利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法
【專利摘要】利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，它涉及產(chǎn)丁醇和氫氣的方法。本發(fā)明要解決現(xiàn)有發(fā)酵產(chǎn)丁醇過(guò)程中底物成本高，底物發(fā)酵不徹底及底物轉(zhuǎn)化效率低的問(wèn)題。本發(fā)明以廉價(jià)的可再生有機(jī)廢棄物木質(zhì)纖維素作為底物，經(jīng)處理后得到的葡萄糖水解液用于產(chǎn)丁醇發(fā)酵，在此過(guò)程中收集氫氣及丁醇，丁醇發(fā)酵后剩余的未被利用的碳水化合物及木質(zhì)纖維素預(yù)處理過(guò)程中產(chǎn)生的半纖維素木糖液在產(chǎn)氫反應(yīng)器中被繼續(xù)利用轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物氫氣。同時(shí)產(chǎn)氫發(fā)酵殘夜中產(chǎn)生的乙酸丁酸又可回流到產(chǎn)丁醇發(fā)酵系統(tǒng)中強(qiáng)化丁醇產(chǎn)量。本發(fā)明不僅提高了底物的轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)的能源回收率，同時(shí)也大大降低單純產(chǎn)丁醇或產(chǎn)氫后剩余廢液帶來(lái)的環(huán)境影響，在能源和環(huán)境領(lǐng)域具有重要意義。
【專利說(shuō)明】利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法屬于有機(jī)固體廢 棄物高效資源化利用領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今世界化石能源儲(chǔ)備的耗竭和持續(xù)的環(huán)境污染，已成為全球面臨的重要問(wèn)題。 隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，未來(lái)全球能源需求將繼續(xù)上升。能源和環(huán)境雙重危機(jī)促使世界 各國(guó)積極開發(fā)利用可再生的生物質(zhì)資源生產(chǎn)燃料能源產(chǎn)品。目前，對(duì)生物質(zhì)能源開發(fā)主要 包括兩個(gè)方面：
[0003] 1)產(chǎn)品方面，目前主要以燃料乙醇為主，但乙醇并不是一種理想的生物質(zhì)能源，其 能量密度低，并且容易吸收環(huán)境中的水分，腐蝕性大，不適宜用現(xiàn)有的管道輸送。而作為新 一代的生物質(zhì)能源，丁醇與乙醇相比具有更大的優(yōu)勢(shì)，它揮發(fā)性小，不吸濕，腐蝕性小，而且 具有較高的辛烷值和能量密度，可以帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，由于生物丁醇與乙醇的生 產(chǎn)工藝較為相似，現(xiàn)有的燃料乙醇生產(chǎn)設(shè)施稍微改造便可轉(zhuǎn)而生產(chǎn)生物丁醇，因此生物丁 醇的市場(chǎng)潛力較為巨大，其開發(fā)意義顯著。氫能也是一種值得期待的新型能源，由于其具有 能量密度高、清潔、無(wú)污染等特點(diǎn)，其生產(chǎn)和利用技術(shù)的開發(fā)已成為當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)。
[0004] 2)資源利用方面，目前生物質(zhì)能源主要以淀粉（木薯、玉米、高粱等）為原料生產(chǎn)， 但纖維原料是地球上最豐富、最廉價(jià)的可再生資源，蘊(yùn)儲(chǔ)著巨大的生物質(zhì)能。全世界每年通 過(guò)光合作用產(chǎn)生的纖維生物質(zhì)高達(dá)1000億噸。我國(guó)的纖維原料也非常豐富，每年僅農(nóng)作物 秸桿就有7億多噸。纖維來(lái)源廣泛，包括工農(nóng)業(yè)廢棄物、可種植于邊際土地的能源作物等， 有助于解決生物能源發(fā)展所遇到的資源問(wèn)題，因而受到人們的廣泛關(guān)注。纖維原料轉(zhuǎn)化產(chǎn) 品豐富，可轉(zhuǎn)化為生物燃料、氫氣、生物基化學(xué)品等多種產(chǎn)品。利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的纖維廢棄 物等廉價(jià)的基質(zhì)制取生物質(zhì)能源產(chǎn)品，既能降低其生產(chǎn)成本，又能使廢棄物得到資源化，這 將是生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最終選擇。
[0005] 生物法制備丁醇雖然比乙醇具有更光明的發(fā)展前景，然而實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中丁醇轉(zhuǎn) 化碳源的產(chǎn)率要比乙醇低的多，因此限制了生物丁醇燃料的發(fā)展。為了使丁醇發(fā)酵在工業(yè) 生產(chǎn)上更具有競(jìng)爭(zhēng)力，必須提高丁醇的生產(chǎn)能力，這也是目前國(guó)內(nèi)外發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇的研 究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。丁醇發(fā)酵的代謝途徑復(fù)雜，代謝支路較多，如何使代謝流更多的流向丁醇是 解決丁醇生產(chǎn)能力較低的關(guān)鍵所在。