技术领域
[0001] 本
发明属于
生物化工技术领域，具体地，涉及一种以木质
纤维素为原料发酵生产异丙醇和丁醇的方法。
背景技术
[0002] 丁醇是一种重要的有机化工原料，在化工、医药和石油等工业部
门有广泛的用途。丁醇比
乙醇多两个亚甲基，与乙醇相比具有更高的疏
水性，更低的挥发性，可与
汽油以任意比例混合，并具有与汽油相当的热值。作为一种有潜
力的可以替代汽油的可再生生物
能源，丁醇越来越受到世界各国的关注。
[0003] 异丙醇是重要的化工产品和原料。主要用于制药、
化妆品、塑料、香料、涂料及
电子工业上用作脱水剂及
清洗剂。异丙醇作为低成本
溶剂或萃取剂在工业和消费产品中的生产中广泛应用。低品质的异丙醇还可用在
汽车燃料中。在许多情况下异丙醇可代替乙醇使用。2010 年我国对异丙醇的年需求总量将达到30 万吨，我国异丙醇主要用作油墨、涂料和制药工业过程中的溶剂或萃取剂，其消费量约占异丙醇总消费量的60%。在化学中间体领域，我国异丙醇主要用于生产异丙胺、异丙醚以及一些酯类，其消费量约占异丙醇总消费量的
25%。异丙醇在其他方面的应用主要包括电子工业清洗剂、汽车防冻液、消毒剂、洗涤用品、日化产品等，其消费量约占异丙醇总消费量的15%。
[0004] CN105713823A公开了一种萃取发酵生产异丙醇和丁醇的装置和方法，包括由管道依次
串联的普通
生物反应器、纤维床固定化反应器和液-液萃取器；所述纤维床固定化反应器跟普通生物反应器再由
回流管道连接，构成第一个液体循环系统；所述萃取器跟生物反应器再由回流管道连接，构成第二个液体循环系统。先在生物反应器中培养产醇菌的
种子液，待其至对数生长中期，将菌种固定至纤维床固定化反应器中，发酵至进入产醇阶段，将发酵液通入萃取器进行萃取，最后再回流到生物反应器。该发明所述的产醇菌株为产异丙醇和丁醇或是所有产丁醇的厌
氧梭菌，没有特别的限制。可列举菌株为拜氏梭菌、丙
酮丁醇梭菌、糖乙酸丁醇梭菌和糖丁酸梭菌四种。但实际上并不是任意的拜氏梭菌在一般条件下均可以联产异丙醇和丁醇。
[0005] CN101688202公开了一种异丙醇生成细菌，所述细菌被赋予乙酰乙酸脱羧酶活性、异丙醇脱氢酶活性、CoA转移酶活性及硫解酶活性，可以由来自
植物的原料生成异丙醇。所述细菌为大肠杆菌，所述基因与甘油
醛－3－
磷酸脱氢酶启动子连接，其中，所述乙酰乙酸脱羧酶活性是通过导入编码来自丙酮丁醇梭菌的酶的基因而得到的，所述异丙醇脱氢酶活性是通过导入编码来自拜氏梭菌的酶的基因而得到的，所述CoA转移酶活性及硫解酶活性是通过导入编码来自大肠杆菌或丙酮丁醇梭菌的酶的基因而得到的。
[0006] CN 102161979A公开了一种联产丁醇、异丙醇及乙醇的重组菌及其应用，是通过基因工程手段构建的8类重组菌，所述出发菌A为产丙酮丁醇的梭菌(Clostridium)；所述出发菌B为buk基因敲除的产丙酮丁醇的梭菌(Clostridium)。
[0007] CN102199614A公开了一种稳定联产异丙醇和丁醇的工程菌及其构建方法与应用。该工程菌的构建方法，包括如下步骤：将次级醇脱氢酶的编码基因整合到产丁醇梭菌的基因组中，得到的重组菌即为所述工程菌。该工程菌可以稳定地生产丁醇、异丙醇和乙醇。
[0008] 上述生产异丙醇和丁醇的方法，基本上都是利用基因工程构建的工程菌实现的，构建过程复杂，产物收率有待提升。此外，还会生成一定量的乙醇，效果有待提升。
发明内容
[0009] 针对
现有技术的不足，本发明提供了一种以木质纤维素为原料发酵生产异丙醇和丁醇的方法。本发明先对木质纤维素原料进行
