专利名称：富含半纤维素生物质发酵生产丁醇、丙酮、丁酸和糠醛的方法
技术领域：
本发明涉及一种富含半纤维素生物质发酵生产丁醇、丙酮、丁酸和糠醛的方法；尤其是以甜高粱渣为培养基的碳源发酵，利用渗透汽化装置和精馏装置分离纯化生产丁醇、 丙酮、丁酸和糠醛的方法。
背景技术：
丙酮、丁醇和乙醇均是重要的有机溶剂和化工原料，广泛应用于喷漆、炸药、塑料、 制药、植物油提取及有机玻璃、合成橡胶工业。丙酮可作为制造醋酸纤维素胶片薄膜、塑料和涂料的溶剂，也可用于生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)、双酚A、醇醛缩合物等化工产品。丁醇是新一代的生物燃料，与现有的生物燃料相比，丁醇与汽油的混合比更高，无需对车辆进行改造，具有显著环境效益，降低温室气体排放。乙醇是良好的有机溶剂和消毒剂，其杀菌作用明显，消毒效果可靠，对人刺激性小，无毒，对物品无损害，多用于皮肤消毒和医疗器械临床消毒。在生产丙酮和丁醇的众多方法中，用粮食发酵法生产丙酮、丁醇的生产技术相对比较成熟。但是随着石油资源的逐渐枯竭和生态环境问题的日益严峻，世界各国开始考虑利用可再生资源来替代石油资源，即通过生物技术的手段来生产大宗化学品以解决能源问题。现有生产丙酮的丁醇的技术主要以玉米发酵为主，以及采用部分薯类、高粱类与玉米同时进行发酵以降低生产成本，但其中以纯玉米发酵生产丙酮、丁醇效果最为理想。但用粮食发酵不仅成本高，同时也会影响到粮食资源的稳定。针对这一问题，各国研究机构都尝试开展用非粮食资源代替粮食资源作为发酵原料进行发酵研究。目前，研究最热的是用秸秆代替粮食发酵，但用秸秆发酵技术并不成熟，其存在的主要问题是秸秆水解效率低以及水解后产生的抑制物(如糠醛)影响发酵过程中微生物的生长。因此，寻找和开发廉价适宜的发酵原料并找到与其匹配的工艺是丙酮和丁醇生产所面临的关键问题，这也是整个发酵行业所面临的共同问题。甜高粱(sweet sorghum)也叫芦栗甜杆或糖高粱，为食用高粱的一个变种，其秸秆具有较高的糖含量，是世界公认的能源植物之一。其种子可食用或作饲料，而甜高粱秸秆压榨后汁液可制糖，但是产生大量的富含半纤维素类的甜高粱渣存在处理难题。目前，国内外利用甜高粱渣生产溶剂丁醇的鲜有报道。甜玉米，是一种玉米的改良品种，其玉米粒用作鲜食；它的秸秆与甜高粱秸秆相似，富含糖类，压榨后，其残渣富含半纤维素。蔗渣是甘蔗制糖压榨后的产物，富含半纤维素，一般作为饲料添加成分，但是大量集中产生的蔗渣存在处理难题。玉米芯为玉米果实成熟并脱粒后的剩余部分，富含半纤维素；我国是玉米的生产大国，可利用资源极其丰富。渗透汽化是利用膜的选择性从溶液中分离某些有机组分，使其有选择性地在膜内汽化透过。
专利CN101805754A描述了一种生物质发酵与渗透汽化耦合原位分离丙酮、丁醇和乙醇的工艺。使用该工艺与普通的精馏过程相比，大大降低了对生物质发酵产生的ABE 溶剂进行分离的能耗，从而降低燃料丁醇的生产成本。但在该专利中并没有解决水解产生的糠醛将对后续发酵过程中菌株产生毒害的问题。
发明内容
