一种利用玉米秸秆水解液耦合合成气发酵生产丁醇的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用玉米秸秆水解液耦合合成气发酵生产丁醇的方法，其以稀硫酸预处理的玉米秸秆为原料，通过添加纤维素酶和木聚糖酶对玉米秸秆进行酶解糖化获得玉米秸秆水解液，然后再以玉米秸秆水解液为原料，首先利用酪丁酸梭菌Clostridium tyrobutyricum ATCC25755进行丁酸发酵，然后接种能够转化有机酸为对应醇的菌株Clostridium ljungdahlii ATCC 55380并通入合成气实现发酵生产丁醇。本发明专利技术方法中所用材料来源广泛、副产物少，不仅实现了农业废弃物资源的合理利用，而且减少了环境污染，同时也为丁醇的生产提供了一条新途径。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于农业生物质能源
，具体涉及一种利用玉米秸秆水解液耦合合成气发酵生产丁醇的方法。
技术介绍
我国的生物质资源十分丰富，玉米秸秆作为我国第一大秸秆资源，年产量超过2亿吨，约占总秸秆资源的35%，主要成分为木质纤维素，经酸或酶水解后可以产生低聚糖、戊糖和己糖等，是一种优良的生物质资源。露天焚烧或者作为生活燃料燃烧是目前秸秆的主要处理方式，既浪费了资源又对环境造成了污染。随着能源危机和环境污染等问题的日益严重，生物质能源以其清洁和可再生的特性受到广泛的关注，以木质纤维素为原料生产乙醇已成为当前领域的热点。与乙醇相比，丁醇无论是在能量密度还是与汽油的配伍性上都具有明显的优势，是一种优良的生物质燃料。目前的生产方法主要有化工合成法和生物发酵法。然而随着化石能源的枯竭，化工合成法在可持续性上受到很大的限制。而传统的丙酮丁醇发酵法副产物较多，底物转化率低，并且原料来源主要是玉米和糖蜜，成本较高。探索一条新的丁醇生产途径具有十分重要的意义。合成气来源于煤、石油、生物质和有机废物的气化，其主要成份为CO、Ｈ2和CO2，还含有少量甲烷和硫氮化合物，可通过厌氧发酵转化为甲烷、乙醇、乙酸、丁醇和丁酸等燃料和化学品，来源广泛且价格低廉。生物质的气化过程可以消除不同原料间的化学差异性，一些有毒物质和难以降解的有机物也可以被利用，可以直接越过传统生物转化过程中木质素难以充分利用的障碍，因此合成气厌氧发酵技术被认为是一项极具潜力和竞争力的技术。目前合成气的研究主要集中在制乙醇和丁醇上，将有机酸转化为相应醇的研究也越来越多。本专利技术利用混合菌发酵的技术，研究了以玉米秸秆水解液为原料耦合合成气发酵生产丁醇的方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术缺陷，提供一种利用玉米秸秆水解液耦合合成气发酵生产丁醇的方法，其材料来源广泛，副产物少，不仅实现了资源的合理利用，而且减少了环境污染，同时也为丁醇的生产提供了一条新途径。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种利用玉米秸秆水解液耦合合成气发酵生产丁醇的方法，其以玉米秸秆水解液为原料，首先利用酪丁酸梭菌（ClostridiumtyrobutyricumATCC25755）进行丁酸发酵，然后接种能够转化有机酸为对应醇的菌株ClostridiumljungdahliiATCC55380并通入合成气进行丁醇发酵；具体包括如下步骤：（1）玉米秸秆水解液制备：将玉米秸秆与1wt%的稀硫酸按固液比1g：7－9ml的比例混合均匀，121℃灭菌处理1－2h，调节pH至4.7－4.9后加入纤维素酶和木聚糖酶进行酶解糖化，获得玉米秸秆水解液；（2）玉米秸秆水解液脱毒：将D301阴离子交换树脂置于三角瓶中，然后加入步骤（1）制备所得的玉米秸秆水解液进行摇床震荡处理，处理结束后过滤，取滤液备用；（3）菌种活化：将酪丁酸梭菌ClostridiumtyrobutyricumATCC25755、菌株ClostridiumljungdahliiATCC55380分别接种到液体活化培养基中，37℃厌氧静置培养1.5－2天，获得酪丁酸梭菌种子液、菌株Clostridiumljungdahlii种子液；（4）丁酸发酵：向步骤（2）所得滤液中添加发酵培养基，然后接种酪丁酸梭菌种子液于37℃厌氧培养60－72h，获得丁酸发酵后的水解液；（5）合成气丁醇发酵：以步骤（4）所得丁酸发酵后的水解液为基质，加入储备液和维生素溶液，然后接种菌株Clostridiumljungdahlii种子液，最后通入合成气于37℃厌氧培养5－6天即得。具体的，步骤（1）中，纤维素酶的用量为15－20U/g秸秆，木聚糖酶的用量为200－220U/g秸秆；酶解糖化的条件为48℃、120rpm－150rpm摇床振荡48－60h。