蒸汽爆破预处理，再利用拜氏梭菌XH0906发酵生产丁醇和异丙醇，具有制备工艺简单，发酵产率高等特点。
[0010] 本发明以木质纤维素为原料发酵生产异丙醇和丁醇的方法，包括以下步骤：（1）在120-160℃，0.8-1.3MPa下对木质纤维素原料进行蒸汽爆破预处理；
（2）对预处理后物料进行酶解，得到纤维素和半纤维素
水解混合糖液；
（3）以水解混合糖液为
碳源，补加氮源、营养盐、维生素制备发酵培养基；
（4）将拜氏梭菌XH0906的种子液接入到步骤（3）的发酵培养基中，发酵生产丁醇和异丙醇。
[0011] 步骤（1）所述的木质纤维素原料为含有纤维素、半纤维素和木质素的秸秆、木屑、
能源植物等，优选秸秆，进一步优选玉米秸秆。
[0012] 步骤（1）所述蒸汽爆破采用中性蒸汽爆破预处理。具体过程为：将木质纤维素原料
粉碎至0.5-5厘米，加入2-4倍
质量的
自来水浸湿，进入到蒸汽爆破装置的滞留器，在120-160℃，0.8-1.3MPa下维持5-20min，瞬间泄压释放，即得到蒸汽爆破预处理物料。
[0013] 步骤（1）预处理后物料配制成固液比为8%-20%（w/v）的料液，固液比指固体质量与液体体积的百分比（g:mL），然后加入纤维素酶制剂进行酶解。所述纤维素酶制剂为一切可以把纤维素和半纤维素水解成单糖的酶蛋白或酶蛋白混合物，其中至少包括4类酶蛋白组分：纤维素外切酶、纤维素内切酶、β-
葡萄糖苷酶和木聚糖酶。所述纤维素酶可以是商品酶，或者是在现场利用产酶菌株发酵生产。纤维素酶的加入量为20-50FPIU/g纤维素，酶解的pH值为4.5-5.5，
温度为45-55℃，搅拌速率为50-300r/min，酶解时间为24-72h。
[0014] 步骤（2）获得的水解混合糖液不经过固液分离与脱毒过程，直接用于发酵培养基的制备。水解混合糖液的用量为使培养基中的糖浓度为30-60g/L，优选40-50g/L。
[0015] 步骤（3）补加的氮源为有机氮源或/和无机氮源。有机氮源可以是
酵母膏、蛋白胨、
牛肉膏、玉米浆、
豆粕水解液等中的一种或几种，优选蛋白胨和牛肉膏，浓度为0.1-20g/L。无机氮源可以是
醋酸铵、
硝酸钠和
硫酸铵等中的一种或几种，优选硫酸铵，浓度为0.05-5g/L。更优选的氮源为大豆蛋白胨 8-12g/L，牛肉膏 0.4-0.8g/L和硫酸铵0.6-1.2g/L。补加的营养盐可以是磷酸氢二
钾、磷酸二氢钾、
氯化钠、氢氧化钠、硫酸亚
铁、硫酸铁、
硫酸镁、氯化
钙、硫酸锰和碳酸钙等中的一种或几种，浓度为1-6g/L。更优选的无机盐为磷酸二氢钾2-4 g/L、氯化钠0.3-0.6 g/L，硫酸亚铁0.05-0.2 g/L，硫酸镁0.1-0.4g/L，
氯化钙0.05-0.2 g/L。补加的维生素为维生素B1、生物素、对
氨基苯
甲酸等中的一种或几种，浓度0.01-0.1 g/L，也可不加入。进一步地，在发酵培养基中加入0.2-5g/L的碳酸钙，整个过程不用控制pH，发酵培养基不需灭菌。
[0016] 步骤（3）所述发酵培养基的pH为6.0-8.0，优选6.5-7.5，可以采用各种无机
碱调节，优选利用氢
氧化钙调节。
[0017] 步骤（4）所述的拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）XH0906，保藏编号为CGMCC No. 9124，在CN201510638879.7中已
申请公开，并提交了保藏及存活证明。
