專利名稱：去除秸稈酶解液抑制丁醇發(fā)酵的可溶性木質(zhì)素的方法
技術領域：
本方法屬于發(fā)酵工業(yè)領域，特別涉及去除秸稈酶解液抑制丁醇發(fā)酵的可溶性木質(zhì)素的方法。
背景技術：
丁醇是重要的有機溶劑和化工原料，廣泛用于化工，醫(yī)藥，食品等工業(yè)。此外，丁醇還是一種極具潛力的新型生物燃料，具有高熱值、易混溶性、高辛烷值和低揮發(fā)性等優(yōu)良特性，在替代汽油作為燃料方面性能優(yōu)于乙醇。丁醇可由發(fā)酵和石油化工合成法生產(chǎn)。近年來，由于石化資源的耗竭和溫室效應等環(huán)境問題的日益突出，發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇得到了人們的廣泛的關注。相對于化學合成法，發(fā)酵法的生產(chǎn)成本過高，是其缺乏競爭性的主要原因。由于傳統(tǒng)的發(fā)酵原料(淀粉、糖蜜)的成本約占丁醇發(fā)酵總成本的60 70%，采用大量而廉價的秸稈等木質(zhì)纖維素替代傳統(tǒng)發(fā)酵原料用于丁醇生產(chǎn)，對于降低丁醇生產(chǎn)成本，解決糧食供應不足以及因秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染問題，具有重要意義。秸稈等木質(zhì)纖維素的主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中的木質(zhì)素本身就是一種用途廣泛的化工原料，而纖維素和半纖維素降解成的葡萄糖和木糖均能被被丁醇生產(chǎn)菌株(Clostridium, acetobutylicum)利用。以秸稈發(fā)酵丁醇，需要對原料進行預處理以利于將其降解成被菌種利用的可發(fā)酵糖。但是，在木質(zhì)素纖維降解成可發(fā)酵糖的過程中， 也會產(chǎn)生弱酸類，呋喃類和酚類化合物等，成為發(fā)酵的抑制物。其中，來自木質(zhì)素降解物的酚類化合物對發(fā)酵的抑制作用最為顯著，因為這些物質(zhì)在極低的濃度(約< 0. lg/L)就對菌體生長造成了抑制作用。另外，許多研究也證明了秸稈中木質(zhì)素對纖維素酶存在無效吸附作用，從而降低酶解效率，增加了纖維素酶的使用成本。盡管水洗秸稈可以在其酶解前去除大部分的乙酸，糠醛，羥甲基糠醛和少量酚類物質(zhì)，但由于酶解過程中纖維素和半纖維素的降解，使部分降解的木質(zhì)素游離到酶解液中，導致酶解液可發(fā)酵性能的被大大降低了。因此，在發(fā)酵前甚至酶解前去除秸稈中的發(fā)酵抑制物對提高秸稈的丁醇發(fā)酵性能是非常必要的。 本發(fā)明采用活性炭處理秸稈酶解液可以去除酶解液中的可溶性木質(zhì)素，從而提高了秸稈酶解液的丁醇發(fā)酵性能；采用堿性雙氧水處理秸稈可以去除秸稈中的木質(zhì)素，從而降低了酶解后可溶性木質(zhì)素的產(chǎn)生，得到的酶解液可直接用于發(fā)酵丁醇而無抑制現(xiàn)象。本發(fā)明解決了秸稈發(fā)酵生產(chǎn)丁醇過程中發(fā)酵抑制物的問題，為秸稈發(fā)酵丁醇的提供了技術路線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供去除秸稈酶解液抑制丁醇發(fā)酵的可溶性木質(zhì)素的方法，即利用活性炭處理秸稈酶解液以去除酶解液中的可溶性木質(zhì)素，提高了秸稈酶解液的丁醇發(fā)酵性能；采用堿性雙氧水處理秸稈以去除秸稈中的木質(zhì)素，降低酶解后可溶性木質(zhì)素的產(chǎn)生，滿足了秸稈酶解液直接發(fā)酵丁醇的要求，而無需額外的脫毒處理。本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明提供的去除秸稈酶解液抑制丁醇發(fā)酵的可溶性木質(zhì)素的方法，其步驟如下2)活性炭處理秸稈酶解液 在秸稈中加入10 15倍秸稈干重的蒸餾水，用IM H2SO4調(diào)節(jié)液體的pH為 4. 8士0. 