步骤（2）具体为：将100gD301阴离子交换树脂置于500ml三角瓶中，然后加入300ml步骤（1）制备所得的玉米秸秆水解液，在摇床中于28－32℃、120rpm震荡处理1－1.5h后过滤。步骤（3）中，酪丁酸梭菌ClostridiumtyrobutyricumATCC25755使用的液体活化培养基组成为：30g/L葡萄糖，5g/L酵母膏，5g/L蛋白胨，6g/LNaC1，3g/L(NH4)2·SO4，1.5g/LK2HPO4，0.6g/LMgSO4·7H2O，0.03g/LFeSO4·7H2O，0.3g/LL-盐酸半胱氨酸，0.5mg/L刃天青（用作无氧指示剂），pH6.0。步骤（3）中，菌株ClostridiumljungdahliiATCC55380使用的活化培养基组成为：0.80g/LNaC1，1.0g/LNH4C1，0.10g/LKCl，0.2g/LMgSO4·7H2O，0.04gCaCl2，0.2g/LKH2PO4，1.0g/LNaHCO3，1.0g/L酵母膏，5.0g/LMES（2-吗啉乙磺酸），5.0g/L木糖，0.4g/LL-盐酸半胱氨酸，10ml/L微量金属元素溶液，10ml/L维生素溶液，0.5mg/L刃天青（用作无氧指示剂），pH5.80；其中，微量金属元素溶液的配方如下：2.0g/L氨三乙酸，1g/L硫酸锰，0.8g/L硫酸亚铁铵，0.2g/L氯化钴，0.2g/L硫酸锌，0.02g/L氯化铜，0.02g/L氯化镍，0.02g/L钼酸钠，0.02g/L硒酸铵，0.02g/L钨酸钠；维生素溶液的配方如下：10mg/L维生素B6，5mg/L硫胺素，5mg/L维生素B2，5mg/L泛酸钙，5mg/L硫辛酸，5mg/L对氨基苯甲酸，5mg/L烟碱酸，5mg/L维生素B12，2mg/L生物素，2mg/L叶酸。上述的活化培养基均经过沸水浴煮沸除氧，添加刃天青脱氧至瓶内由粉色转为无色，121℃灭菌20min。接种前添加维生素溶液（经0.22μm微孔滤膜过滤）。酪丁酸梭菌Clostridiumtyrobutyricum的接种量为5%，菌株Clostridiumljungdahlii的接种量为10%，接种操作均在厌氧培养箱中完成，培养条件均为37℃厌氧静置培养。步骤（4）中，所述发酵培养基组成为：5g/L酵母膏，5g/L蛋白胨，6g/LNaC1，3g/L(NH4)2·SO4，1.5g/LK2HPO4，0.6g/LMgSO4·7H2O，0.03g/LFeSO4·7H2O，0.5mg/L刃天青，pH用10mol/LNaOH溶液调至6.0。步骤（4）制备所得丁酸发酵后的水解液分装至250ml厌氧瓶，装液量20ml。酪丁酸梭菌Clostridiumtyrobutyricum的接种量为5%。步骤（5）具体为：向步骤（4）所得丁酸发酵后的水解液中添加60ml储备液和0.8ml维生素溶液，然后接种10%菌株Clostridiumljungdahlii种子液，通入200ml合成气，于37℃、150rpm厌氧培养5－6天，每天补加100ml合成气；所述合成气中各原料气的体积百分比为：CO60%、Ｈ235%和CO25%；所述储备液配方如下：1L储备液中含有20gMES，10ml微量金属元素溶液，0.2gL-盐酸半胱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用玉米秸秆水解液耦合合成气发酵生产丁醇的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）玉米秸秆水解液制备：将玉米秸秆与1wt%的稀硫酸按固液比1g：7－9ml的比例混合均匀，121℃灭菌处理1－2h，调节pH至4.7－4.9后加入纤维素酶和木聚糖酶进行酶解糖化，获得玉米秸秆水解液；（2）玉米秸秆水解液脱毒：将D301阴离子交换树脂置于三角瓶中，然后加入步骤（1）制备所得的玉米秸秆水解液进行摇床震荡处理，处理结束后过滤，取滤液备用；（3）菌种活化：将酪丁酸梭菌Clostridium tyrobutyricum ATCC 25755、菌株Clostridium ljungdahlii ATCC 55380分别接种到液体活化培养基中，37℃厌氧静置培养1.5－2天，获得酪丁酸梭菌种子液、菌株Clostridium ljungdahlii种子液；（4）丁酸发酵：向步骤（2）所得滤液中添加发酵培养基，然后接种酪丁酸梭菌种子液于37℃厌氧培养60－72h，获得丁酸发酵后的水解液；（5）合成气丁醇发酵：以步骤（4）所得丁酸发酵后的水解液为基质，加入储备液和维生素溶液，然后接种菌株Clostridium ljungdahlii种子液，最后通入合成气于37℃厌氧培养5－6天即得。...