[0018] 步骤（4）制备种子液的种子培养基可以和发酵培养基成分相同，也可以不同。优选采用如下配方的种子培养基：水解混合糖液的用量为使糖浓度为2-8 g/L，蛋白胨5-15 g/L，酵母膏2-5 g/L，牛肉膏5-15 g/L，半胱氨酸
盐酸盐0.2-0.6 g/L，氯化钠 1-4 g/L，醋酸钠 2-4 g/L，调节pH为6.0-8.5，115℃灭菌30min。固体培养基通过在液体培养基如发酵培养基中加入1wt%-2wt%的琼脂制得。
[0019] 步骤（4）所述种子液的制备是把拜氏梭菌XH0906在固体培养基平板活化，置于无氧环境中，28-42℃培养12-48 h，然后挑取活化的单菌落接入到种子培养基中，28-42℃静置培养12-48 h。
[0020] 步骤（4）采用的发酵工艺可以采用目前已知的工艺，如搅拌罐发酵、原位萃取发酵和气体原位抽提发酵等。优选采用搅拌罐发酵，搅拌是为了保证发酵体系中培养基和菌体之间的均匀性，搅拌线速度为50-300 r/min。
[0021] 步骤（4）所述的种子液以体积比2%-20%，优选5%-15%的接种量接入到液体发酵培养基中。所述的发酵条件为厌氧发酵或兼氧发酵，发酵温度为28-42℃，优选32-38℃；发酵时间24-120h，优选24-72h。采用拜氏梭菌XH0906作为发酵菌株，采用兼氧条件时培养基无需加入保险粉除氧，培养过程中不用通入N2保持厌氧环境。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：（1）采用低强度的中性蒸汽爆破预处理过程，降低了木糖损失率，减少了预处理物料中的抑制物浓度，水解液无需脱毒即可用于拜氏羧菌XH0906发酵联产丁醇和丙酮，从而省略发酵过程前的固液分离和脱毒处理等步骤，降低发酵成本。
[0023] （2）采用较低强度的中性蒸汽爆破预处理过程，可以生成适宜浓度的抑制物，有助于诱导拜氏羧菌XH0906联产异丙醇和丁醇，减少丁醇代谢通量，而异丙醇代谢通量增加，最终二者的比例接近4:5-1:1，因此改善发酵效果。
[0024] （3）拜氏羧菌XH0906可在兼氧条件下进行发酵，减少了传统厌氧发酵过程中的除氧过程，无需全程通入N2，避免了因除氧不干净造成的菌体不生长现象，降低了能耗。
[0025] （4）培养基中加入碳酸钙使发酵过程pH保持相对稳定，同时为菌体代谢提供必要的钙离子，提高了异丙醇产量，缩短发酵时间。
[0026] （5）采用木质纤维素为原料发酵联产丁醇和异丙醇，减少粮食的消耗，变废为宝，同时还可增加农民的收入。
具体实施方式
[0027] 下面结合具体
实施例对本发明做进一步详细说明。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本发明中，wt%为质量分数。
[0028] 本发明实施例使用的木质纤维素原料为玉米秸秆，其中纤维素38.2wt%，半纤维素22.1wt%，木质素20.2wt%，灰分3.9wt%，用粉碎机粉碎至颗粒大小为1-5厘米。
[0029] 本发明通过液相色谱仪对发酵液中的产物和副产物进行分析，以计算其中主要成分的浓度：液相色谱仪（安捷伦1200），色谱柱为伯乐HPX-87H（300mm×7.8mm），流动相为0.005mol/L H2SO4水溶液，流速为0.6mL/min，柱温箱为65℃，检测器为示差检测器（安捷伦
1200），检测器温度为45℃，进样量为5μL。干物质浓度采用赛多利斯HG63水分测定仪烘干法测定。
[0030] 葡萄糖酶解得率=水解葡萄糖质量×0.9/纤维素质量×100%；木糖酶解得率=水解木糖质量×0.88/木聚糖质量×100%。
