利用木质纤维素水解液分段制备乙醇、丙酮和丁醇的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用木质纤维素水解液分段制备乙醇、丙酮和丁醇的方法。所述方法包括以下步骤：B，在木质纤维水解液中接入产乙醇菌株，进行乙醇的发酵生产，获得产物乙醇；C，然后再接入产丁醇菌株，进行丙酮和丁醇的发酵生产，获得产物丙酮和丁醇。所述方法可有效利用木质纤维素水解液中的戊糖和己糖制备乙醇、丙酮和丁醇，具备高底物转化效率，同时利用原位分离技术，实现产物的浓缩和富集，降低了乙醇、丙酮和丁醇的分离成本；且实现了农废木质纤维素资源的综合利用，变废为宝，减少环境污染，可持续供应再生燃料和化学品。

Preparation of ethanol, acetone and butanol by lignocellulose hydrolysate

The invention relates to a method for preparing ethanol, acetone and butanol by using lignocellulose hydrolysate. The method includes the following steps: B, the ethanol producing strain is produced in the lignocellulosic hydrolysate, the ethanol fermentation is produced, the product ethanol is obtained, the C is obtained, then the strain of butanol is added to the fermentation of acetone and butanol, and the product acetone and butanol are obtained. The method can effectively make use of pentose and hexose in lignocellulose hydrolysate to prepare ethanol, acetone and butanol, and have high substrate conversion efficiency. At the same time, in situ separation technology, the concentration and enrichment of products are realized and the separation cost of ethanol, acetone and butanol is reduced, and the resources of agricultural waste lignocellulose are realized. Combined utilization, turning waste into treasure, reducing environmental pollution, and continuously supplying renewable fuels and chemicals.

【技术实现步骤摘要】
利用木质纤维素水解液分段制备乙醇、丙酮和丁醇的方法
本专利技术属于发酵工程
，具体涉及一种利用木质纤维素水解液分段制备乙醇、丙酮和丁醇的方法。
技术介绍
随着化石能源日益消耗，化石能源的利用带来的环境问题与全球气候变化问题日益严重，因此利用生物质原料实现可再生生物燃料对传统化石燃料的替代，成为近年来研究和应用的重点。生物乙醇、丁醇是重要的平台化合物和化学品，同时也是理想的液体替代燃料。利用木质纤维素资源进行生物乙醇、丁醇的生产具有环境效益和经济效益。与生物乙醇相比，生物丁醇发酵过程中，由于产物相对复杂，对发酵底物的转化率低于乙醇发酵，导致其经济性不及生物乙醇。而在生物乙醇生产中，受制于野生酵母无法代谢利用木质纤维素中的戊糖成分，造成木质纤维底物无法被充分利用，造成生物资源的浪费。