲醛和酚类物质对微生物发酵的抑制作用，大幅提高发酵速率；
2)本发明方法适用于可降解木质纤维素的任意菌株对木质纤维素水解液的发酵；
3)本发明方法简单易操作，成本低廉。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的技术效果，下面通过实施例对本发明进行具体描述。
实施例1
1)用树木制备木质纤维素水解液，然后向木质纤维素水解液中加入生物质炭，混合均匀，得到混合溶液；所述混合溶液中生物质炭与木质纤维素水解液的质量/体积比为0.01％；
2)向步骤1)所得混合溶液中加入酵母提取物，然后接种大肠杆菌，进行发酵。
实施例2
1)用树木制备木质纤维素水解液，然后向木质纤维素水解液中加入生物质炭，混合均匀，得到混合溶液；所述混合溶液中生物质炭与木质纤维素水解液的质量/体积比为1.0％；
2)向步骤1)所得混合溶液中加入酵母提取物，然后接种大肠杆菌，进行发酵。
实施例3
1)用秸秆制备木质纤维素水解液，然后向木质纤维素水解液中加入生物质炭，混合均匀，得到混合溶液；所述混合溶液中生物质炭与木质纤维素水解液的质量/体积比为2.0％；
2)向步骤1)所得混合溶液中加入酵母提取物，然后接种酵母菌，进行发酵。
实施例4
1)用秸秆制备木质纤维素水解液，然后向木质纤维素水解液中加入生物质炭，混合均匀，得到混合溶液；所述混合溶液中生物质炭与木质纤维素水解液的质量/体积比为3.0％；
2)向步骤1)所得混合溶液中加入酵母提取物，然后接种酵母菌，进行发酵。
实施例5
1)用农产品加工业副产品制备木质纤维素水解液，然后向木质纤维素水解液中加入生物质炭，混合均匀，得到混合溶液；所述混合溶液中生物质炭与木质纤维素水解液的质量/体积比为4.0％；
2)向步骤1)所得混合溶液中加入酵母提取物，然后接种运动发酵单胞菌，进行发酵。
实施例6
1)用农产品加工业副产品制备木质纤维素水解液，然后向木质纤维素水解液中加入生物质炭，混合均匀，得到混合溶液；所述混合溶液中生物质炭与木质纤维素水解液的质量/体积比为5.0％；
2)向步骤1)所得混合溶液中加入酵母提取物，然后接种运动发酵单胞菌，进行发酵。
实施例7
1)用农产品加工业副产品制备木质纤维素水解液，混合均匀，得到混合溶液；
2)向步骤1)所得混合溶液中加入酵母提取物，然后接种运动发酵单胞菌，进行发酵。
实施例7为空白对照组，即不加入生物质炭的常规发酵方法。下表为24h 后实施例1-7纤维素的分解率：
表1 24h后纤维素分解率
从上表可以看出，采用本发明的方法后，能显著提升木质纤维素水解液发酵速率。
最后需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。
Claims (7)
1.一种提高木质纤维素水解液发酵速率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备木质纤维素水解液，然后向木质纤维素水解液中加入生物质炭，混合均匀，得到混合溶液；所述混合溶液中生物质炭与木质纤维素水解液的质量/体积比为0.01％-5％；
2)向步骤1)所得混合溶液中加入发酵培养液，然后接种微生物，进行发酵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述木质纤维素水解液的制备步骤如下：
a.将预处理的木质纤维生物质经过降解后得到水解浆液；
b.将步骤a所得水解浆液进行过滤，去除固体残渣，得到木质纤维素水解液；
所述预处理为酸预处理、碱预处理、微生物预处理、离子液体预处理、有机溶剂预处理和水热预处理中的至少一种；
所述木质纤维素的降解，是通过酸水解、碱水解、水热自水解和酶水解中的至少一种水解方式实现的。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤a中，所述木质纤维生物质包括农作物秸秆、畜禽粪便、木材及其加工废弃物中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素为原生生物质原料中的木质素；
所述原生生物质原料包括树木、农作物秸秆、农产品加工业副产品、畜禽粪便和能源作物中的至少一种；
所述树木为软木/硬木。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述生物质炭由生物质原料炭化而得；
所述炭化在炭化炉中进行；
所述炭化温度为300-800℃；
所述炭化的时间为0.5-3h，优选为2h；
所述生物质原料为秸秆、粪便和木屑中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述生物质炭的粒径为10-300目，优选为80目。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述微生物包括大肠杆菌、酵母菌和运动发酵单胞菌。
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