一种利用木质纤维素原料生产生物基化学品的方法与流程

本发明涉及生物和微生物，具体涉及一种利用木质纤维素原料生产生物基化学品的方法。

背景技术：

1、生物转化木质纤维素原料生产化学品，一般包括原料预处理、酶水解、发酵和产品分离等工序。木质纤维素原料经过预处理破坏了其致密结构，促进纤维素酶对纤维素的降解。但是，预处理过程产生有机酸类、醛类和酚类等抑制物。为了提高纤维素基质的可发酵性，发酵之前必须降低或完全脱除其中的抑制物。

2、以木质纤维素为基质发酵生产葡萄糖酸存在许多技术难点，目前有关利用木质纤维素原料生产葡萄糖酸的报道中采用的方法多为多相催化氧化法。采用这些方法生产葡萄糖酸的过程中，需要用到大量的硫酸、氢氧化钠等化学品，而催化剂多为na2cu(oh)4和金/磷钨杂多酸铯盐，这种方法虽然转化率高，但是所用催化剂在循环次数有限，单位产品的催化剂消耗量高，变相增加了葡萄糖酸产品的生产成本。

3、以木质纤维素为原料的柠檬酸发酵还处于研究的初级阶段。发酵结果与以淀粉、木薯为底物的结果大相径庭。张建安等人(微生物学杂志，2001，21(3)，5-8)以麦草纤维素酶解液为原料，利用黑曲霉发酵柠檬酸，发酵周期为104h，获得柠檬酸10.52g/l，糖转化率为60.80％。gurpreet singh dhillon等(biochemical engineering journal54(2011)83-92)利用黑曲霉(aspergillus nigernrrl567)在苹果渣超滤沉淀物-1(aps-1、悬浮颗粒45±5g/l)、苹果渣超滤沉淀物-2(aps-2、悬浮颗粒80g/l)、乳清(ls)、市政污泥(mss)、淀粉工业水(siw)中，筛选了最适合用于深层发酵的底物为aps-1，经3％乙醇诱导后，获得柠檬酸产量为18.2±0.4g/l。由于柠檬酸产量较低，所以，该工艺不具备产业化的前提。

4、以木质纤维素为基质发酵生产乳酸也存在技术难点，cui等人(bioresourcetechnology，2011，102(2)，1831-1836)研究了在37℃下，混合培养lactobacillusrhamnosus和lactobacillus brevis在3％固体含量下同步糖化与发酵玉米秸秆生产乳酸，最终得到的乳酸浓度为20g/l左右。尽管目前对利用木质纤维素生产乳酸的研究很多，但是由于缺乏能够处理高固体含量木质纤维素进行同步糖化与发酵的生物反应器，大多数研究都是在较低的固体含量下进行，发酵液中的乳酸浓度一般都低于50g/l，从而增加了后续乳酸分离的难度和成本。通常，大宗化学品在发酵液中的浓度低于100g/l，则此生产工艺不具有工业化的前景。

5、因此，选择合适的方法对木质纤维素原料进行处理，获得高产量和高得率的生物基化学品有待进一步研究。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种利用木质纤维素原料生产生物基化学品的方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种利用木质纤维素原料生产生物基化学品的方法，所述方法包括如下步骤：木质纤维素原料经过预处理和纤维素酶糖化后，接种宛氏拟青霉发酵培养获得抑制物含量降低的糖化液，控制发酵温度30～37℃，发酵时间6～24h；再使用抑制物含量降低的糖化液发酵生产生物基化学品；其中，所述宛氏拟青霉为宛氏拟青霉cathtd891，保藏编号为cctcc m20211366，于2021年11月4日保藏于中国典型培养物保藏中心。

4、于一些实施方式中，所述预处理包括但不限于稀酸预处理、碱预处理、蒸汽爆破预处理和有机溶剂预处理中的一种或多种。预处理过程中会产生对后续糖化以及发酵过程中有强抑制作用的副产物，例如，乙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛等抑制物。