【技术特征摘要】
1.一种利用玉米秸秆水解液耦合合成气发酵生产丁醇的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）玉米秸秆水解液制备：将玉米秸秆与1wt%的稀硫酸按固液比1g：7－9ml的比例混合均匀，121℃灭菌处理1－2h，调节pH至4.7－4.9后加入纤维素酶和木聚糖酶进行酶解糖化，获得玉米秸秆水解液；（2）玉米秸秆水解液脱毒：将D301阴离子交换树脂置于三角瓶中，然后加入步骤（1）制备所得的玉米秸秆水解液进行摇床震荡处理，处理结束后过滤，取滤液备用；（3）菌种活化：将酪丁酸梭菌ClostridiumtyrobutyricumATCC25755、菌株ClostridiumljungdahliiATCC55380分别接种到液体活化培养基中，37℃厌氧静置培养1.5－2天，获得酪丁酸梭菌种子液、菌株Clostridiumljungdahlii种子液；（4）丁酸发酵：向步骤（2）所得滤液中添加发酵培养基，然后接种酪丁酸梭菌种子液于37℃厌氧培养60－72h，获得丁酸发酵后的水解液；（5）合成气丁醇发酵：以步骤（4）所得丁酸发酵后的水解液为基质，加入储备液和维生素溶液，然后接种菌株Clostridiumljungdahlii种子液，最后通入合成气于37℃厌氧培养5－6天即得。2.根据权利要求1所述利用玉米秸秆水解液耦合合成气发酵生产丁醇的方法，其特征在于，步骤（1）中，纤维素酶的用量为15－20U/g秸秆，木聚糖酶的用量为200－220U/g秸秆；酶解糖化的条件为48℃、120－150rpm摇床振荡48－60h。3.根据权利要求1所述利用玉米秸秆水解液耦合合成气发酵生产丁醇的方法，其特征在于，步骤（2）具体为：将100gD301阴离子交换树脂置于500ml三角瓶中，然后加入300ml步骤（1）制备所得的玉米秸秆水解液，在摇床中于28－32℃、120rpm震荡处理1－1.5h后过滤。4.根据权利要求1所述利用玉米秸秆水解液耦合合成气发酵生产丁醇的方法，其特征在于，步骤（3）中，酪丁酸梭菌ClostridiumtyrobutyricumATCC25755使用的液体活化培养基组成为：30g/L葡萄糖，5g/L酵母膏，5g/L蛋白胨，6g/LNaC1，3g/L(NH4)2·SO4，1.5g/LK2HPO4，0.6g/LMgSO4·7H2O，0.03g/LFeSO4·7H2O，0.3g/LL-盐酸半胱氨酸，0.5mg/L刃天青，pH6.0。5.根据权利要求1所述利用玉米秸秆水解液耦合合成气发酵生产丁醇的方法，其特征在于，步骤（3）中，菌株ClostridiumljungdahliiATCC55380使用的活化培养基组成为：0.80g/LNaC1，1.0g/LNH4C1，0.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王风芹，苏增平，宋安东，谢慧，毛国涛，杨森，
申请(专利权)人：河南农业大学，
类型：发明
国别省市：河南;41