专利名称：一种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法
技术领域：
本发明涉及生物基化学品的生物制造和生物炼制领域，具体地说，涉及ー种利用玉米秸秆等木质纤维素原料经过糖化和发酵生产高浓度和高光学纯度乳酸的方法。
背景技术：
乳酸在食品、医药、饮料及化工行业都有广泛应用，特别是当前以乳酸为单体聚合制备的聚乳酸材料，具有优异的性能，能够替代塑料，是ー种完全可降解的生物材料。聚乳酸产品是生物炼制领域的典型例子，是第一个完全可降解并进入市场的生物材料，如美国 Naturefforks聚乳酸材料。随着石化资源的減少，及人类对环境友好社会的追求，乳酸作为能够生产可降解生物材料的単体，它的大量低成本生产有巨大的意义和前景。乳酸最初的生产来自于化工合成，但是，因为合成法不易得到纯乳酸単体，随着市场需求増加，合成法逐步被具有一定优势的生物发酵法取代。发酵生产乳酸原料主要是乳清、糖蜜及能生成糖的淀粉类物质。正如作为液体燃料替代品的乙醇，以淀粉类物质发酵不能满足大规模需求，同吋，淀粉类物质大量エ业应用也影响粮食安全。随着聚乳酸作为可再生可降解材料的市场需求量増加，寻求更广泛的生物质资源用于乳酸发酵成为必然。农林业废弃物等木质纤维素是最丰富的可再生碳水化合物资源，利用木质纤维素原料发酵生产乳酸是ー个极具前景的产业。同吋，乳酸发酵能够利用当前纤维素乙醇发酵的技木，提供基于生物质炼制的高附加选择。木质纤维素原料制造产品，一般包括原料预处理，酶水解，发酵和产品分离。纤维素原料经过预处理破坏了木质纤维素结构，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。因为以木质纤维素为基质发酵存在许多技术难点，发酵生产乳酸的相关研究和应用较少，即使有报道也存在乳酸浓度低，添加营养多，生产成本高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种使用价格低廉、资源丰富的木质纤维素糖化与发酵生产高浓度和高光学纯度乳酸的方法。为实现以上目的，本发明公开以下技术方案
方案一一种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，包括以下步骤
(1)预处理木质纤维素，所述预处理是指稀酸预处理、蒸汽爆破或者氨纤维爆破中的一
种；
(2)利用液体培养基培养乳酸片球菌，所述乳酸片球菌从木质纤维素中分离并保存；
(3)步骤(2)获得的乳酸片球菌接种于含有步骤(1)获得的木质纤维素的发酵罐中，在所述发酵罐中加入纤维素酶并接种乳酸片球菌，进行同步糖化与高温发酵生成乳酸。方案ニ 一种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，包括以下步骤
(1)预处理木质纤维素，所述预处理是指稀酸预处理、蒸汽爆破或者氨纤维爆破中的一
4种；
(2)利用液体培养基培养乳酸片球菌，所述乳酸片球菌从木质纤维素中分离并保存；
(3)步骤(2)获得的乳酸片球菌接种于高糖浓度的木质纤维素水解液中发酵产乳酸，所述高糖浓度的木质纤维素水解液通过以下方式获得，在发酵罐中加入步骤(1)获得的木质纤维素、纤维素酶以及水，糖化48 96 h，离心分离糖化后的浆液，获得的上清液即为高糖浓度的木质纤维素水解液。方案一或ニ中，步骤(2)中液体培养基组分为10 50g/L葡萄糖，1 10g/L酵母粉，1 20 g/L蛋白胨，液体培养乳酸片球菌25 45°C，50 500rpm，培养12 36小吋，ODfi00值达到1 4。方案三一种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，包括以下步骤
(1)预处理木质纤维素，所述预处理是指稀酸预处理、蒸汽爆破或者氨纤维爆破中的一
种；
(2)乳酸片球菌和步骤(1)获得的木质纤维素混勻，进行固态培养，所述乳酸片球菌从木质纤维素中分离并保存；