乙酸、丁酸等有機(jī)酸是丁醇發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的代謝副 產(chǎn)物，同時(shí)也是丁醇合成過(guò)程中的中間代謝產(chǎn)物，根據(jù)代謝支路互相耦聯(lián)的特性，通過(guò)添加 代謝過(guò)程中間物質(zhì)有機(jī)酸來(lái)改變代謝網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)支路的通量情況，有可能實(shí)現(xiàn)較為理想的 底物到丁醇的轉(zhuǎn)化，從而為大幅度提高丁醇產(chǎn)率找到出路。另外，在丁醇發(fā)酵過(guò)程中由于代 謝產(chǎn)物的積累往往會(huì)造成約5-15g/L的底物剩余，如果將這部分底物直接排放不僅造成資 源浪費(fèi)，同時(shí)也增加了廢液C0D的含量。而在生物制氫發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)氫細(xì)菌所利用底物濃 度范圍通常為10-20g/L，且產(chǎn)氫發(fā)酵末端代謝產(chǎn)物主要為乙酸和丁酸。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決現(xiàn)有發(fā)酵產(chǎn)丁醇過(guò)程中底物成本高，底物發(fā)酵不徹底及底物轉(zhuǎn)化效 率低的問(wèn)題，而提供利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法。
[0007] 本發(fā)明的利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，它是按照以下步驟進(jìn)行 的：
[0008] -、木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理：將木質(zhì)纖維素中的半纖維素制成為可溶性木糖液，得 半纖維素木糖液和固體；
[0009] 二、將步驟一預(yù)處理后的固體用纖維素酶，采用酶水解糖化方法進(jìn)行水解，濃縮 后，得到葡萄糖水解液；
[0010] 三、取能利用葡萄糖產(chǎn)丁醇的微生物，置于含有丁醇培養(yǎng)基的丁醇發(fā)酵罐中，發(fā) 酵產(chǎn)丁醇，得到含丁醇的發(fā)酵液，然后含丁醇的發(fā)酵液經(jīng)蒸餾脫水，獲得質(zhì)量百分含量為 10?15%的丁醇，并收集經(jīng)蒸餾脫水后的丁醇發(fā)酵殘液備用；
[0011] 四、將步驟三中經(jīng)蒸餾脫水后得到的丁醇發(fā)酵殘液加入到步驟一得到的半纖維素 木糖液中，混合后得產(chǎn)氫發(fā)酵底物，然后將產(chǎn)氫發(fā)酵底物加入到產(chǎn)氫發(fā)酵罐中，采用能利用 木糖及葡萄糖的混合糖作為碳源產(chǎn)氫的微生物，進(jìn)行產(chǎn)氫發(fā)酵獲得氫氣；其中，半纖維素木 糖液與丁醇發(fā)酵殘液的體積比為（1?3) :1 ;
[0012] 五、將步驟四產(chǎn)氫發(fā)酵后產(chǎn)生的有機(jī)酸溶液回流到步驟三丁醇發(fā)酵罐中，強(qiáng)化丁 醇發(fā)酵，即完成利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣。
[0013] 本發(fā)明包含以下有益效果：
[0014] ①、在底物利用率方面，ABE (丙酮-丁醇-乙醇）發(fā)酵殘余的碳水化合物能在產(chǎn) 氫發(fā)酵過(guò)程中被繼續(xù)利用，避免了這些殘余的原料被當(dāng)作廢物而丟棄，同時(shí)得到一些有用 的產(chǎn)物，使底物的能源轉(zhuǎn)化效率提高15?30% ;
[0015] ②、在產(chǎn)物回收方面，本發(fā)明的聯(lián)合工藝中，得到兩種含量較高的不同產(chǎn)物，即液 體丁醇以及主要含氫氣的氣體產(chǎn)物。丁醇是化工行業(yè)一種重要的原料，或者可以作為生 物燃料應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)中；氫氣則可以作為一種化工商品，或者作為生物燃料應(yīng)用于燃料電 池；
[0016] ③、在清潔生產(chǎn)方面，本發(fā)明的工藝過(guò)程開始于第一階段丁醇發(fā)酵，丁醇發(fā)酵產(chǎn)物 被移除回收，流出物隨后作為原料進(jìn)入第二階段產(chǎn)氫發(fā)酵，經(jīng)過(guò)產(chǎn)氫發(fā)酵后流出的液體再 回流到第一階段丁醇發(fā)酵體系中在ABE (丙酮-丁醇-乙醇）發(fā)酵過(guò)程被重吸收以此提高 丁醇產(chǎn)量，因此，本發(fā)明的工藝過(guò)程可謂是一個(gè)零浪費(fèi)和零排放的過(guò)程；
[0017] ④、在產(chǎn)物生產(chǎn)成本方面，ABE(丙酮-丁醇-乙醇）發(fā)酵和產(chǎn)氫發(fā)酵共同分擔(dān)產(chǎn) 物回收和純化的費(fèi)用，與兩者分開獨(dú)立進(jìn)行所需費(fèi)用進(jìn)行比較，成本大大降低。