本发明提供一种富含半纤维素生物质发酵生产丁醇、丙酮、丁酸和糠醛的方法，包括如下步骤。步骤B，水解向所述生物质中加入乙酸水溶液，在120 200°C水解温度下， 半纤维素水解为含糖类和糠醛的溶液；步骤D，分离糠醛使所述含糖类和糠醛的溶液或滤液经过渗透汽化膜分离器，分离出糠醛；步骤E，发酵分离糠醛后的水解液在菌株的作用下厌氧发酵转化为含丁醇、丙酮、乙醇和丁酸混合溶剂的发酵液；步骤G，渗透汽化分离所述发酵液中丁醇、丙酮和丁酸透过渗透汽化膜而得到分离浓缩；步骤H，精馏将渗透汽化收集的混合产品，精制得到丁醇、丙酮和丁酸纯品。优选还包括步骤B之前的步骤A，生物质预处理所述生物质粉碎后加入乙酸水溶液预处理。更优选所述预处理步骤A中加入的乙酸水溶液中乙酸浓度为2 10g/L，预处理步骤的固液比为1 2 1 10。本发明应用乙酸预处理，并用乙酸水解半纤维素，只需一定程度的升温升压，便可避免使用硫酸水解而造成水解液含盐量过高的问题；且水解液中的乙酸能被后续发酵过程中的微生物利用，有利于微生物的生长；从而避免后处理过程中废物污染环境。本发明的实施例中，优选还包括步骤B和步骤D之间的步骤C，固液分离将所述生物质水解后的固体残渣滤出，得到含糖类和糠醛的滤液。更优选还包括在滤出的固体残渣中加入纤维素酶，将纤维素水解为糖类。在本发明的发酵步骤E中，可选择的菌株有丙酮丁醇梭菌、糖丁酸梭菌或拜氏梭菌等。优选本发明中还包括步骤E和步骤G之间的步骤F，微滤膜分离含菌体、糖类和混合溶剂的发酵液经微滤膜分离，菌体浓缩返回至发酵罐。优选本发明的水解步骤B中加入的乙酸和水解溶出的乙酸总浓度为11 20g/L， 水解步骤中固液比为1 5 1 10，水解时间为5 60分钟。优选在步骤E中，在发酵罐的培养基中添加无机盐和生长因子，且所述菌株为丙酮丁醇梭菌。如所述无机盐为磷酸二氢钾、磷酸氢二钾，所述生长因子为氨基苯甲酸和生物素。本发明中，往分离糠醛后的水解液中直接加入无机盐和生长因子，用氨水调节PH值至5 6，对分离糠醛后的水解液接种后即可直接发酵，相比现有技术中报道的方法更加方便、简洁，而且对环境友好，无毒害物质及盐类物质的产生和排放。本发明中，优选的丙酮丁醇梭菌是一种高耐乙酸高产丁醇菌种，使用此菌种能最大限度地利用乙酸，提高对半纤维素水解产出的糖的利用率。优选将步骤G中未透过渗透汽化膜的乙酸回套用于水解步骤B。优选本发明中所述富含半纤维素生物质为废弃农作物，优选为甜高粱渣、甜玉米粒渣、甜玉米杆渣、蔗渣或玉米芯。这些榨汁及脱粒后的废弃物，其品种与种类不限，新鲜的或干燥后储存的不限。
采用本发明可使压榨或脱粒后的生物质渣通过生物炼制的方法变废为宝，生产大宗化学品丁醇、丙酮、丁酸和糠醛等产品。
图1为本发明中以富含半纤维素生物质发酵生产丁醇、丙酮、丁酸和糠醛的设备流程图；图中附图标记内容解释如下1水解罐、2旋振筛分过滤机、3第一储罐、4第一液泵、5第一渗透汽化膜分离器、6 第一冷凝器、7第一真空泵、8第二储罐、9酶解罐、10过滤器、11第二液泵、12发酵罐、13微滤膜分离器、14第三储罐、15第三液泵、16第二渗透汽化膜分离器、17第二冷凝器、18第二真空泵、19精馏塔、20产品储罐、201 丁醇储罐、202丙酮储罐、203乙醇储罐、204 丁酸储罐、 205糠醛储罐。
具体实施例方式本实施方式中，以甜高粱秸秆榨汁后的甜高粱渣为原料，其品种、含水量和新鲜程度不限。本发明所使用的甜高粱S主要成分为纤维素、木质素和半纤维素；其中，半纤维素含量为45wt%左右。本发明中，乙酸、丙酮、丁醇、乙醇、丁酸的定性定量测定采用气相色谱仪检测，用外标法进行定量分析。水解液及发酵液中的糖类物质采用液相色谱仪和紫外及视差检测器检测，用外标法进行定性定量分析。本发明中菌种活化、保藏均使用梭菌强化培养基(见微生物培养手册Handbook on Clostridia作者=Peter Diirre ；2005年出版；出版商=Taylor &. Francis)，一级种子和二级种子均使用水解液作为培养基。