5、于一些实施方式中，所述木质纤维素原料来自于农业废弃物，包括但不限于秸秆、稻草、稻壳、蔗渣、木材、木屑中的一种或多种。

6、于一些实施方式中，所述糖化液的固含量为15～35wt％，总糖含量为50～180g/l。所述糖化液通过利用纤维素酶对预处理物料进行糖化处理得到，包括多种可发酵糖，例如葡聚糖、葡寡糖、木聚糖、木寡糖、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等，从而得到高固含量、高糖浓度、高粘度的糖化液。发明人发现，通过木质纤维素生产生物基化学品，一般都追求高指标，这就要求生物炼制体系的固含量需要维持在一个较高的水平。过低的固含量会影响产品指标而且废水产生量巨大；而过高的固含量的糖化液会导致可发酵糖的释放变得十分困难且缓慢，最终也会影响产品指标。

7、于一些实施方式中，所述糖化的温度为30～60℃，优选为40～55℃，更优选为45～50℃，例如34℃，38℃，42℃，46℃，54℃，58℃等。

8、于一些实施方式中，所述糖化的时间为6～72h,优选为8～48h，更优选为12～24h，例如16h，26h，36h等。

9、于一些实施方式中，将上述脱毒糖化液进行发酵处理，以便得到生物基化学品，所述生物基化学品包括但不限于乙醇、乳酸、糖酸和氨基酸中的一种或多种。由此，经过宛氏拟青霉cathtd891生物降解处理的木质纤维素原料可直接用于后续高固含量生物加工过程，加工过程连续，且生物加工的生物基化学品满足工业化生产需求。

10、于一些实施方式中，判断降解过程的终点是所述抑制物含量降低的糖化液中乙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛的浓度均小于2g/l，进而小于1.5g/l，优选为所述抑制物含量降低的糖化液中乙酸的浓度为0～2g/l、糠醛的浓度为0～0.1g/l或5-羟甲基糠醛的浓度为0～0.1g/l。

11、本发明具有以下优点及技术效果：

12、(1)在高糖浓度、高固含量、高粘度的糖化液中降解抑制物，该过程中无需添加外源营养物质和水、无需调节底物酸性，不产生任何废水和固废，6～24h内便可脱除体系中全部的糠醛和5-羟甲基糠醛，并可将乙酸脱除至2g/l以下，整个过程可发酵糖的损失不超过2％；

13、(2)整个生产工艺连续，避免了频繁的反应器排空、清洗和操作切换等耗时费力的步骤，减轻了工艺负担，提高了工艺效率。

技术特征：

1.一种利用木质纤维素原料生产生物基化学品的方法，其特征在于，木质纤维素原料经过预处理和纤维素酶糖化后，接种宛氏拟青霉发酵培养获得抑制物含量降低的糖化液，控制发酵温度30～37℃，发酵时间6～24h，再使用抑制物含量降低的糖化液发酵生产生物基化学品；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素原料选自秸秆、稻草、稻壳、蔗渣、木材、木屑中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理选自稀酸预处理、碱预处理、蒸汽爆破预处理、离子液体预处理和有机溶剂预处理中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维素酶糖化获得的糖化液的固含量为15～35wt％，和/或，总糖含量为50～180g/l。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维素酶糖化时温度为30～60℃，和/或，时间为6～72h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抑制物包括乙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛中的至少之一。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物基化学品选自乙醇、乳酸、糖酸和氨基酸中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抑制物含量降低的糖化液中乙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛的浓度均小于2g/l，进而小于1.5g/l。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抑制物含量降低的糖化液中乙酸的浓度为0～2g/l、糠醛的浓度为0～0.1g/l或5-羟甲基糠醛的浓度为0～0.1g/l。

技术总结本发明公开了一种利用木质纤维素原料生产生物基化学品的方法。该方法包括：将木质纤维素原料依次经过预处理、纤维素酶糖化和宛氏拟青霉发酵降解抑制物和生物基化学品发酵。由此，整个生产工艺连续，提高了产品的产量，有利于工业化生产。技术研发人员：徐敏,郝英利,刘修才受保护的技术使用者：上海凯赛生物技术股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17