[0018] 因此，本發(fā)明以廉價(jià)木質(zhì)纖維素為底物，根據(jù)丁醇發(fā)酵過(guò)程中底物剩余及產(chǎn)氫發(fā) 酵過(guò)程中底物利用濃度及代謝產(chǎn)物乙酸丁酸積累特性，提出發(fā)酵木質(zhì)纖維素產(chǎn)丁醇-產(chǎn)氫 工藝。此藕聯(lián)工藝可使丁醇發(fā)酵殘余的碳水化合物能在產(chǎn)氫發(fā)酵過(guò)程中被繼續(xù)利用轉(zhuǎn)化為 產(chǎn)物氫氣。同時(shí)，產(chǎn)氫發(fā)酵殘夜中產(chǎn)生的乙酸丁酸又可回流到產(chǎn)丁醇發(fā)酵系統(tǒng)中強(qiáng)化丁醇 產(chǎn)量。該研究不僅提高了底物的轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)的能源回收率，同時(shí)也大大降低單純產(chǎn)丁 醇或產(chǎn)氫后剩余物質(zhì)可能的帶來(lái)的環(huán)境影響，在能源和環(huán)境領(lǐng)域具有重要意義。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明中利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的工藝流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 本實(shí)施方式利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0021] 一、木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理：將木質(zhì)纖維素中的半纖維素制成為可溶性木糖液，得 半纖維素木糖液和固體；
[0022] 二、將步驟一預(yù)處理后的固體用纖維素酶，采用酶水解糖化方法進(jìn)行水解，濃縮 后，得到葡萄糖水解液；
[0023] 三、取能利用葡萄糖產(chǎn)丁醇的微生物，置于含有丁醇培養(yǎng)基的丁醇發(fā)酵罐中，發(fā) 酵產(chǎn)丁醇，得到含丁醇的發(fā)酵液，然后含丁醇的發(fā)酵液經(jīng)蒸餾脫水，獲得質(zhì)量百分含量為 10?15%的丁醇，并收集經(jīng)蒸餾脫水后的丁醇發(fā)酵殘液備用；
[0024] 四、將步驟三中經(jīng)蒸餾脫水后得到的丁醇發(fā)酵殘液加入到步驟一得到的半纖維素 木糖液中，混合后得產(chǎn)氫發(fā)酵底物，然后將產(chǎn)氫發(fā)酵底物加入到產(chǎn)氫發(fā)酵罐中，采用能利用 木糖及葡萄糖的混合糖作為碳源產(chǎn)氫的微生物，進(jìn)行產(chǎn)氫發(fā)酵獲得氫氣；其中，半纖維素木 糖液與丁醇發(fā)酵殘液的體積比為（1?3) :1 ;
[0025] 五、將步驟四產(chǎn)氫發(fā)酵后產(chǎn)生的有機(jī)酸溶液回流到步驟三丁醇發(fā)酵罐中，強(qiáng)化丁 醇發(fā)酵，即完成利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣。
[0026] 本實(shí)施方式包含以下有益效果：
[0027] ①、在底物利用率方面，ABE (丙酮-丁醇-乙醇）發(fā)酵殘余的碳水化合物能在產(chǎn) 氫發(fā)酵過(guò)程中被繼續(xù)利用，避免了這些殘余的原料被當(dāng)作廢物而丟棄，同時(shí)得到一些有用 的產(chǎn)物，使底物的能源轉(zhuǎn)化效率提高15?30% ;
[0028] ②、在產(chǎn)物回收方面，本實(shí)施方式的聯(lián)合工藝中，得到兩種含量較高的不同產(chǎn)物， 即液體丁醇以及主要含氫氣的氣體產(chǎn)物。丁醇是化工行業(yè)一種重要的原料，或者可以作為 生物燃料應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)中；氫氣則可以作為一種化工商品，或者作為生物燃料應(yīng)用于燃料 電池；
[0029] ③、在清潔生產(chǎn)方面，本實(shí)施方式的工藝過(guò)程開始于第一階段丁醇發(fā)酵，丁醇發(fā)酵 產(chǎn)物被移除回收，流出物隨后作為原料進(jìn)入第二階段產(chǎn)氫發(fā)酵，經(jīng)過(guò)產(chǎn)氫發(fā)酵后流出的液 體再回流到第一階段丁醇發(fā)酵體系中在ABE (丙酮-丁醇-乙醇）發(fā)酵過(guò)程被重吸收以此 提高丁醇產(chǎn)量，因此，本實(shí)施方式的工藝過(guò)程可謂是一個(gè)零浪費(fèi)和零排放的過(guò)程；
[0030] ④、在產(chǎn)物生產(chǎn)成本方面，ABE(丙酮-丁醇-乙醇）發(fā)酵和產(chǎn)氫發(fā)酵共同分擔(dān)產(chǎn) 物回收和純化的費(fèi)用，與兩者分開獨(dú)立進(jìn)行所需費(fèi)用進(jìn)行比較，成本大大降低。
[0031] 因此，本實(shí)施方式以廉價(jià)木質(zhì)纖維素為底物，根據(jù)丁醇發(fā)酵過(guò)程中底物剩余及 產(chǎn)氫發(fā)酵過(guò)程中底物利用濃度及代謝產(chǎn)物乙酸丁酸積累特性，提出發(fā)酵木質(zhì)纖維素產(chǎn)丁 醇-產(chǎn)氫工藝。此藕聯(lián)工藝可使丁醇發(fā)酵殘余的碳水化合物能在產(chǎn)氫發(fā)酵過(guò)程中被繼續(xù)利 用轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物氫氣。同時(shí)，產(chǎn)氫發(fā)酵殘夜中產(chǎn)生的乙酸丁酸又可回流到產(chǎn)丁醇發(fā)酵系統(tǒng)中 強(qiáng)化丁醇產(chǎn)量。該研究不僅提高了底物的轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)的能源回收率，同時(shí)也大大降低 單純產(chǎn)丁醇或產(chǎn)氫后剩余物質(zhì)可能的帶來(lái)的環(huán)境影響，在能源和環(huán)境領(lǐng)域具有重要意義。
[0032]