本发明所述的用于分离糠醛的第一渗透汽化膜和用于预分离混合溶剂的第二渗透汽化膜均可选自硅橡胶、聚三甲基硅丙炔、聚丙烯、聚丁二烯、聚偏氟乙烯或其衍生物、丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙二烯橡胶、聚醚酰胺前段共聚物或分子筛膜材料中的一种或多种。本发明所述的微滤膜分离器中的微滤膜为选自氧化铝膜、氧化锆膜、氧化钛膜、不锈钢膜、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、尼龙、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚砜、 聚丙烯腈或纤维素膜中的一种或多种，微滤膜的平均孔径为0. 1-1 μ m。实施例1以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。以下仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可很容易进行的改变或变化都涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。以甜高粱渣生产丁醇、丙酮、乙醇、丁酸和糠醛的生产方法步骤包括步骤A，甜高粱渣预处理对于榨汁后的甜高粱渣，机械粉碎到其粒径或长度在5 厘米以下，使用乙酸水溶液(乙酸的浓度为5克/升)预处理，以绝干(取样后105°C烘干过夜)甜高粱渣质量为参考依据，固液比为1 5。步骤B，水解往甜高粱渣中加入乙酸水溶液，并将其装入带有冷却装置的高压反应釜或耐压发酵罐，在温度170°C和自生压力下水解10分钟，水解液中溶出乙酸(酸性条件下半纤维素水解释放乙酸)和投加乙酸总量为15克/L，水解步骤中固液比大致为1 7， 每批的水解后产糖浓度约40-50克/升，水解后糖的组成为蔗糖3-5克/升，葡萄糖15-25 克/升，果糖10-15克/升，木糖7-10克/升，阿拉伯糖3克/升以下，并生成一定浓度糠醛与羟甲基糠醛，前述两种物质是由葡萄糖和木糖经高温转化而来。在该水解步骤B中，半纤维素的水解率超过75% ；若温度升高(高于170°C)，则水解率升高，最高能达100%，但温度升高也伴随糠醛和羟甲基糠醛产量明显增加。步骤C，固液分离将甜高粱渣水解后的固体残渣滤出，得到含糖类和糠醛的滤液。步骤D，分离糠醛使所述含糖类和糠醛的溶液或滤液经过渗透汽化膜分离器，分离出糠醛。通过该步骤将水解液中糠醛含量控制在一个最低水平，同时产出糠醛作为副产品。在此步骤中可选用如上所述的各种渗透汽化膜，在此我们选用硅橡胶膜进行渗透汽化。步骤E，发酵分离糠醛后的水解液在菌株的作用下厌氧发酵转化为含丁醇、丙酮、乙醇和丁酸混合溶剂的发酵液。具体实验操作如下往无菌无毒水解液中加入氨水作为氮源同时以其调节PH为5 ；以磷酸二氢钾与磷酸氢二钾各0. Iwt% (相对于培养基的质量) 作为磷元素供体添加；以对氨基苯甲酸和生物素各2ppm/L作为生长因子加入；至此发酵的培养基制备完毕。往上述培养基中无菌操作接入已经活化的发酵菌种，即ATCC8M菌株培养液，菌株培养液占培养基体积比为2%，维持发酵温度37°C开始发酵，定时取样分析混合溶剂含量及底物糖含量变化，经过6天完全发酵后，产生丁醇8. 5克/升，丙酮4. 2克/升， 乙醇1. 1克/升，丁酸2. 0克/升，总溶剂产量约16克/升。步骤F，微滤膜分离当发酵液中混合溶剂含量达到一定浓度时，开启出料阀，含菌体、糖类和混合溶剂的发酵液以一定的流速进入微滤装置，发酵液中的菌体流回发酵罐中，滤出液(发酵液中其余部分)流入储液罐进入下一渗透汽化步骤。