[發明專利]用于木質纖維素的全菌糖化方法

在審

• 申請號: 201810939280.0
• 申請日: 2018-08-17
• 公開（公告）號: CN109055459A
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: 崔球;劉亞君;祁寬;劉世岳;李仁民;馮銀剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院青島生物能源與過程研究所
• 主分類號: C12P19/14
• 分類號: C12P19/14;C12P19/02;C12R1/145;C12R1/01
• 代理公司: 青島合創知識產權代理事務所(普通合伙) 37264
• 代理人: 傅培

本發明提供了用于木質纖維素的全菌糖化方法，包括以下步驟：(1)種子液優化：在厭氧條件下，將產纖維小體菌株在以葡萄糖為唯一碳源的培養基，進行傳代馴化；然后接種到添加了預處理后的木質纖維素原料的葡萄糖培養基中進行誘導馴化。(2)原料預浸漬：將預處理后的木質纖維素原料和培養基溶液混合均勻。(3)全菌糖化：將步驟(1)優化的全菌糖化種子液接種到步驟(2)得到的預浸漬后的反應體系中，進行糖化反應，得到含有葡萄糖的糖液。該方法不但大大縮短了種子培養階段的周期，降低了種子液的成本，也縮短了全菌糖化的周期，從而為工業化的進程奠定了基礎。

技術領域

本發明屬于生物技術領域，涉及一種木質纖維素的生物轉化方法，具體涉及一種用于木 質纖維素的全菌糖化方法。

背景技術

近年來，從生物質中獲取可再生的能源、材料或化學品得到世界各國的普遍關注。利用 木質纖維素類生物質為原料生產第二代生物基燃料或化學品，成為能否大規模替代石油基產 品的關鍵。

木質纖維素類生物質是地球上蘊藏最為豐富的可再生生物質資源，將其轉化為能源、化 學品或材料具有巨大的應用和發展前景。特別的，我國是農業大國，每年的農作物秸稈產量 超過9億噸。另一方面，秸稈焚燒引起的環境污染與交通安全事故等問題，也促使國家推出 一系列秸稈綜合利用的規劃、方案與措施。所以，推動農業廢棄生物質綜合利用的產業化發 展，對我國綠色循環經濟的建立和社會的可持續發展意義重大。

然而，生物質糖化所用的酶制劑技術目前被發達國家公司壟斷，由此而造成的酶的高成 本成為制約木質纖維素工業化應用的關鍵問題。此外，技術上的困難也阻礙了木質纖維素生 物轉化技術的發展和應用。因此，開發低成本、高效率的糖化技術，對發展中國家尤為必要。

與依賴于酶制劑的糖化工藝相比，整合生物加工技術的“一鍋法”全菌催化的生物糖化 策略具有簡化流程、降低設備要求等優勢，是最適合纖維素類生物質生物轉化利用的工藝路 線。“一鍋法”技術的核心在于采用高效的全菌催化劑，即一種具有木質纖維素底物降解能 力、可以高效將纖維素底物水解轉化為可發酵糖的微生物。目前，木質纖維素全菌催化糖化 主要利用基于熱纖梭菌這一產纖維小體的高溫厭氧菌作為全菌催化劑。纖維小體是一種具有 復雜結構和組分的胞外多酶復合體，是自然界中已知的最高效的纖維素降解體系之一。木質 纖維素全菌催化糖化包括全菌催化劑預培養(種子培養階段)和全菌糖化的兩步半連續生產 模式。在種子培養階段，目前通常有兩種方法：(1)以市售纖維二糖或者纖維素作為碳源進 行培養，種子生長較快，但價格昂貴；(2)以預處理生物質原料為碳源進行種子培養，這一 方法雖然可以降低成本，但種子培養周期較長。

葡萄糖是發酵行業常用的微生物培養碳源，價格較低，而且是纖維素糖化的產物。然而， 目前，葡萄糖還不能應用于全菌催化劑的預培養。這是由于，當以葡萄糖為唯一碳源對熱纖 梭菌進行培養時，不但會有幾十小時的生長延滯期，而且會導致纖維小體的產量顯著降低， 從而導致生產周期長，此外，所獲得的全菌催化劑的纖維素降解活力較低。Yoav等人將熱纖 梭菌菌株在以葡萄糖為唯一碳源的培養基里進行馴化(Yoav,S.,Barak,Y.,Shamshoum,M.,et al.,Biotechnology for biofuels 2017,10:222)，解決了葡萄糖作為單一碳源所導致的生長延滯 期的問題。然而，該報道只是為了更快的得到菌體和纖維小體，并沒有解決纖維小體產量顯 著降低以及所獲得的全菌催化劑的纖維素降解活力較低的問題。此外，在全菌糖化階段，將 種子液接種進具有高固含量預處理木質纖維素底物的大規模糖化體系后，一般需要2-5天的 緩沖期才開始酶解糖化過程，也會導致生產周期長，從而增加生產過程的人工、能耗成本。

因此，木質纖維素全菌催化糖化中種子培養階段的種子液制備的技術難題，以及全菌糖 化步驟中存在的周期長、成本高的問題，是基于全菌催化的木質纖維素生物糖化技術難以大 規模應用于工業生產的主要瓶頸之一。

發明內容