(3)将步骤(2)获得的混有乳酸片球菌的木质纤维素加入发酵罐，同时加入纤维素酶， 同步糖化发酵产乳酸。步骤(2)中固态培养的条件为，培养温度20 35°C，物料含水质量分数为30 70%，物料 pH 4. 5 6. 5。作为ー个优选，以上方案中，步骤(1)获得的预处理的木质纤维素经过脱毒处理， 所述脱毒是指生物脱毒、水洗或者过碱处理中的ー种。所述生物脱毒是指在向木质纤维素中接入乳酸片球菌的同时或之前，接入具有脱毒能力的霉菌。以上方案中，步骤(3)中发酵条件为，发酵温度35 50°C，pH 4. 5 6. 5，发酵时间M 96小吋，在发酵罐中木质纤维素的质量分数为10 40%，纤维素酶为1 30 FPU/ g DM, FPU为纤维素酶滤纸酶活，DM (Dry matter)是指木质纤维素干物质。步骤(3)获得的乳酸包括游离态的乳酸或者调节发酵pH所生成的乳酸盐，所述乳酸盐包括乳酸钠、乳酸钙或者乳酸铵中的ー种或几种。步骤(1)所述的木质纤维素指玉米秸秆、小麦秆、稻草、棉花秆、能源植物、木头、木屑、废纸和农林业废弃物中的ー种或几种。以上方案中，所述乳酸片球菌优选为Pediococcus acidilactici DQ2。本发明所述木质纤维素预处理为常规操作，将木质纤维素清洗，晾干，通过机械粉碎降低尺寸，然后做预处理；机械粉碎是把木质纤维素尺寸变小，扩大表面积，获得更好的预处理效果。预处理包括稀酸预处理、蒸汽爆破或者氨纤维爆破等。稀酸预处理是指稀硫酸溶液浸润物料，然后在180 200°C下維持1 10分钟，破坏木质纤维素结构，从而有利于后续酶解过程。本发明中所指0D_值是指含有菌体的溶液在600nm波长处的吸光值。本发明中脱毒所脱除的有毒物质为木质纤维素预处理所产生的物质如有机酸类甲酸、乙酸、呋喃类糠醛、羟甲基糠醛等。预处理后的木质纤维素，再经过脱毒除去抑制物， 更适合后续发酵。
本发明的优点在干
(1)本发明以木质纤维素为原料发酵乳酸，基质成本低廉，来源广泛，充分利用了可再生资源，不与人类争粮，能够满足不断扩大的市场需求。(2)本发明使用独特的发酵菌种和培养エ艺，在发酵过程几乎不添加外源物质，成本低，乳酸浓度和产率高，便于后续分离和纯化。(3)本发明以木质纤维素为原料高效发酵生产乳酸，可以借鉴现有纤维乙醇生产相关技木，实现从木质纤维素生产高附加值的聚乳酸，实现基于木质纤维素的大宗精細化学品生物炼制。本发明提供的方法以完全真实木质纤维素物料为基质，采用从木质纤维素中分离并保存的独特的木质纤维素依赖性乳酸发酵菌种和独特的糖化与发酵エ艺，低成本操作， 获得的乳酸具有高浓度和高光学纯度的优点。
图1为实施例1发酵过程曲线图。图2为实施例2发酵过程曲线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做详细说明，实施例的作用仅是解释而非限定本发明。实施例1
烘干的玉米秸秆与稀硫酸溶液混合至含水量33%，硫酸浓度2. 5%，190°C预处理:3min ； 预处理后物料调节PH到5. 5，含水量57%，加入霉菌和乳酸片球菌，25°C固态培养7天；收获物料，物料不做高温灭菌，加入发酵罐中，发酵罐中固体含量为质量分数30%，纤维素酶用量为15 FPU/g DM，50°C预先糖化10h，5M氢氧化钠控制发酵过程pH在5. 5，42°C发酵48 小吋。由于过程加入大量的碱液，最终体积计算固体含量是26. 7%。实施例中采用的乳酸片球菌为从木质纤维素分离并保存的乳酸片球菌 Pediococcus acidilactici DQ2。Pediococcus acidilactici DQ2分离自木质纤维素水解液，把含有微生物的水解液样品涂布于YPD培养基琼脂平板，在42°C培养，检测长出的菌落能否产酸，从而得到该微生物。实施例2
烘干的玉米秸秆与稀硫酸溶液混合至含水量33%，硫酸浓度2. 5%，190°C预处理3min， 预处理后物料调节PH到5. 4，含水量58%，加入霉菌和乳酸片球菌，25°C固态培养4天；收获物料，物料在4°C冰箱储存半月，物料不灭菌，加入发酵罐中固体质量分数30%，加酶量 13FPU/g DM,用5 M氢氧化钠溶液控制pH 5.0，42°C发酵。实施例3
烘干的玉米秸秆与稀硫酸溶液混合至含水量33%，硫酸浓度2. 5%，190°C预处理3min， 预处理后物料调节PH到5. 4，含水量58%，利用霉菌脱毒处理4天，加到发酵罐中固体质量分数30%，加入纤维素酶15FPU/gDM, 50°C，pH 5. 0，水解48H，13000rpm，离心lOmin，获得上清液；含有高糖浓度的上清液中接入培养的乳酸片球菌种子，42°C，pH5. O发酵。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，其特征在干，包括以下步骤(1)预处理木质纤维素，所述预处理是指稀酸预处理、蒸汽爆破或者氨纤维爆破中的一种；(2)利用液体培养基培养乳酸片球菌，所述乳酸片球菌从木质纤维素中分离并保存；(3)步骤(2)获得的乳酸片球菌接种于含有步骤(1)获得的木质纤维素的发酵罐中，在所述发酵罐中加入纤维素酶并接种乳酸片球菌，进行同步糖化与高温发酵生成乳酸。