【具體實(shí)施方式】二：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是：步驟一中所述的木質(zhì) 纖維素進(jìn)行預(yù)處理過(guò)程如下：將木質(zhì)纖維素與質(zhì)量百分含量為1?2%的HC1溶液按固液 比lg: 10mL的比例混合，在80?120°C條件下處理1?2h，離心后得到得半纖維素木糖液 和固體。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0033]

【具體實(shí)施方式】三：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是：步驟二中所述的 纖維素酶用量按照30?50UAg預(yù)處理后的固體底物）加入酶液，在50°C溫度下，搖床轉(zhuǎn)速 150?200r/min的條件下，進(jìn)行酶水解48h，得到葡萄糖水解液。其它與【具體實(shí)施方式】一或 二相同。
[0034]

【具體實(shí)施方式】四：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是：步驟二中所 述的濃縮是指：將纖維素酶水解得到的水解液經(jīng)離心取得上清液后進(jìn)行濃縮，得到含5? 6%(質(zhì)量百分含量）碳水化合物的葡萄糖水解液。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。

【具體實(shí)施方式】 [0035] 五：本實(shí)施方式與一至四之一不同的是：步驟三中所 述的能利用葡萄糖產(chǎn)丁醇的微生物為產(chǎn)溶劑型的梭菌。其它與一至四之一相 同。

【具體實(shí)施方式】 [0036] 六：本實(shí)施方式與一至五之一不同的是：所述的產(chǎn)溶 劑型的梭菌為購(gòu)買自保藏中心，或者用富集培養(yǎng)的方法篩選的菌株。其它與 一至五之一相同。
[0037] 本實(shí)施方式所述的富集培養(yǎng)是指：從不同生態(tài)壞境中采集樣品，每個(gè)樣品各稱取 lg置于以秸桿水解液為主要碳源的培養(yǎng)基中，80°c熱激lOmin，冷卻后37°C靜止培養(yǎng)72h， 氣相色譜檢測(cè)發(fā)酵產(chǎn)物，將檢測(cè)有丁醇產(chǎn)生的發(fā)酵液稀釋涂布含質(zhì)量百分含量為2. 0%丁 醇的中性紅平板培養(yǎng)基，置于37°C厭氧培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48h，從中性紅平板上挑選單菌落于 秸桿水解液發(fā)酵培養(yǎng)基中，37°C靜止發(fā)酵48h，篩選丁醇產(chǎn)量較高的菌株。
[0038] 所述的中性紅培養(yǎng)基成分為：葡萄糖40g，胰蛋白胨6g，酵母膏2g，牛肉膏2g，醋酸 銨 3g，KH2P045g，中性紅 0· 2g，MgS04 · 7Η200· 2g，F(xiàn)eS04 · 7Η200· Olg，水 000ml，ρΗ6· 5, 121? 濕熱滅菌30min。

【具體實(shí)施方式】 [0039] 七：本實(shí)施方式與一至六之一不同的是：所述的產(chǎn) 溶劑型的梭菌為丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum)、拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii)、糖丁酸梭菌（Clostridium saccharobutylicum)或丁酸梭菌（Clostridium butylicum)。其它與一至六之一相同。
[0040] 本實(shí)施方式所述的菌株購(gòu)買得到。

【具體實(shí)施方式】 [0041] 八：本實(shí)施方式與一至七之一不同的是：所述的產(chǎn)溶 劑型的梭菌的種子液為生長(zhǎng)至對(duì)數(shù)期的液體懸濁液，其中，種子液的接種量為2?10% (v/ v)。其它與一至七之一相同。
[0042]

【具體實(shí)施方式】九：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一不同的是：步驟三中所 述的丁醇培養(yǎng)基是將步驟二得到的葡萄糖水解液加入營(yíng)養(yǎng)鹽溶液并通入濃度為99. 99%高 純氮?dú)庵瞥桑黄渲?，高純氮?dú)獾耐ㄈ霑r(shí)間為5-10min，營(yíng)養(yǎng)鹽溶液按體積百分含量計(jì)，加入 量為1% ;所述營(yíng)養(yǎng)鹽溶液由質(zhì)量百分含量為20?40%的有機(jī)氮源溶液、質(zhì)量百分含量為 5?15%無(wú)機(jī)氮源溶液、質(zhì)量百分含量為5?20%的磷酸二氫鉀溶液、質(zhì)量百分含量為5? 15 %的磷酸氫二鉀溶液、質(zhì)量百分含量為10?20 %的氯化鈉溶液、質(zhì)量百分含量為5 %的 半胱氨酸溶液、l〇ml/L的維生素儲(chǔ)液溶液、10ml/L的微量金屬元素儲(chǔ)液溶液、lmL質(zhì)量百分 含量為0. 1%。的刃天青溶液及余量的水組成；所述微量金屬元素儲(chǔ)液每1L由1. 5g的FeCl2、 70mg 的 ZnCl2、6mg 的硼酸、0· lg 的 MnCl2 · 4H20、2mg 的 CuCl2 · 2Η20、0· 19g 的 CoCl2 · 6H20、 24mg 的 NiCl2 · 6H20、36mg 的 Na2M04 · H20、15mg 的 Na2W04 · 2H20 和 15mg 的 Na2Se04 · 5H20 組 成；所述維生素 C液每1L由50. Omg的硫辛酸、20. Omg的生物素、0· 35g的煙酸、5. Omg的鹽 酸硫胺素、50. Omg的對(duì)氨基苯甲酸、20. Omg的葉酸、50. Omg的泛酸|丐、1. Omg的維生素 B12 和100. Omg的鹽酸吡哆醇組成。其它與【具體實(shí)施方式】一至八之一相同。
[0043]