2，再加入10 20IU/g底物的纖維素酶，于50°C，150rpm下反應48 72h ；酶解結果后，過濾收集上清液；將上清液在0. 7 0. 9MPa,40 70°C下減壓蒸餾，在蒸餾后的剩余液中加入2 15% (g/100ml)的活性炭進行吸附，吸附溫度15 50°C，吸附時間0. 5 24h。活性炭吸附后的上清液用于丁醇發(fā)酵。3)堿性雙氧水處理秸稈及其酶解液的制備在每g秸稈中加入5 50ml的堿性雙氧水進行處理(每升堿性雙氧水中含5 50g的NaOH和5 50ml的30%的雙氧水)，處理溫度為10 90°C，處理時間0. 5 48h，然后用清水沖洗物料至中性，再經(jīng)固液分離后得到堿處理秸稈；在干燥的堿處理秸稈中加入 10 15倍秸稈干重的蒸餾水，用IM H2SO4調(diào)節(jié)液體的PH為4. 8士0. 2，再加入10 20IU/ g底物的纖維素酶，于50°C，150rpm下反應48 72h ；酶解結果后，過濾收集上清液。將上清液在0. 7 0. 9MPa,40 70°C下減壓蒸餾，蒸餾剩余液用于丁醇發(fā)酵。4) 丁醇發(fā)酵將步驟2)得到的上清液和步驟3)得到的蒸餾剩余液用IM NaOH調(diào)至pH6. 5，再加入1 10g/L的氮源，以及10mg/L微量元素制成發(fā)酵培養(yǎng)基，在121°C下滅菌lOmin，接入 5 10%的丁醇種子液，30 35°C下厭氧發(fā)酵3 6d ；用氣相色譜測定發(fā)酵液中的溶劑含量；所述的氮源為酵母粉，蛋白胨，豆粕粉，玉米漿，硫酸銨，醋酸銨，硝酸銨，碳酸銨， 碳酸氫氨，磷酸二氫銨，磷酸氫二銨或氯化銨所述的微量元素為生物素和對氨基苯甲酸所述丁醇種子液的制備為將Clostridium, acetobutylicum接入到6%的玉米醪培養(yǎng)基中，厭氧發(fā)酵2 3d后制得；本發(fā)明的去除秸稈酶解液抑制丁醇發(fā)酵的可溶性木質(zhì)素的方法，具有下述優(yōu)點1.采用活性炭處理可以去除秸稈酶解液中的發(fā)酵抑制物，提高了秸稈酶解液的丁醇發(fā)酵性能；2.采用堿性雙氧水處理秸稈可以去除秸稈中的木質(zhì)素，不僅可以降低隨后酶解液中可溶性木質(zhì)素的含量，還提高了酶解效率，實現(xiàn)秸稈酶解液直接發(fā)酵丁醇，而無需額外的脫毒處理過程。


圖1是本發(fā)明的工藝流程圖
具體實施例方式下面通過實施例進一步描述本發(fā)明。
實施例1 去除秸稈中的發(fā)酵抑制物并用于發(fā)酵丁醇是按照下述兩種工藝進行的。(1)稱取干燥后的秸稈50g，加入500ml蒸餾水，用IM H2SO4調(diào)節(jié)液體的pH為 4.8士0.2，再加入20貝/^底物的纖維素酶，于501，150印111下反應4811，酶解結果后，過濾收集上清液，并測定上清液中葡萄糖和木糖的含量，計算濃縮倍數(shù)(按照濃縮后葡萄糖和木糖兩者總和為60g/L計算)；接著，將上清液在0. 9MPa，40°C下減壓蒸餾，濃縮到規(guī)定體積， 在蒸餾后的剩余液中加入2% (g/100ml)的活性炭進行吸附，吸附溫度15°C，吸附時間24h， 過濾活性炭顆粒，得到澄清的液體；然后，將澄清液體用IM NaOH調(diào)至pH6. 5，加入lg/L的硫酸銨，以及10mg/L微量元素制成發(fā)酵培養(yǎng)基，在121°C下滅菌lOmin，接入10% (體積比) 的丁醇種子液，35°C下厭氧發(fā)酵3d;最后，用氣相色譜測定發(fā)酵液中的溶劑含量，其中總溶劑的轉化率為0. 20g/g(消耗糖)，產(chǎn)率為0. 17g/(L · h)。(2)稱取干燥后的秸稈100g，加入500mL堿性雙氧水(每升堿性雙氧水中含5g的 NaOH和5ml的30%的雙氧水)，在溫度為50°C下處理48h，然后用清水沖洗物料至中性，再經(jīng)固液分離后得到堿處理秸稈；稱取50g干燥的堿處理秸稈，加入500ml蒸餾水，用IM H2SO4 調(diào)節(jié)液體的pH為4. 8士0. 2，再加入15IU/g底物的纖維素酶，于50°C，150rpm下反應48h ； 酶解結果后，過濾收集上清液，并測定上清液中葡萄糖和木糖的含量，計算濃縮倍數(shù)(按照濃縮后葡萄糖和木糖兩者總和為60g/L計算)；接著，將上清液在0. 