步骤G，渗透汽化分离即步骤E的发酵液或步骤F的滤出液中所述混合溶剂中丁醇、丙酮和丁酸连续透过膜分离器至膜另一侧，未透过的料液经过换热后返回发酵罐中。保持渗透汽化分离器透过侧在一定的真空度，在压力差作用下，发酵液中的溶剂丙酮、丁醇和丁酸在膜表面吸附溶解扩散到膜的透过侧，在冷凝器中收集得到浓缩液。本发明选用对混合溶剂具有亲和力的渗透汽化膜，利用混合溶剂和水及其他组分在渗透汽化膜中溶解度和扩散速率的差异，优先透过混合溶剂组分，所以该过程效率高、耗能低。本发明所述的渗透汽化过程可以在发酵温度下进行，不需像蒸馏预先将发酵液加热至更高的温度，这对于实现生物质的连续发酵是有利的。在本实施例中，将步骤G中未透过渗透汽化膜的乙酸回套用于水解步骤B。另外，混合溶剂中的乙醇不能透过该渗透汽化膜，乙醇存在的浓度较低且其存在并不影响发酵和其他步骤，待乙醇达到一定浓度后再进行分离提纯得到乙醇产品。 在此，优选第二渗透汽化膜与用于分离糠醛的第一渗透汽化膜(步骤D)相同。步骤H，精馏将渗透汽化收集的混合产品，精制得到丁醇、丙酮和丁酸纯品。若在分离过程进行的同时向发酵罐中流加发酵底物，可使得本发明中的发酵过程实现连续化操作。与上述实施例中以甜高粱渣生产丁醇、丙酮、乙醇、丁酸和糠醛的生产方法步骤相应的生产设备如图1所示其包括经管道相连的水解罐1、旋振筛分过滤机2、第一储罐3、第一液泵4、第一渗透汽化膜分离器5、第二储罐8、第二液泵11、发酵罐12、微滤膜分离器13、第三储罐14、第三液泵15、第二渗透汽化膜分离器16、第二冷凝器17、精馏塔19和产品储罐20，另有第一冷凝器6和第一真空泵7串接在第一渗透汽化膜分离器5上，第二真空泵18连接在第二冷凝器17上。且在所述旋振筛分过滤机2和第二储罐8间还连接有与第一渗透汽化膜分离器5并联连接的酶解罐9和过滤器10。其中，所述微滤膜分离器13的入口与发酵罐12底部连接，其顶部出口与发酵罐12顶部入口相连。且所述第二渗透汽化膜分离器16顶部出口与水解罐1的一个顶部入口相连。产品储罐20包括丁醇储罐201、丙酮储罐202、乙醇储罐203、丁酸储罐204和糠醛储罐205，其中，前四者均连接在所述精馏塔19之后，而糠醛储罐205连接在所述第一冷凝器6之后。与上述设备对应的物料流程如下经过预处理的甜高粱渣置入水解罐1，往甜高粱渣中加入乙酸水溶液，在温度 170°C和自生压力下水解反应使得甜高粱渣中的半纤维素水解为各种糖类和糠醛。含糖类和糠醛的物料进入旋振筛分过滤机2，在此进行固液分离，液体进入第一储罐3并经第一液泵4泵入第一渗透汽化膜分离器5 ；固体残渣从旋振筛分过滤机2的底部进入酶解罐9和过滤器10，固体残渣主要包括纤维素和木质素两部分，在酶解罐中纤维素水解为糖类、固体残渣变为木质素废渣，在过滤器10中固液分离，液体糖类并流入第一渗透汽化膜分离器5 后的第二储罐8中。进入第一渗透汽化膜分离器5的液体经第一冷凝器6和第一真空泵7 的共同渗透汽化作用将糠醛分离并浓缩引入糠醛储罐205，而糖类(包括蔗糖、葡萄糖、果糖、木糖和阿拉伯糖)引入第二储罐8中，第二储罐8中的含糖类溶液经第二液泵11泵入发酵罐12。在发酵罐12中，糖类经菌种的发酵转化为丁醇、丙酮、乙醇和丁酸，发酵结束后物流引入微滤膜分离器13，其中菌体从发酵罐12顶部入口流回发酵罐中，滤出液流入第三储罐14并经第三液泵15泵入第二渗透汽化膜分离器16。在第二渗透汽化膜分离器16中， 在膜的透过侧连续分离出丁醇、丙酮和丁酸，三者缓存于第二冷凝器17中并进入精馏塔19 精馏，未透过的乙酸从第二渗透汽化膜分离器16流回水解罐1中；精馏后的纯品收集在各自对应的产品储罐20中。