【具體實(shí)施方式】十：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至九之一不同的是：步驟三中所 述的含丁醇的發(fā)酵液，通過(guò)氣提、蒸發(fā)工藝去除的含丁醇的發(fā)酵液的有機(jī)溶劑。其它與具體 實(shí)施方式一至九之一相同。

【具體實(shí)施方式】 [0044] 十一：本實(shí)施方式與一至十之一不同的是：步驟四中 所述的產(chǎn)氫培養(yǎng)基是由步驟三經(jīng)蒸餾脫水后得到的丁醇發(fā)酵殘液及步驟一得到的木糖液 混合物作為碳源，并加入營(yíng)養(yǎng)鹽溶液并通入濃度為99. 99 %高純氮?dú)?-10min制成，其中， 營(yíng)養(yǎng)鹽溶液按體積百分含量計(jì)，加入量為1%;所述營(yíng)養(yǎng)鹽溶液含質(zhì)量百分含量為10%的氯 化銨溶液、質(zhì)量百分含量為10%的氯化鈉溶液、質(zhì)量百分含量為30%的磷酸氫二鉀溶液、 質(zhì)量百分含量為15%的磷酸二氫鉀溶液、質(zhì)量百分含量為5%的半胱氨酸溶液、質(zhì)量百分 含量為5 %的MgCl2 · 6H20溶液溶液、質(zhì)量百分含量為2 %的氯化鉀、質(zhì)量百分含量為20% 的酵母粉溶液、質(zhì)量百分含量為20 %的蛋白胨溶液、10ml/L的微量金屬元素貯液、10ml/ L的維生素貯液和lmL質(zhì)量百分含量為0. 1%。的刃天青溶液及余量的水；所述微量金屬元 素貝亡液每1L由1. 5g的氯化亞鐵、70mg的氯化鋅、6mg的硼酸、0· lg的MnCl2 · 4H20、2mg的 CuCl2 · 2Η20、0· 19g 的 CoCl2 · 6H20、24mg 的 NiC12 · 6H20、36mg 的 Na2M04 · H20、15mg 的鎢酸 鈉和15mg的Na2Se04 ·5Η20組成；所述維生素吧液每1L由50. Omg的硫辛酸、20. Omg的生物 素、0· 35g的煙酸、5. Omg的鹽酸硫胺素、50. Omg的對(duì)氨基苯甲酸、20. Omg的葉酸、50. Omg的 泛酸鈣、1. 〇mg的維生素 B12和100. Omg的鹽酸吡哆醇組成。其它與一至十之 一相同。

【具體實(shí)施方式】 [0045] 十二：本實(shí)施方式與一至十一之一不同的是：步驟四 中所述的能利用木糖及葡萄糖的混合糖作為碳源產(chǎn)氫的微生物為常溫、嗜熱或極端嗜熱的 厭氧產(chǎn)氫菌。其它與一至十一之一相同。

【具體實(shí)施方式】 [0046] 十三：本實(shí)施方式與一至十二之一不同的是：所述的 微生物為常溫、嗜熱或極端嗜熱的厭氧產(chǎn)氫菌，購(gòu)買自菌種保藏中心，或者用富集培養(yǎng)的方 法篩選的菌株。其它與一至十二之一相同。

【具體實(shí)施方式】 [0047] 十四：本實(shí)施方式與一至十三之一不同的是：所述的 微生物為常溫、嗜熱或極端嗜熱的厭氧產(chǎn)氫菌為丁酸梭菌（Clostridium butylicum)、哈爾 濱產(chǎn)乙醇桿菌（Ethanoligenens harbinense)或熱解糖厭氧芽抱桿菌（Thermohydrogenium thermosaccharolyticum)。其它與一至十三之一相同。
[0048]

【具體實(shí)施方式】十五：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至十四之一不同的是：步驟四 中所述的能利用木糖及葡萄糖作為碳源產(chǎn)氫的微生物的種子液為接種量是2?5% (v/v) 的生長(zhǎng)至對(duì)數(shù)期的液體懸濁液。其它與【具體實(shí)施方式】一至十四之一相同。
[0049]

【具體實(shí)施方式】十六：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至十五之一不同的是：步驟五 中所述的將步驟四產(chǎn)氫發(fā)酵后產(chǎn)生的有機(jī)酸溶液回流到步驟三的丁醇發(fā)酵罐中，進(jìn)行丁醇 發(fā)酵，是指在步驟三中的發(fā)酵產(chǎn)丁醇開始10?20h后加入步驟四產(chǎn)氫發(fā)酵后產(chǎn)生的有機(jī)酸 溶液，并調(diào)節(jié)丁醇發(fā)酵罐中培養(yǎng)體系pH至5?6。其它與【具體實(shí)施方式】一至十五之一相同。