9MPa，40°C下減壓蒸餾， 濃縮到規(guī)定體積；然后，將蒸餾剩余液用IM NaOH調(diào)至pH6. 5，加入lg/L蛋白胨，以及IOmg/ L微量元素制成發(fā)酵培養(yǎng)基，在121°C下滅菌lOmin，接入10% (體積比)的丁醇種子液， 35°C下厭氧發(fā)酵3d;最后，用氣相色譜測定發(fā)酵液中的溶劑含量，其中總溶劑的轉化率為 0. 19g/g (消耗糖)，產(chǎn)率為 0. 15g/ (L · h)。實施例2去除秸稈中的發(fā)酵抑制物并用于發(fā)酵丁醇是按照下述兩種工藝進行的。(1)稱取干燥后的秸稈50g，加入500ml蒸餾水，用IM H2SO4調(diào)節(jié)液體的pH為 4.8士0.2，再加入20貝/^底物的纖維素酶，于501，150印111下反應4811，酶解結果后，過濾收集上清液，并測定上清液中葡萄糖和木糖的含量，計算濃縮倍數(shù)(按照濃縮后葡萄糖和木糖兩者總和為60g/L計算)；接著，將上清液在0. 8MPa，50°C下減壓蒸餾，濃縮到規(guī)定體積， 在蒸餾后的剩余液中加入7. 5% (g/100ml)的活性炭進行吸附，吸附溫度50°C，吸附時間 12h，過濾活性炭顆粒，得到澄清的液體；然后，將澄清液體用IM NaOH調(diào)至pH6.5，加入5g/ L硫酸銨，以及10mg/L微量元素制成發(fā)酵培養(yǎng)基，在121°C下滅菌lOmin，接入10% (體積比)的丁醇種子液，35°C下厭氧發(fā)酵3d ；最后，用氣相色譜測定發(fā)酵液中的溶劑含量，其中總溶劑的轉化率為0. 19g/g(消耗糖)，產(chǎn)率為0. 14g/(L · h)。(2)稱取干燥后的秸稈100g，加入IL堿性雙氧水(每升堿性雙氧水中含IOg的 NaOH和IOml的30%的雙氧水)，在溫度為50°C下處理24h，然后用清水沖洗物料至中性，再經(jīng)固液分離后得到堿處理秸稈；稱取50g干燥的堿處理秸稈，加入500ml蒸餾水，用IM H2SO4 調(diào)節(jié)液體的pH為4. 8士0. 2，再加入15IU/g底物的纖維素酶，于50°C，150rpm下反應48h ； 酶解結果后，過濾收集上清液，并測定上清液中葡萄糖和木糖的含量，計算濃縮倍數(shù)(按照濃縮后葡萄糖和木糖兩者總和為60g/L計算)；接著，將上清液在0. 8MPa，50°C下減壓蒸餾，濃縮到規(guī)定體積；然后，將蒸餾剩余液用IM NaOH調(diào)至pH6. 5，加入5g/L的硫酸銨，以及l(fā)Omg/L微量元素制成發(fā)酵培養(yǎng)基，在121°C下滅菌lOmin，接入10% (體積比)的丁醇種子液，35°C下厭氧發(fā)酵3d;最后，用氣相色譜測定發(fā)酵液中的溶劑含量，其中總溶劑的轉化率為 0. 20g/g (消耗糖)，產(chǎn)率為 0. 17g/ (L · h)。實施例3
去除秸稈中的發(fā)酵抑制物并用于發(fā)酵丁醇是按照下述兩種工藝進行的。(1)稱取干燥后的秸稈50g，加入500ml蒸餾水，用IM H2SO4調(diào)節(jié)液體的pH為 4. 8士0. 2，再加入20IU/g底物的纖維素酶，于50°C，150rpm下反應48h，酶解結果后，過濾收集上清液，并測定上清液中葡萄糖和木糖的含量，計算濃縮倍數(shù)(按照濃縮后葡萄糖和木糖兩者總和為60g/L計算)；接著，將上清液在0. 7MPa，40°C下減壓蒸餾，濃縮到規(guī)定體積，在蒸餾后的剩余液中加入15% (g/100ml)的活性炭進行吸附，吸附溫度30°C，吸附時間 24h，過濾活性炭顆粒，得到澄清的液體；然后，將澄清液體用IM NaOH調(diào)至pH6. 5，加入IOg/ L的硫酸銨，以及10mg/L微量元素制成發(fā)酵培養(yǎng)基，在121°C下滅菌lOmin，接入10% (體積比)的丁醇種子液，35°C下厭氧發(fā)酵3d;最后，用氣相色譜測定發(fā)酵液中的溶劑含量，其中總溶劑的轉化率為0. 19g/g(消耗糖)，產(chǎn)率為0. 16g/(L · h)。