相比之下，产丁醇菌株普遍具备代谢利用戊糖的能力，若将两种发酵方式相结合，可以取长补短，获得底物对溶剂更大的转化率，降低木质纤维原料成本，获得更高的经济效益和价值。此外，在生物乙醇、丁醇生产过程中，由于产物抑制、底物毒性和底物浓度的限制，发酵产物浓度普遍较低，这导致相应过程的分离成本高。因此，有必要提供一种能够高效利用木质纤维底物，并将其有效转化成乙醇、丙酮和丁醇的低成本生产方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种利用木质纤维素水解液分段制备乙醇、丙酮和丁醇的方法，该方法解决了木质纤维底物利用不完全，产物浓度低，原料和分离成本高的问题，实现了农废木质纤维素资源的综合利用。为此，本专利技术一方面提供了一种利用木质纤维素水解液分段制备乙醇、丙酮和丁醇的方法，其包括：步骤B，在木质纤维水解液中接入产乙醇的发酵菌种，进行乙醇的发酵生产，获得产物乙醇；步骤C，然后再接入产丁醇的发酵菌种，进行丙酮丁醇的发酵生产，获得产物丙酮和丁醇。在本专利技术的一些实施例中，所述产物乙醇、及产物丙酮和丁醇通过分离后获得；所述产物乙醇在丙酮丁醇的发酵生产开始前单独进行分离，或产物乙醇在丙酮丁醇的发酵生产开始后再进行单独分离或与产物丙酮和丁醇同时分离。在本专利技术的另一些实施例中，所述分离的方法为原位分离或离线分离；优选所述分离的方法为原位分离。在本专利技术的一些实施例中，所述分离的方法包括蒸馏法、气提法、渗透汽化法、液液萃取法、吸附法、蒸汽渗透法、渗透萃取法中的一种或多种。在本专利技术的另一些实施例中，所述产乙醇的发酵菌种以种子液的形式接入木质纤维水解液中；所述种子液由能够代谢己糖产生乙醇且不能代谢戊糖的野生菌株或基因工程菌株培养制得；优选所述种子液由酿酒酵母培养制得。在本专利技术的一些实施例中，所述产丁醇的发酵菌种以种子液的形式接入木质纤维素水解液中；所述种子液由丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、梭状芽胞杆菌、巴氏梭菌、产孢梭菌，或经过基因改造后能够代谢戊糖生产丁醇的菌株培养制得。在本专利技术的另一些实施例中，所述木质维素水解液含有己糖和戊糖。在本专利技术的一些实施例中，所述乙醇发酵生产的温度为20-45℃，所述丙酮丁醇发酵生产的温度为25-50℃。根据本专利技术，所述方法还包括以下步骤A：将木质纤维原料经预处理和酶解后，获得木质纤维素水解液。在专利技术的一些实施例中，所述木质纤维原料包括玉米秸秆、高粱秸秆、稻秆、麦秆、油菜秆、硬木类木质纤维素、软木类木质纤维素和具备木质纤维素主要成分的材料中的一种或多种。本专利技术的有益效果为：本专利技术所述方法以木质纤维素酶水解液作为碳源，利用产乙醇菌株首先代谢利用木质纤维水解液中的己糖发酵生产乙醇，之后利用产丁醇菌株代谢木质纤维水解液中剩余的戊糖进行丙酮和丁醇的发酵生产；发酵过程中，利用原位分离手段分离得到高浓度的发酵产物，实现分段发酵和原位分离技术的耦合。该方法可有效利用木质纤维素水解液中的戊糖和己糖制备乙醇、丙酮和丁醇，具备高底物转化效率，同时利用原位分离技术，实现产物的浓缩和富集，降低了乙醇、丙酮和丁醇的分离成本；且实现了农废木质纤维素资源的综合利用，变废为宝，减少环境污染，可持续供应再生燃料和化学品。附图说明下面将结合附图来说明本专利技术。图1为实施例2发酵过程中发酵罐中乙醇、丙酮和丁醇的浓度变化示意图。图2为实施例2发酵过程中渗透汽化膜透过侧乙醇、丙酮和丁醇的浓度变化示意图。具体实施方式为使本专利技术容易理解，下面将详细说明本专利技术。如前所述，目前用于乙醇、丙酮和丁醇的生产方法中存在木质纤维底物利用不充分，或产物浓度低及产物分离成本高的问题。专利技术人通过研究发现，以木质纤维素酶水解液作为碳源，首先利用产乙醇菌株代谢利用其中的己糖发酵生产乙醇，之后再利用产丁醇菌株代谢剩余的戊糖进行丙酮和丁醇的发酵生产，可有效利用木质纤维底物中的糖分；另外，在发酵过程中采用原位分离手段分离发酵产物，可获得高浓度的发酵产物，同时可降低产物的分离成本，本专利技术正是基于上述方法做出的。