[0031] 实施例1（1）取粉碎的玉米秸秆，按照固液比1g:3mL加入自来水浸湿，进入到蒸汽爆破装置的滞留器中，在150℃、压力1.0MPa下维持10min，瞬间泄压爆破，得到中性蒸汽爆破预处理的玉米秸秆。主要由木糖、木寡糖、木聚糖、纤维素和木质素组成，干物质浓度为32%，木糖、木寡糖和木聚糖含量为19.11%（相对于干物质），纤维素含量为39.7%（相对于干物质）。
[0032] （2）将预处理好的玉米秸秆加入自来水调节干物质浓度为10%，采用的纤维素酶为诺维信Ctec2，纤维素酶加入量为30FPIU/g纤维素，酶解的pH 值为5.0，于50℃、150r/min酶解72h。经检测，木糖浓度为19g/L，葡萄糖浓度为39g/L，葡萄糖酶解得率为84%，木糖酶解得率为83%。
[0033] （3）水解混合糖液不经过固液分离与脱毒过程，直接用于发酵培养基的制备，水解混合糖液的用量为使糖浓度为50g/L。补加以下
营养元素配成发酵培养基：大豆蛋白胨8g/L，牛肉膏0.4g/L，硫酸铵1g/L；磷酸二氢钾4g/L，硫酸镁0.4g/L，硫酸亚铁0.2g/L，氯化钠0.6g/L，氯化钙0.2g/L；维生素B1 0.04g/L，对氨基
苯甲酸0.04g/L，生物素0.004g/L。加入Ca(OH)2调节pH 到7.0。无需灭菌。固体培养基是在液体培养基中加入1.5wt%的琼脂制得。
[0034] （4）种子培养基采用与发酵培养基相同的成分，把拜氏梭菌XH0906在固体培养基平板活化，置于无氧环境中，30℃培养24h，然后挑取活化的单菌落接入到培养基中，无需除氧，在35℃静置培养24h，得到种子液。将种子液按照体积比10%的接种量接种至发酵培养基中进行发酵，采用立式搅拌罐，搅拌线速度为150r/min。发酵条件为兼氧发酵，培养基无需加入保险粉脱氧，发酵温度为34℃，发酵过程不用通入N2保持无氧环境，自然pH，发酵48小时，即得到含有丁醇和异丙醇的发酵液。
[0035] 经检测，发酵液中的丁醇浓度为6.05 g/L，异丙醇浓度5.41g/L，残余葡萄糖和木糖浓度分别为7.2 g/L和5.4 g/L。
[0036] 实施例2（1）取粉碎的玉米秸秆，按照固液比1g:2mL加入自来水浸湿，进入到蒸汽爆破装置的滞留器中，在120℃、压力1.3MPa下维持20min，瞬间泄压爆破，得到中性蒸汽爆破预处理的玉米秸秆。主要由木糖、木寡糖、木聚糖、纤维素和木质素组成，干物质浓度为32%，木糖、木寡糖和木聚糖含量为15.86%（相对于干物质），纤维素含量为42.71%（相对于干物质）。
[0037] （2）将预处理好的玉米秸秆加入自来水调节干物质浓度为8%，采用的纤维素酶为诺维信Ctec2，纤维素酶加入量为20FPIU/g纤维素，酶解的pH 值为4.5，于45℃、100r/min酶解72h。经检测，木糖浓度为13g/L，葡萄糖浓度为33 g/L，葡萄糖酶解得率为84%，木糖酶解得率为87%。
[0038] （3）水解混合糖液不经过固液分离与脱毒过程，直接用于发酵培养基的制备，水解混合糖液的用量为使糖浓度为40g/L。补加以下营养元素配成发酵培养基：大豆蛋白胨10g/L，牛肉膏0.6g/L，硫酸铵1.0g/L；磷酸二氢钾3g/L，硫酸镁0.3g/L，硫酸亚铁0.1g/L，氯化钠0.4g/L，氯化钙0.1g/L；维生素B1 0.02g/L，对氨基苯甲酸0.02g/L，生物素0.001g/L。加入Ca(OH)2调节pH 到6.5。无需灭菌。固体培养基是在液体培养基中加入1.5wt%的琼脂制得。