(2)稱取干燥后的秸稈100g，加入5L堿性雙氧水(每升堿性雙氧水中含50g的 NaOH和50ml的30%的雙氧水)，在溫度為50°C下處理24h，然后用清水沖洗物料至中性，再經(jīng)固液分離后得到堿處理秸稈；稱取50g干燥的堿處理秸稈，加入500ml蒸餾水，用IM H2SO4 調(diào)節(jié)液體的pH為4. 8士0. 2，再加入10IU/g底物的纖維素酶，于50°C，150rpm下反應48h ； 酶解結果后，過濾收集上清液，并測定上清液中葡萄糖和木糖的含量，計算濃縮倍數(shù)(按照濃縮后葡萄糖和木糖兩者總和為60g/L計算)；接著，將上清液在0. 7MPa，70°C下減壓蒸餾， 濃縮到規(guī)定體積；然后，將蒸餾剩余液用IM NaOH調(diào)至pH6. 5，加入10g/L的硫酸銨，以及 10mg/L微量元素制成發(fā)酵培養(yǎng)基，在121°C下滅菌lOmin，接入10% (體積比)的丁醇種子液，35°C下厭氧發(fā)酵3d;最后，用氣相色譜測定發(fā)酵液中的溶劑含量，其中總溶劑的轉化率為 0. 20g/g (消耗糖)，產(chǎn)率為 0. 17g/ (L · h)。
權利要求
1.去除秸稈酶解液抑制丁醇發(fā)酵的可溶性木質(zhì)素的方法，其特征在于以下步驟1)將秸稈進行酶解，酶解液經(jīng)過減壓蒸餾、活性炭吸附后，得到活性炭處理的酶解液， 向其中補加氮源和微量元素制成發(fā)酵培養(yǎng)基生產(chǎn)丁醇；2)用堿性雙氧水處理秸稈，將得到的堿處理秸稈進行酶解，酶解液經(jīng)過減壓蒸餾后，得到堿處理秸稈酶解液，向其中補加氮源和微量元素制成發(fā)酵培養(yǎng)基生產(chǎn)丁醇。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述活性炭吸附條件為每升秸稈酶解液添加20 150g的活性炭，吸附溫度15 50°C，吸附時間0. 5 Mh。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的減壓蒸餾條件為壓力0.7 0. 9MPa，溫度 40 70"C。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的堿性雙氧水處理的條件為按照每 g秸稈添加5 50ml的堿性雙氧水，每升堿性雙氧水中含5 50g的NaOH和5 50ml的 30%的雙氧水，反應溫度10 90°C，反應時間0. 5 48h。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的氮源的添加量按照每升發(fā)酵培養(yǎng)基添加1 10g，氮源為酵母粉，蛋白胨，豆粕粉，玉米漿，硫酸銨，醋酸銨，硝酸銨，碳酸銨，碳酸氫氨，磷酸二氫銨，磷酸氫二銨或氯化銨中之一或任意組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及了去除秸稈酶解液抑制丁醇發(fā)酵的可溶性木質(zhì)素的方法。該方法包括用活性炭處理秸稈酶解液或用堿性雙氧水處理秸稈，以去除秸稈產(chǎn)生的發(fā)酵抑制物。秸稈酶解液中存在的可溶性木質(zhì)素是抑制丁醇生產(chǎn)菌株正常發(fā)酵的主要原因。本發(fā)明采用活性炭處理秸稈酶解液可以去除酶解液中的可溶性木質(zhì)素，得到的酶解液補加氮源后可用于發(fā)酵丁醇；采用堿性雙氧水處理秸稈可以去除秸稈中的木質(zhì)素，減少酶解后可溶性木質(zhì)素的產(chǎn)生，得到的酶解液補充氮源后可直接用于發(fā)酵而無抑制現(xiàn)象，總溶劑轉化率在0.15～0.2(g/g消耗糖)。本發(fā)明解決了秸稈發(fā)酵生產(chǎn)丁醇過程中發(fā)酵抑制物的問題，為秸稈發(fā)酵丁醇的提供了技術路線。
文檔編號C12P7/16GK102286545SQ201010209198
公開日2011年12月21日 申請日期2010年6月17日 優(yōu)先權日2010年6月17日
發(fā)明者王嵐, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所