【具體實(shí)施方式】 [0050] 十七：本實(shí)施方式與一至十六之一不同的是：步驟二 中纖維素酶酶為商業(yè)酶或直接利用真菌發(fā)酵的粗酶液。其它與一至十六之一 相同。
[0051] 通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：
[0052] 實(shí)驗(yàn)
[0053] 根據(jù)圖1展示的本實(shí)驗(yàn)利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的工藝過(guò)程，將在 如下給出的工藝參數(shù)下運(yùn)行。
[0054] -、將粉碎后的玉米秸桿進(jìn)行預(yù)處理（1)，將木質(zhì)纖維素與體積百分含量為2. 0% 的HC1溶液按固液比1:10的比例混合，在100°C條件下處理2h，離心后收集纖維素固體部 分（2)及上清液半纖維素木糖液（3);
[0055] 二、將預(yù)處理后的玉米秸桿纖維素固體部分（2)經(jīng)纖維素酶水解，纖維素酶用量 按照50U/(g固體底物）加入纖維素酶液，然后在50°C、搖床轉(zhuǎn)速150?200r/min條件對(duì)預(yù) 處理后的纖維素固體（2)進(jìn)行酶水解48h，制得葡萄糖水解液（纖維素酶解液）；
[0056] 該步驟中將制得的葡萄糖水解液（纖維素酶解液）濃縮至含6?8%碳水化合物 的葡萄糖水解液（纖維素酶解液）（4);
[0057] 三、將步驟二得到的葡萄糖水解液（纖維素酶解液）（4)加入到混合裝置（5)中， 第一反應(yīng)階段的反應(yīng)混合物（7)(葡萄糖水解液（纖維素酶解液）和營(yíng)養(yǎng)鹽溶液混合液按 99 :1的比例混合）加入到丁醇發(fā)酵罐（8);將丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum ATCC824(保藏編號(hào)CGMCC1. 244))加入到發(fā)酵罐中進(jìn)行第一次接種，調(diào)節(jié)丁醇發(fā)酵罐（8)中 的反應(yīng)液pH至6?7,發(fā)酵過(guò)程中控制溫度在35°C ;
[0058] 在發(fā)酵產(chǎn)丁醇細(xì)菌如丁酸梭菌作用下，發(fā)酵產(chǎn)生大量丁醇以及乙醇、乙酸、丙酸、 丁酸等小分子有機(jī)酸副產(chǎn)物；
[0059] 該步驟的發(fā)酵產(chǎn)丁醇反應(yīng)是在丁醇發(fā)酵反應(yīng)器中進(jìn)行的，在反應(yīng)進(jìn)行10?15h 后，將糖葡萄糖水解液（纖維素酶解液）（4)和從產(chǎn)氫發(fā)酵罐出來(lái)的約含32mM乙酸和16mM 丁酸（pH約為5-5. 5)反應(yīng)混合物（6)以及產(chǎn)丁醇梭菌（C. acetobutylicum)加入到丁醇發(fā) 酵罐⑶中；
[0060] 在丁醇發(fā)酵罐（8)中，主要是產(chǎn)生丁醇（約7. 05g)、丙酮（約2. 5g)和乙醇，氫氣 (約4L)及C02(6L)氣體，由于丁醇和丙酮易揮發(fā)，因此，丁醇和丙酮在產(chǎn)丁醇發(fā)酵罐中（8) 被通過(guò)氣提或其他有效的工藝來(lái)移除，初級(jí)產(chǎn)物流出液（9)通過(guò)分離器（或冷凝器）（10) 來(lái)從H 2和C02(17)中分離丙酮和丁醇（16)。
[0061] 四、丁醇發(fā)酵次級(jí)產(chǎn)物流出液（11)依然含有約40mM的糖，鉀、磷、氮鹽，以及裂解 的梭菌細(xì)胞和芽孢，pH值下降到約5?6,該流出液（11)被送到混合裝置（12)中，同時(shí)將 預(yù)處理半纖維素水解液（3)輸送到混合裝置（12)中混合后將該混合液輸送到產(chǎn)氫發(fā)酵罐 (13)中，在產(chǎn)氫細(xì)菌的作用下產(chǎn)生約21^的氏和約1L的C02 (14)，這些氣體隨后被送到氣體 富集裝置（18)，流出液在加熱裝置（15)中的適當(dāng)加熱以活化其中的梭菌芽孢，隨后作為流 出液（6)循環(huán)回流到產(chǎn)丁醇發(fā)酵系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的耦合工藝。
[0062] 在氣體富集裝置中，約有6L的H2和約7L的C02被回收，C0 2 (19)可被循環(huán)回送到 產(chǎn)丁醇發(fā)酵罐（8)和產(chǎn)氫發(fā)酵罐（13)中。
[0063] 采用本實(shí)驗(yàn)的方法，使底物的能源轉(zhuǎn)化效率提高15?30% ;在底物利用率方面， ABE (丙酮-丁醇-乙醇）發(fā)酵殘余的碳水化合物能在產(chǎn)氫發(fā)酵過(guò)程中被繼續(xù)利用，避免了 這些殘余的原料被當(dāng)作廢物而丟棄；