2.一种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，其特征在干，包括以下步骤(1)预处理木质纤维素，所述预处理是指稀酸预处理、蒸汽爆破或者氨纤维爆破中的一种；(2)利用液体培养基培养乳酸片球菌，所述乳酸片球菌从木质纤维素中分离并保存；(3)步骤(2)获得的乳酸片球菌接种于高糖浓度的木质纤维素水解液中发酵产乳酸，所述高糖浓度的木质纤维素水解液通过以下方式获得，在发酵罐中加入步骤(1)获得的木质纤维素、纤维素酶以及水，糖化48 96 h，离心分离糖化后的浆液，获得的上清液即为高糖浓度的木质纤维素水解液。
3.根据权利要求1或2所述的ー种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，其特征在干，所述步骤(2)中液体培养基组分为10 50g/L葡萄糖，1 10g/L酵母粉，1 20 g/ L蛋白胨，液体培养乳酸片球菌25 45°C，50 500rpm，培养12 36小吋，OD600值达到 1 4。
4.一种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，其特征在干，包括以下步骤(1)预处理木质纤维素，所述预处理是指稀酸预处理、蒸汽爆破或者氨纤维爆破中的一种；(2)乳酸片球菌和步骤(1)获得的木质纤维素混勻，进行固态培养，所述乳酸片球菌从木质纤维素中分离并保存；(3)将步骤(2)获得的混有乳酸片球菌的木质纤维素加入发酵罐，同时加入纤维素酶， 同步糖化发酵产乳酸。
5.根据权利要求4所述的ー种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，其特征在干， 所述步骤(2)中固态培养的条件为，培养温度20 35°C，物料含水质量分数为30 70%， 物料PH 4. 5 6. 5。
6.根据权利要求1、2、4任一所述的ー种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，其特征在干，步骤(1)获得的预处理的木质纤维素经过脱毒处理，所述脱毒是指生物脱毒、水洗或者过碱处理中的ー种。
7.根据权利要求6所述的ー种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，其特征在干， 所述生物脱毒是指在向木质纤维素中接入乳酸片球菌的同时或之前，接入具有脱毒能力的 4菌。
8.根据权利要求1、2、4任一所述的ー种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，其特征在干，步骤(3)中发酵条件为，发酵温度35 50°C，pH 4. 5 6. 5，发酵时间M 96 小吋，在发酵罐中木质纤维素的质量分数为10 40%，纤维素酶为1 30 FPU/g DM。
9.根据权利要求1、2、4任一所述的ー种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，其特征在干，步骤(3)获得的乳酸包括游离态的乳酸或者调节发酵pH所生成的乳酸盐，所述乳酸盐包括乳酸钠、乳酸钙或者乳酸铵中的ー种或几种。
10.根据权利要求1、2、4任一所述的ー种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，其特征在干，所述木质纤维素指玉米秸秆、小麦秆、稻草、棉花秆、能源植物、木头、木屑、废纸和农林业废弃物中的ー种或几种。
11.根据权利要求1、2、4任一所述的ー种木质纤维素糖化与发酵生产乳酸的方法，其特征在于,所述乳酸片球菌为Pediococcus acidilactici DQ2。
全文摘要
本发明公开一种木质纤维素为原料低成本高效生产乳酸的方法，具体地说是从木质纤维素分离并保存的乳酸片球菌，液体培养乳酸片球菌获得作为种子的细胞菌体，接种于高木质纤维素含量的反应器中，加入纤维素酶，进行同步糖化和高温发酵生成乳酸；或首先进行木质纤维素的纤维素酶糖化获得含糖的水解液，然后用水解液进行高温乳酸发酵获得乳酸；或者乳酸片球菌和木质纤维素原料混匀，首先进行固态培养，然后再把包含有乳酸片球菌的木质纤维素原料加入发酵罐，加入纤维素酶，实现同步糖化和高温发酵产乳酸。本发明采用独特的发酵工艺和微生物，产品浓度高、过程简单、成本低廉，特别以木质纤维素为原料，具有广阔的生产空间和发展前景。
文档编号C12P7/56GK102586348SQ201110007649
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者张建, 楚德强, 董宏伟, 赵凯, 鲍杰 申请人:华东理工大学