为此，本专利技术所涉及的一种利用木质纤维素水解液分段制备乙醇、丙酮和丁醇的方法，其包括以下步骤：A，将木质纤维原料经预处理和酶解后，获得木质纤维素水解液；所述木质纤维原料可以是玉米秸秆、高粱秸秆、稻秆、麦秆、油菜秆等禾本类木质纤维秸秆的一种或多种，也可以是硬木类木质纤维素(黄杨、榉木和橡木等)和软木类木质纤维素(栓皮和水松等)的一种或多种，还可以是具备木质纤维素主要成分(纤维素、半纤维素和木质素)的材料，如报纸、纸浆等；优选所述木质纤维原料为半纤维素含量较高的木质纤维原料；所述木质纤维素原料中的纤维素对应于可发酵的己糖，半纤维素对应可发酵的戊糖；所述木质纤维素水解液中的含有己糖和产乙醇菌株无法代谢利用的戊糖；所述木质纤维素溶液中的己糖的浓度为60-300g/L，优选己糖的浓度为100-200g/L；戊糖的浓度为10-80g/L，优选戊糖的浓度为35-70g/L。B，在木质纤维水解液中接入产乙醇的发酵菌种，进行乙醇的发酵生产，获得产物乙醇；所述产乙醇的发酵菌种以种子液的形式接入；所述种子液的接种量为2％-20％(v/v)，优选种子液的接种量为10％(v/v)，其由能够代谢己糖产生乙醇且不能代谢戊糖的野生菌株或基因工程菌株培养制得；优选所述种子液由酿酒酵母培养制得；所述乙醇发酵生产的温度为20-45℃，优选所述乙醇发酵生产的温度为30-40℃；所述乙醇发酵生产的转速为160-200rpm。C，然后再接入产丁醇的发酵菌种，进行丙酮丁醇的发酵生产，获得产物丙酮和丁醇；所述产丁醇的发酵菌种以种子液的形式接入；所述种子液的接种量为5％-30％(v/v)，优选种子液的接种量为10％(v/v)，其由丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)、拜氏梭菌(Clostridiumbeijerinckii)、Clostridiumsaccaroperhutylacetonicum、Clostridiumsaccharoacetobutylicum、巴氏梭菌(Clostridiumpasteurianum)、产孢梭菌(Clostridiumsporogenes)、或经过基因改造后能够代谢戊糖生产丁醇的菌株培养制得；优选所述种子液由丙酮丁醇梭菌和拜氏梭菌培养制得；所述丙酮丁醇发酵生产的温度为25-50℃。在本专利技术的一些实施例中，所述产丁醇的发酵菌种的接入时间节点为乙醇的发酵生产过程中、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用木质纤维素水解液分段制备乙醇、丙酮和丁醇的方法，其包括：步骤B，在木质纤维水解液中接入产乙醇的发酵菌种，进行乙醇的发酵生产，获得产物乙醇；步骤C，然后再接入产丁醇的发酵菌种，进行丙酮丁醇的发酵生产，获得产物丙酮和丁醇。

【技术特征摘要】
1.一种利用木质纤维素水解液分段制备乙醇、丙酮和丁醇的方法，其包括：步骤B，在木质纤维水解液中接入产乙醇的发酵菌种，进行乙醇的发酵生产，获得产物乙醇；步骤C，然后再接入产丁醇的发酵菌种，进行丙酮丁醇的发酵生产，获得产物丙酮和丁醇。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产物乙醇、及产物丙酮和丁醇通过分离后获得；所述产物乙醇在丙酮丁醇的发酵生产开始前单独进行分离，或产物乙醇在丙酮丁醇的发酵生产开始后再进行单独分离或与产物丙酮和丁醇同时分离。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分离的方法为原位分离或离线分离；优选所述分离的方法为原位分离。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分离的方法包括蒸馏法、气提法、渗透汽化法、液液萃取法、吸附法、蒸汽渗透法和渗透萃取法中的一种或多种。5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述产乙醇的发酵菌种以种子液的形式接入；所述种子液由能够代谢己...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭天伟，蔡的，秦培勇，文皓，张长伟，胡嵩，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11