[0064] 在產(chǎn)物回收方面，本實(shí)驗(yàn)的聯(lián)合工藝中，得到兩種含量較高的不同產(chǎn)物，即液體丁 醇以及主要含氫氣的氣體產(chǎn)物。丁醇是化工行業(yè)一種重要的原料，或者可以作為生物燃料 應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)中；氫氣則可以作為一種化工商品，或者作為生物燃料應(yīng)用于燃料電池； [0065] 在清潔生產(chǎn)方面，本實(shí)驗(yàn)的工藝過(guò)程開始于第一階段丁醇發(fā)酵，丁醇發(fā)酵產(chǎn)物被 移除回收，流出物隨后作為原料進(jìn)入第二階段產(chǎn)氫發(fā)酵，經(jīng)過(guò)產(chǎn)氫發(fā)酵后流出的液體再回 流到第一階段丁醇發(fā)酵體系中在ABE (丙酮-丁醇-乙醇）發(fā)酵過(guò)程被重吸收以此提高丁 醇產(chǎn)量，因此，本實(shí)驗(yàn)的工藝過(guò)程可謂是一個(gè)零浪費(fèi)和零排放的過(guò)程；
[0066] 在產(chǎn)物生產(chǎn)成本方面，ABE (丙酮-丁醇-乙醇）發(fā)酵和產(chǎn)氫發(fā)酵共同分擔(dān)產(chǎn)物回 收和純化的費(fèi)用，與兩者分開獨(dú)立進(jìn)行所需費(fèi)用進(jìn)行比較，成本大大降低。
[〇〇67] 因此，本實(shí)驗(yàn)以廉價(jià)木質(zhì)纖維素為底物，根據(jù)丁醇發(fā)酵過(guò)程中底物剩余及產(chǎn)氫發(fā) 酵過(guò)程中底物利用濃度及代謝產(chǎn)物乙酸丁酸積累特性，提出發(fā)酵木質(zhì)纖維素產(chǎn)丁醇-產(chǎn)氫 工藝。此藕聯(lián)工藝可使丁醇發(fā)酵殘余的碳水化合物能在產(chǎn)氫發(fā)酵過(guò)程中被繼續(xù)利用轉(zhuǎn)化為 產(chǎn)物氫氣。同時(shí)，產(chǎn)氫發(fā)酵殘夜中產(chǎn)生的乙酸丁酸又可回流到產(chǎn)丁醇發(fā)酵系統(tǒng)中強(qiáng)化丁醇 產(chǎn)量。該研究不僅提高了底物的轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)的能源回收率，同時(shí)也大大降低單純產(chǎn)丁 醇或產(chǎn)氫后剩余物質(zhì)可能的帶來(lái)的環(huán)境影響，在能源和環(huán)境領(lǐng)域具有重要意義。
【權(quán)利要求】
1. 利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，其特征在于它是按照以下步驟進(jìn)行 的： 一、 木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理：將木質(zhì)纖維素中的半纖維素制成為可溶性木糖液，得半纖 維素木糖液和固體； 二、 將步驟一預(yù)處理后的固體用纖維素酶，采用酶水解糖化方法進(jìn)行水解，濃縮后，得 到葡萄糖水解液； 三、 取能利用葡萄糖產(chǎn)丁醇的微生物，置于含有丁醇培養(yǎng)基的丁醇發(fā)酵罐中，發(fā)酵產(chǎn) 丁醇，得到含丁醇的發(fā)酵液，然后含丁醇的發(fā)酵液經(jīng)蒸餾脫水，獲得質(zhì)量百分含量為10? 15%的丁醇，并收集經(jīng)蒸餾脫水后的丁醇發(fā)酵殘液備用； 四、 將步驟三中經(jīng)蒸餾脫水后得到的丁醇發(fā)酵殘液加入到步驟一得到的半纖維素木糖 液中，混合后得產(chǎn)氫發(fā)酵底物，然后將產(chǎn)氫發(fā)酵底物加入到產(chǎn)氫發(fā)酵罐中，采用能利用木糖 及葡萄糖的混合糖作為碳源產(chǎn)氫的微生物，進(jìn)行產(chǎn)氫發(fā)酵獲得氫氣；其中，半纖維素木糖液 與丁醇發(fā)酵殘液的體積比為（1?3) :1 ; 五、 將步驟四產(chǎn)氫發(fā)酵后產(chǎn)生的有機(jī)酸溶液回流到步驟三丁醇發(fā)酵罐中，強(qiáng)化丁醇發(fā) 酵，即完成利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，其特征在 于步驟一中所述的木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理過(guò)程如下：將木質(zhì)纖維素與質(zhì)量百分含量為1? 2%的HC1溶液按固液比lg: 10mL的比例混合，在80?120°C條件下處理1?2h，離心后得 到得半纖維素木糖液和固體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，其特征在于 步驟二中所述的纖維素酶用量按照30?50U/g加入酶液，在50°C溫度下、搖床轉(zhuǎn)速150? 200r/min的條件下，進(jìn)行酶水解48h，得到葡萄糖水解液。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，其特征在于 步驟三中所述的能利用葡萄糖產(chǎn)丁醇的微生物為產(chǎn)溶劑型的梭菌。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，其特征在于 所述的產(chǎn)溶劑型的梭菌為丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、糖丁酸梭菌或丁酸梭菌。