一种生物质材料高效低成本预处理结合固态发酵方法及在单细胞蛋白饲料生产中的应用技术

本发明专利技术公开高效低成本预处理结合固态发酵的生物质材料处理方法，其中，可阶段变温的连续汽爆可以实现生物质中纤维素，半纤维素，木质素的有效分离，且溶液偏中性而无需脱毒直接发酵，能耗大大降低；后续生物材料固态发酵过程中，添加选育出的可以高效利用木质纤维素的里氏木霉和黑曲霉菌株在利用生物质材料生长过程中分别向胞外分泌纤维素酶和β

【技术实现步骤摘要】
一种生物质材料高效低成本预处理结合固态发酵方法及在单细胞蛋白饲料生产中的应用


[0001]本专利技术涉及生物质的处理和饲料领域，具体涉及生物质材料高效低成本预处理方法及在单细胞蛋白饲料生产中的应用。

技术介绍

[0002]据估计，每年全球产生的农业废弃物约为 22亿吨（Kishore, V., Bhandari, P. M., P. Gupta, P. (2004). Biomass energy technologies for rural infrastructure and village power—opportunities and challenges in the context of global climate change concerns. Energy Policy, 32,801
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810. doi:10.1016/S0301
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4215(03)00002
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8）,我国是世界上最大的农业国农业秸秆总量7.8亿吨，其所含能量约4.5亿吨标准煤，占我国有机废弃物资源总量的60%，绝大部分都未能得到有效利用，造成了巨大的浪费和环境问题(Wu, Z., Zhang, M., Wang, L. (2013). Biomass digestibility is predominantly afected by three factors of wall polymer features distinctive in wheat accessions and rice mutants. Biotechnology for Biofuels, 6(1), 183；Qu, Y.B., Fang, X. (2018). Fungal cellulolytic enzymes: Microbial production and application. Springer nature.)。据我国统计数据显示，目前我国农作物秸秆除了作为饲料、工业原料外，绝大部分作为农村的初级燃料，利用效率极低，而且造成了严重的环境污染。农业废弃物高值化利用已成为我国经济、社会可持续发展的一个重要方向。
[0003]农业废弃物玉米秸秆一年就生产高达3.6亿吨，玉米芯一年产量为1亿吨以上，甘蔗渣也有近1亿吨产量。玉米秸秆蕴含着与普通粮食基本相当的总能并且还含有许多对畜禽生长发育有益的营养物质。是尚未充分开发利用的最大量的碳水化合物资源，是非常宝贵的生物资源。但随着近年来玉米和甘蔗种植的迅速发展，一南一北两大特色农业废弃物的处理却成为大的难题。另一方面, 传统农业蛋白质原料资源短缺是制约饲料业和畜牧业发展的首要问题。大豆是重要的传统蛋白质原料，每年大豆进口量均在9000万吨左右，而进口量的三分之二用于饲料部分(尹杰, 刘红南, 李铁军.(2019) 我国蛋白质饲料资源短缺现状与解决方案. 中国科学院院刊, 34(01), 97
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101.)。由于我国饲用粮短缺,人畜争粮现象进一步加剧,严重威胁了粮食安全。面对粮食短缺和潜在的农业废弃物饲料资源的浪费，对秸秆资源的开发利用显得意义重大。近年来，玉米秸秆在青贮饲料、直接还田肥料领域得到广泛的应用。青贮秸秆饲料不足之处是无法改变玉米秸秆低蛋白含量的限制，单一使用无法满足动物对蛋白的需求。秸秆发酵饲料仍停留在实验室或小型生产规模，秸秆发酵饲料中粗蛋白质含量可以提升到16
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25%，但氨基酸含量一般仅为12%左右。玉米芯和甘蔗渣资源开发为初级饲料，消化率很低。而农业废弃物利用生物固态发酵方法生产饲料蛋白，通过其高蛋白含量、优氨基酸配比的特性有效地提升秸秆饲料的营养品质，提升畜禽动物对农业废弃物来源的蛋白饲料消化利用率，从而提升畜禽免疫力。农业废弃物规模化生物合成饲料蛋白是低成本健康养殖的最佳出路，农业废弃物规模化生产饲料蛋白是解决农业
废弃物综合利用问题的理想途径。所以现有的技术利用农业废弃物开发的单细胞产品中真蛋白含量不高，成本不低，农业废弃物发酵单细胞蛋白仍无大规模产业化生产，还无法实现传统农业蛋白的替代。
