[发明专利]利用好氧菌和厌氧菌共培养发酵生产丁醇的方法及装置

说明书

本发明提供了一种利用好氧菌和厌氧菌共培养发酵生产丁醇的方法及装置。所述方法包括以下步骤：（1）在含有酶解玉米秸秆或甘蔗渣的培养液中设置筛孔塔板，通过筛孔塔板将培养液划分为上层区域以及下层区域；（2）将活化的好氧木质素降解菌接种到步骤（1）中所述的上层区域进行发酵，得到发酵液体系；（3）将活化的拜氏梭菌接种到步骤（1）中所述的下层区域，继续发酵生产丁醇。本发明通过物理隔离的方式将木质素降解和丁醇发酵在同体系中进行，工艺简化，同时利用了木质素原料，提高了丁醇的产量，对丁醇的微生物工业应用具有重要意义。

技术领域

本发明属于微生物发酵领域，具体涉及一种利用好氧菌和厌氧菌共培养发酵生产丁醇的方法及装置。

背景技术

与燃料乙醇相比，燃料丁醇具有能量密度高、挥发性低的特点，能提高燃油效率和更长的行驶里程；发动机燃烧时不产生SOx或NOx，与汽油混合宽容度大，无需对车辆进行改造；腐蚀性较小，适用于现有燃料供应和分销系统。

工业微生物生产丁醇的工艺是以淀粉、木薯等农副产品，或者糖蜜、甘蔗、甜菜等糖类产品为原料，经过预处理得到含糖水溶液，接入产丁醇菌种（多数为厌氧梭菌，例如拜氏梭菌、丙酮丁醇梭菌），进行丙酮丁醇（ABE）发酵，发酵液精馏后得正丁醇。上述工艺设备与燃料乙醇生产相似，原料价廉、来源广泛、投资较小，发酵时条件温和、不需贵重金属催化剂。

传统生物丁醇发酵工艺普遍存在（1）丁醇产量和产率低；（2）溶剂终浓度低，常规精馏方法能耗高；（3）丁醇在发酵总溶剂中的占比低，丁醇分离的成本高；（4）普遍采用玉米、糖蜜等粮食原料进行生产，原材料的成本较高，存在“与人争粮”。

因此，为降低原料成本，拓展了发酵原料品种，例如利用价廉易得的一些农业废弃物，如玉米秸秆、甘蔗渣、稻草、果园残次果等。

在玉米秸秆和甘蔗渣等木质纤维素的预处理方法中，通常会使用稀酸、稀碱、氨爆、汽爆等预处理工艺，木质纤维类原料会产生一定浓度的可溶性木质素，对随后的微生物发酵产生毒害作用，而开发化学和生物方法脱毒水解物，研究脱毒机理，对加快发酵效率，降低工艺成本具有重要意义。

许多生物质降解的研究已证明：木质素聚合物降解途径的第一步是解聚成木质素单体。木质素单体主要有三种，分别是香草醛，对香豆酸和丁香酸。其中香草醛和丁香酸的中间代谢产物是愈创木酚和邻苯二酚-二羟基苯；对香豆酸和丁香酸的中间代谢产物是对羟基苯甲酸，都是带有苯环的化学物质。某些微生物可以将上述的中间代谢产物进一步开环裂解，产生低分子量的酸（丁酸、丙戊酸、草酸和丙酸）和醇（乙醇和乙二醇）。

CN 107760753A公开了一种利用热解糖高温厌氧菌和丙酮丁醇梭菌共培养发酵生产丁醇的方法。将活化的热解糖高温厌氧菌接种到含有木聚糖的发酵培养基中进行发酵，得到发酵液，将活化的丙酮丁醇梭菌接种到前述发酵液中发酵生产丁醇。但该发明未涉及到复杂原料（如玉米秸秆）中木质素的降解和转化。

在现有工业微生物发酵制备丁醇技术途径中，主要采用丙酮丁醇梭菌和拜氏梭菌，为降低原料成本，玉米秸秆和甘蔗渣等木质纤维素原料被广泛采用，但预处理过程中容易产生可溶性木质素，对后续发酵的菌株具有毒害作用，而通过水洗浸泡等工艺，不仅增加了操作步骤，而且会大量浪费水。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用好氧菌和厌氧菌共培养发酵生产丁醇的方法及装置。以克服生物丁醇的工业微生物发酵工艺中，针对玉米秸秆和玉米渣等农林业废弃物，在稀酸、稀碱、氨爆、汽爆等预处理方法中，所产生的可溶性木质素对后续微生物发酵的毒害作用。

本发明通过在化学（和/或物理）预处理秸秆或甘蔗渣的酶解糖化水解液中，在发酵反应体系的上层区域添加一种或多种好氧木质素降解菌株。发酵一段时间后，在下层区域添加厌氧的产丁醇梭菌。这种分层式共培养的发酵方式可原位地降低木质素含量，同时代谢转化产生的低分子量有机酸可以通过梭菌的酸醇转化机制，进一步产生丙酮或丁醇等有机溶剂，从而降低原料的用量和成本，简化工艺过程，有机溶剂产率和产量得到了一定程度的提高。