权利要求
1.一种富含半纤维素生物质发酵生产丁醇、丙酮、丁酸和糠醛的方法，包括如下步骤 步骤B，水解向所述生物质中加入乙酸水溶液，在120 200°C水解温度下，半纤维素水解为含糖类和糠醛的溶液；步骤D，分离糠醛使所述含糖类和糠醛的溶液或滤液经过渗透汽化膜分离器，分离出糠醛；步骤E，发酵分离糠醛后的水解液在菌株的作用下厌氧发酵转化为含丁醇、丙酮、乙醇和丁酸混合溶剂的发酵液；步骤G，渗透汽化分离所述发酵液中丁醇、丙酮和丁酸透过渗透汽化膜而得到分离浓缩；步骤H，精馏将渗透汽化收集的混合产品，精制得到丁醇、丙酮和丁酸纯品。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括步骤B之前的步骤A，生物质预处理 所述生物质粉碎后加入乙酸水溶液预处理。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述预处理步骤A中加入的乙酸水溶液中乙酸浓度为2 10g/L，预处理步骤的固液比为1 2 1 10。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括步骤B和步骤D之间的步骤C，固液分离将所述生物质水解后的固体残渣滤出，得到含糖类和糠醛的滤液。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，还包括在滤出的固体残渣中加入纤维素酶， 将纤维素水解为糖类。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括步骤E和步骤G之间的步骤F，微滤膜分离含菌体、糖类和混合溶剂的发酵液经微滤膜分离，菌体浓缩返回至发酵罐。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述方法，其特征在于，步骤B中加入的乙酸和水解溶出的乙酸总浓度为11 20g/L，水解步骤中固液比为1 5 1 10，水解时间为5 60 分钟。
8.根据权利要求1-6中任意一项所述方法，其特征在于，在步骤E中，在发酵罐的培养基中添加无机盐和生长因子，且所述菌株为丙酮丁醇梭菌。
9.根据权利要求1-6中任意一项所述方法，其特征在于，将步骤G中未透过渗透汽化膜的乙酸回套用于水解步骤B。
10.根据权利要求1-6中任意一项所述方法，其特征在于，所述富含半纤维素生物质为废弃农作物，优选为甜高粱渣、甜玉米粒渣、甜玉米杆渣、蔗渣或玉米芯。
全文摘要
本发明提供一种富含半纤维素生物质发酵生产丁醇、丙酮、丁酸和糠醛的方法，包括如下步骤。水解向所述生物质中加入乙酸水溶液，在120～200℃水解温度下，半纤维素水解为含糖类和糠醛的溶液；分离糠醛使所述含糖类和糠醛的溶液或滤液经过渗透汽化膜分离器，分离出糠醛；发酵分离糠醛后的水解液在菌株的作用下厌氧发酵转化为含丁醇、丙酮、乙醇和丁酸混合溶剂的发酵液；渗透汽化分离所述发酵液中丁醇、丙酮和丁酸透过渗透汽化膜而得到分离浓缩；精馏将渗透汽化收集的混合产品，精制得到丁醇、丙酮和丁酸纯品。采用本发明可使压榨或脱粒后的生物质渣通过生物炼制的方法变废为宝，生产大宗化学品丁醇、丙酮、丁酸和糠醛等产品。
文档编号C07D307/50GK102304106SQ20111022984
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月11日 优先权日2011年8月11日
发明者张涛, 李树峰, 蔡的, 谭天伟 申请人:北京化工大学