[發明專利]一種利用微生物發酵木質纖維素原料產乙醇的方法

有效

• 申請號: 201410240486.6
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN105200094B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發明（設計）人: 沈乃東;熊強;李凡;蘇會波;彭超;武國慶;林鑫;林海龍;袁敬偉;李春玲;劉文信
• 申請（專利權）人: 中糧營養健康研究院有限公司;中糧生化能源(肇東)有限公司;中糧集團有限公司
• 主分類號: C12P19/14
• 分類號: C12P19/14;C12P7/10;C12R1/865;C12R1/645;C12R1/84;C12R1/72;C12R1/74;C12R1/18;C12R1/22;C12R1/145;C12R1/77;C12R1/19
• 代理公司: 11250 北京三聚陽光知識產權代理有限公司
• 代理人: 趙敏<國際申請>=<國際公布>=<進入國

本發明提供一種利用微生物發酵木質纖維素原料產乙醇的方法，包括將所述木質纖維素原料酶解得到木質纖維素原料酶解液、將所述微生物擴大培養，得到擴大培養液、將所述擴大培養液接種至所述木質纖維素原料酶解液中，通過間歇式供氧調節發酵的步驟。本發明所述方法可大幅提高乙醇的產率。

技術領域

本發明屬于微生物發酵領域，具體涉及一種利用微生物發酵木質纖維素原料產乙醇的方法。

背景技術

諸多如石油等不可再生的化石能源日益枯竭，使得可再生能源特別是生物燃料受到越來越多的關注，并帶來巨大的商機和社會意義。

根據國際能源署(IEA)的相關定義，常規生物燃料包括糖基和淀粉基乙醇、油料作物基生物柴油、可直接利用的植物油以及通過厭氧消化制得的沼氣；先進生物燃料技術包括指還處于研發、中試或示范階段的轉化技術，通常稱為第二代技術或第三代技術。這一類別包括用動物脂肪和植物油煉制的加氫植物油(HVO)，以及用含木質纖維素生物質生產的生物燃料，比如乙醇、費托液和合成天然氣。

乙醇是清潔的可再生液體燃料，許多國家已經開始使用添加了一定比例乙醇的汽油—汽油醇，以代替汽油的消耗。這種新型燃料既能緩解石油的消耗速率，又可以減少汽車尾氣污染，具有極大的應用和發展潛力。我國從2001年起開始推廣使用汽油醇，目前汽油醇占汽油類燃料總消耗量的約20％，并處于逐年增長的勢頭。

目前國內外生產乙醇所使用的主要原料是玉米等糧食作物。隨著世界人口的不斷增長，糧食日益短缺，因此從長遠來看，糧食作物不是生產乙醇的理想原料。同時，每年有大量的農林業廢棄木質纖維材料(如玉米秸稈等)用焚燒等的方式不當處理，不僅造成了原料的浪費，而且污染了環境。木質纖維素主要由纖維素、半纖維素、木質素組成，在農業廢棄木質纖維材料中三者的含量大約是：纖維素占30～40％，半纖維素占20～30％，木質素占10～25％。其中葡萄糖是纖維素的主要組成單元，木糖是半纖維素的主要組成單元。在植物纖維材料水解液中木糖占30％左右，是繼葡萄糖之后自然界最豐富的糖分，因而利用葡萄糖木糖共發酵生產乙醇原材料豐富，具有廣闊的市場前景。

一般而言，用含木質纖維素的生物質進行生物燃料的生產屬于先進生物燃料技術范疇。利用含木質纖維素原料生產乙醇通常采用生物化學轉化的工藝，包括預處理、水解、發酵和回收等步驟。經過預處理，增加了酶和纖維素材料的可接近性，從而提高原材料的可利用性；水解(包括酶解)以后，半纖維素主要分解為C5糖，而纖維素主要分解為C6糖。由于半纖維素的無定型結構，其更容易被水解為C5糖。在預處理階段和酶解階段，會得部分發酵抑制物，例如甲酸、乙酸、糠醛等。

但是，相應面臨的困境是，自然界中能高效產醇的微生物通常只能利用葡萄糖等六碳糖生產乙醇，不能利用木糖；而少數能利用木糖產醇的微生物，產醇能力低下，這限制了對自然界中木質纖維素的有效利用。通過代謝工程對酵母進行改造，并利用其代謝轉化C5糖主要經過以下反應：木糖還原酶依賴NADPH將木糖還原為木糖醇，木糖醇再在木糖醇脫氫酶作用下轉化為木酮糖；再經木酮糖激酶磷酸化形成5-磷酸木酮糖，然后進入磷酸戊糖途徑(PPP)。PPP途徑的中間產物6-磷酸葡萄糖及3-磷酸甘油醛通過酵解途徑形成丙酮酸，丙酮酸或是經丙酮酸脫羧酶、乙醇脫氫酶脫羧還原為乙醇。

在基因工程技術的推動下，研究人員獲得了一批可以利用木糖代謝生產乙醇的重組發酵微生物。然而，在實際的工業化生產中，尤其是大規模產業化階段，上述的微生物擴大培養增殖速度較慢，難以實現大規模應用，而且由于微生物代謝含C5糖與C6糖的木質纖維素原料酶解液過程中對發酵供給的消耗差異性需求，一直導致實際生產中的轉化率過低，也成為了限制這一技術發展的難點之一。

發明內容

因此，本發明的目的在于克服現有技術中微生物代謝含C5和C6糖的木質纖維素原料酶解液過程中對發酵供給的消耗差異性需求，導致的實際生產中轉化率過低的缺陷，從而提供一種高效利用微生物發酵木質纖維素原料產乙醇的方法，從而提高乙醇的轉化率。