[发明专利]一种纤维素原料的糖化方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物能源工业领域，具体的是采用高温细菌及其特有的纤维素酶系统对纤维素原料进行糖化的方法。

背景技术

随着世界经济的发展，温室气体排放、全球气候变暖、流行疾病等越来越威胁着人类自身的生存安全。如何处理好人类与自然环境的关系，维持好生态平衡，成为各国政府未来面临的最大挑战。唯一的解决途径是我们需逐渐摆脱对化石能源的依赖，寻找没有污染的替代性能源。而纤维素是地球上最丰富的可再生资源，每年陆生植物就可以产生纤维素大约500亿吨。此外，纤维素资源还是最主要的生物质资源，它占地球生物总量的60-80％。我国的纤维素原料非常丰富，仅农作物秸秆、皮壳一项，每年产量就达7亿多吨，其中玉米秸秆(35％)、小麦秸秆(21％)和稻草(19％)是我国的三大秸秆资源。纤维素类资源具有来源丰富、种类多、生产周期短等优点，因此如何有效地利用这些纤维素具有非常重要的战略意义。

传统的纤维素原料生产生物燃料过程包括预处理、纤维素和半纤维素水解糖化和酵母发酵等环节。其中，纤维素和半纤维素预处理和水解糖化技术是制约生产生物燃料的关键环节。目前，生产商普遍采用的纤维素糖化方法为：先用高温高压汽爆法或者浓硫酸水解法，然后采用来自真菌的纤维素酶降解。但是这些方法存在成本高、污染严重等高耗能问题，且产生如糠醛、有机酸、芳香族化合物等化学抑制剂，对后续的产乙醇发酵存在抑制作用。此外，来自真菌的纤维素酶不耐高温、不耐化学抑制物等问题。因此，现有方法严重制约植物纤维质的开发利用。针对纤维素原料预处理存在的诸多问题，本发明公开了一种利用高温菌如热纤梭菌(Clostridium thermocellum)及其分泌的纤维素酶进行纤维素原料糖化的方法。通过本发明优化发酵条件及其酶反应条件，大大提高了对不经过预处理的纤维素原料进行糖化的酶解速率和产量。严格厌氧纤维素降解菌是一类能够直接利用纤维素进行生长的微生物。它们分泌产生一种超分子多蛋白亚基的纤维素酶复合体-纤维小体，能够有效降解植物细胞壁。纤维小体被认为是自然界已知的水解不溶性纤维素的最有效的酶系统。与真菌的非纤维小体酶系相比，纤维小体酶组分更复杂(热纤梭菌有七十多种组分)、功能更为全面。纤维小体的各组分之间比例精确，空间上具有更优的协同作用能力，能够降解结构更为复杂的结晶纤维素和木质纤维素。同时，本发明采用高温细菌进行纤维素糖化发酵，不仅可以降低发酵过程中出现杂菌污染的概率，而且由于其分泌的纤维素酶具有更好的热稳定性，能够持续更长的发酵时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维素原料的糖化方法。通过该方法，秸秆等纤维素原料不经过任何酸或碱等方法的预处理，可以直接被利用，大大降低了纤维素生物燃料的生产成本。克服了传统纤维素预处理过程中能耗大、污染严重和对设备的苛刻要求等不足，因此提高了经济性能，有利于我国低碳经济的发展。

为实现上述目的，本发明提供的纤维素原料的糖化方法，其主要步骤为：

1)将纤维素原料烘干后粉碎至20-60目，按固液质量比1∶10-1∶50加入GS-2液体培养基；

2)将嗜热厌氧纤维素降解菌接种到含有碳源的液体培养基中，于50-60℃厌氧培养至OD₆₀₀为0.5-1.5，制备嗜热厌氧纤维素降解菌的种子液；

3)将种子液接种至步骤1中含纤维素原料的液体培养基中，50-60℃厌氧密封发酵至纤维素原料利用完全；

4)固液分离，取上清液。

本发明的纤维素原料的糖化方法，其主要步骤还可以是：

1)将嗜热厌氧纤维素降解菌接种到含有碳源的GS-2液体培养基中，于50-60℃厌氧培养至OD₆₀₀为0.5-1.5，制备嗜热厌氧纤维素降解菌的种子液；

2)将种子液按1-15％的接种量接种至步骤1的GS-2液体培养基中，于50-60℃厌氧密封发酵至纤维素原料利用完全；

3)将步骤2中的发酵液离心，冷却后，上清液中加入100-200目的纤维素颗粒；

4)提取步骤3产物中的纤维小体，按10-50U/g比例加入至含有固液质量比1∶10-1∶50纤维素颗粒和pH为6-7磷酸盐缓冲液的悬浮液中，50-70℃进行酶解；磷酸盐缓冲液的组成为：0.07-0.137mol/L磷酸二氢钠，0.01-0.063mol/L磷酸氢二钠，3-5mM氯化钙，20-25mM乙酸钠；

5)固液分离，取上清液。