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，其特征在于 步驟三中所述的丁醇培養(yǎng)基是將步驟二得到的葡萄糖水解液加入營(yíng)養(yǎng)鹽溶液并通入濃度 為99. 99%高純氮?dú)庵瞥?；其中，高純氮?dú)獾耐ㄈ霑r(shí)間為5-10min，營(yíng)養(yǎng)鹽溶液按體積百分 含量計(jì)，加入量為1 %;所述營(yíng)養(yǎng)鹽溶液由質(zhì)量百分含量為20?40%的有機(jī)氮源溶液、質(zhì)量 百分含量為5?15%無(wú)機(jī)氮源溶液、質(zhì)量百分含量為5?20%的磷酸二氫鉀溶液、質(zhì)量百 分含量為5?15%的磷酸氫二鉀溶液、質(zhì)量百分含量為10?20%的氯化鈉溶液、質(zhì)量百分 含量為5%的半胱氨酸溶液、1〇1111/1的維生素儲(chǔ)液溶液、1〇1111/1的微量金屬元素儲(chǔ)液溶液、 lmL質(zhì)量百分含量為0. 1%。的刃天青溶液及余量的水組成；所述微量金屬元素儲(chǔ)液每1L由 1. 5g 的 FeCl2、70mg 的 ZnCl2、6mg 的硼酸、0· lg 的 MnCl2 · 4H20、2mg 的 CuCl2 · 2Η20、0· 19g 的 CoCl2 · 6H20、24mg 的 NiCl2 · 6H20、36mg 的 Na2M04 · H20、15mg 的 Na2W04 · 2H20 和 15mg 的 Na2Se04 ·5Η20組成；所述維生素貯液每1L由50. Omg的硫辛酸、20. Omg的生物素、0· 35g的煙 酸、5. Omg的鹽酸硫胺素、50. Omg的對(duì)氨基苯甲酸、20. Omg的葉酸、50. Omg的泛酸|丐、1. Omg 的維生素 B12和100. Omg的鹽酸吡哆醇組成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，其特征在于 步驟四中所述的產(chǎn)氫培養(yǎng)基是由步驟三經(jīng)蒸餾脫水后得到的丁醇發(fā)酵殘液及步驟一得到 的木糖液混合物作為碳源，并加入營(yíng)養(yǎng)鹽溶液并通入濃度為99. 99 %高純氮?dú)?-10min制 成，其中，營(yíng)養(yǎng)鹽溶液按體積百分含量計(jì)，加入量為1% ;所述營(yíng)養(yǎng)鹽溶液含質(zhì)量百分含量為 10%的氯化銨溶液、質(zhì)量百分含量為10%的氯化鈉溶液、質(zhì)量百分含量為30%的磷酸氫二 鉀溶液、質(zhì)量百分含量為15%的磷酸二氫鉀溶液、質(zhì)量百分含量為5%的半胱氨酸溶液、質(zhì) 量百分含量為5 %的MgCl2 · 6H20溶液溶液、質(zhì)量百分含量為2 %的氯化鉀、質(zhì)量百分含量 為20 %的酵母粉溶液、質(zhì)量百分含量為20 %的蛋白胨溶液、10ml/L的微量金屬元素貯液、 10ml/L的維生素貯液和lmL質(zhì)量百分含量為0. 1%。的刃天青溶液及余量的水；所述微量金 屬元素 C液每1L由1. 5g的氯化亞鐵、70mg的氯化鋅、6mg的硼酸、0. lg的MnCl2 ·4Η20、2π^ 的 CuC12 · 2Η20、0· 19g 的 CoC12 · 6H20、24mg 的 NiC12 · 6H20、36mg 的 Na2M04 · H20、15mg 的鎢 酸鈉和15mg的Na2Se04 ·5Η20組成；所述維生素吧液每1L由50. Omg的硫辛酸、20. Omg的生 物素、〇· 35g的煙酸、5. Omg的鹽酸硫胺素、50. Omg的對(duì)氨基苯甲酸、20. Omg的葉酸、50. Omg 的泛酸鈣、1. 〇mg的維生素 B12和100. Omg的鹽酸吡哆醇組成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，其特征在于 步驟四中所述的能利用木糖及葡萄糖的混合糖作為碳源產(chǎn)氫的微生物為常溫、嗜熱或極端 嗜熱的厭氧產(chǎn)氫菌。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，其特征在于 所述的常溫、嗜熱或極端嗜熱的厭氧產(chǎn)氫菌為丁酸梭菌、哈爾濱產(chǎn)乙醇桿菌或熱解糖厭氧 芽孢桿菌。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)丁醇和氫氣的方法，其特征在 于步驟五中所述的將步驟四產(chǎn)氫發(fā)酵后產(chǎn)生的有機(jī)酸溶液回流到步驟三的丁醇發(fā)酵罐中， 進(jìn)行丁醇發(fā)酵，是指在步驟三中的發(fā)酵產(chǎn)丁醇開始10?20h后加入步驟四產(chǎn)氫發(fā)酵后產(chǎn)生 的有機(jī)酸溶液，并調(diào)節(jié)丁醇發(fā)酵罐中培養(yǎng)體系pH至5?6。
【文檔編號(hào)】C12P3/00GK104087622SQ201410317335
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】曹廣麗, 楊謙, 王振宇, 趙磊, 姜成, 鄭炬, 付德豐 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)