[0004]主要原因有两点，一是农业废弃物大部分为木质纤维素类材料，抗降解屏障较为顽固，抗营养因子仍在，如何开发高效低成本的预处理工艺及设备，应对规模化处理秸秆；农业废弃物原料秸秆组分复杂、结构不均一、 组分间结合紧密、抗降解能力强。目前将秸秆转化成高值化产品，预处理是必不可少的过程。通过预处理可以部分的去除半纤维素及木素成分、降低纤维素的结晶度、增加纤维素酶与底物的接触面积、提高纤维素酶的可及性，从而提高酶的降解纤维素的效率。
[0005]一般情况下，预处理被分为生物预处理法、物理预处理法和化学预处理法， 或者是这些方法相结合。物理预处理主要是通过对生物质的破碎、研磨等机械手 段将生物质变成较小的颗粒,增加酶对纤维素的接触面积，同时还可能部分地破 坏纤维素的结晶结构。但机械粉碎处理方式存在能耗大的缺点。化学预处理就 是在高温高压下利用加入的催化剂去除木质纤维原料中的半纤维素、木素，或者 是改变原料的致密结构以利于纤维素酶的酶解。
[0006]酸碱预处理往往具有较强的腐蚀性、毒性和危险性,对反应容器的耐腐蚀性要求较高,并且在使用后因经济性原因还要回收,故其实际应用较少。有机溶剂预处理是借助有机溶剂或有机溶剂的水溶液在无机酸的催化作用 下破坏半纤维素和木质素的内结点而实现纤维素和木质素、半纤维素的分离；为了经济可行和不至于抑制下一步的酶水解和发酵工艺,反应结束后必须对有机溶 剂进行蒸发、浓缩、回收，相对操作步骤较为繁琐。生物预处理法的优点是能耗小、对环境友好,但存在降解速度慢的缺点。目前，可工业应用放大的预处理技术只有蒸汽爆破预处理技术。蒸汽爆破是指植物原料在高温、高压蒸汽中蒸煮,产生一些酸性物质,使半纤维素降解成可溶性糖,同时细胞壁的复合胞间层中的木质素软化和部分降解,从而削弱了纤维间的粘结,再通过蒸汽爆破瞬间完成的绝热膨胀过程对外做功,使物料从胞间层解离成单个纤维细胞（Chen H, Lan W. 2017. Chapter 3
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Pretreatment Strategies for Biochemical Conversion of Biomass. Technol. Biochem. Convers. Biomass, Elsevier, 21
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64.）。目前的这些商业化预处理工艺往往是通过加大预处理强度，破坏木质纤维素解构，减少酶用量。但这些预处理技术和工艺普遍存在能耗和成本过高的问题，同时还伴随大量酶解抑制物和三废的产生，绝大多数预处理工艺难以实现产业化推广应用（岳国君.2014.纤维素乙醇工程概论，化学工业出版社.）。
[0007]同时，在产业化粗放条件下混菌发酵工艺无法调控，现有国内老一代微生物菌体蛋白的生产菌种存在秸秆转化效率低、必需氨基酸积累量少，蛋白质合成能力不足等问题，农业废弃物固态发酵生产饲料品质相对较低，无法重现实验本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效低成本预处理结合固态发酵的生物质材料处理方法，其特征在于，包括如下步骤：1）生物质材料蒸煮阶段；农业废弃物生物质材料玉米秸秆、玉米芯、甘蔗渣中一种或多种，于硫酸溶液浸泡，并升温增压；2）生物质材料爆破阶段：降压爆破；3）分别取上述方法预处理的生物质材料加水，添加里氏木霉和黑曲霉孢子液进行固态发酵；其中，所述黑曲霉的保藏号为：CGMCC No.22465；所述里氏木霉菌的保藏号为：CGMCC No. 21470。2.如权利要求1所述的生物质材料处理方法，其特征在于，第1）步中升温增压是升温至140
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180℃，保温时间4
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10min，压力0.8
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1.0Mpa。3.如权利要求1所述的生物质材料处理方法，其特征在于，第2）步中，降压爆破将压力降至0.4
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0.7Mpa，保持相同温度4
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8min。4.如权利要求1所述的生物质材料处理方法，其特征在于，第3）步中，固态发酵是在25
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35℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：高乐，吴信，贾文娣，
申请(专利权)人：中国科学院天津工业生物技术研究所，
类型：发明
国别省市：