[0039] （4）种子培养基采用与发酵培养基相同的成分，把拜氏梭菌XH0906在固体培养基平板活化，置于无氧环境中，34℃培养24h，然后挑取活化的单菌落接入到培养基中，无需除氧，在34℃静置培养24 h，得到种子液。将种子液按照体积比15%的接种量接种至发酵培养基中进行发酵，采用立式搅拌罐，搅拌线速度为100r/min。发酵条件为兼氧发酵，培养基无需加入保险粉脱氧，发酵温度为34℃，发酵过程不用通入N2保持无氧环境，自然pH，发酵48小时，即得到含有丁醇和异丙醇的发酵液。
[0040] 经检测，发酵液中的丁醇浓度为6.01 g/L，异丙醇浓度5.43g/L，残余葡萄糖和木糖浓度分别为1.7 g/L和2.5 g/L。
[0041] 实施例3（1）取粉碎的玉米秸秆，按照固液比1g:4mL加入自来水浸湿，进入到蒸汽爆破装置的滞留器中，在160℃、压力0.8MPa下维持5min，瞬间泄压爆破，得到中性蒸汽爆破预处理的玉米秸秆。主要由木糖、木寡糖、木聚糖、纤维素和木质素组成，干物质浓度为32%，木糖、木寡糖和木聚糖含量为20.34%（相对于干物质），纤维素含量为38.57%（相对于干物质）。
[0042] （2）将预处理好的玉米秸秆加入自来水调节干物质浓度为20%，采用的纤维素酶为诺维信Ctec2，纤维素酶加入量为50FPIU/g纤维素，酶解的pH 值为5.5，于55℃、200r/min酶解72h。经检测，木糖浓度为45 g/L，葡萄糖浓度为73g/L，葡萄糖酶解得率为77 %，木糖酶解得率为88%。
[0043] （3）水解混合糖液不经过固液分离与脱毒过程，直接用于发酵培养基的制备，水解混合糖液的糖浓度为58g/L。补加以下营养元素配成发酵培养基：大豆蛋白胨12g/L，牛肉膏0.8g/L，硫酸铵1.2g/L；磷酸二氢钾2g/L，硫酸镁0.1g/L，硫酸亚铁0.05g/L，氯化钠0.05g/L，氯化钙0.05g/L；维生素B1 0.04g/L，对氨基苯甲酸0.04g/L，生物素0.004g/L。加入Ca(OH)2调节pH 到7.5。无需灭菌。固体培养基是在液体培养基中加入1.5wt%的琼脂制得。
[0044] （4）种子培养基采用与发酵培养基相同的成分，把拜氏梭菌XH0906在固体培养基平板活化，置于无氧环境中，34℃培养24h，然后挑取活化的单菌落接入到培养基中，无需除氧，在34℃静置培养24 h，得到种子液。将种子液按照体积比7%的接种量接种至发酵培养基中进行发酵，采用立式搅拌罐，搅拌线速度为200r/min。发酵条件为兼氧发酵，培养基无需加入保险粉脱氧，发酵温度为34℃，发酵过程不用通入N2保持无氧环境，自然pH，发酵72小时，即得到含有丁醇和异丙醇的发酵液。
[0045] 经检测，发酵液中的丁醇浓度为6.22g/L，异丙醇浓度5.67g/L，残余葡萄糖和木糖浓度分别为6.3 g/L和14.5 g/L。
[0046] 实施例4制备过程及操作条件同实施例1。不同在于：在发酵培养基中加入2g/L的碳酸钙，整个过程不用控制pH。经检测，发酵液中的丁醇浓度为8.56g/L，异丙醇浓度7.93g/L，葡萄糖和木糖浓度均低于0.1g/L。
[0047] 实施例5制备过程及操作条件同实施例1。不同在于：种子培养基采用如下配方：水解混合糖液的用量为使糖浓度为8g/L，蛋白胨10g/L，酵母膏3g/L，牛肉膏10g/L，半胱氨酸盐酸盐0.4g/L，氯化钠2g/L，醋酸钠3g/L，调节pH为7.5，115℃灭菌30min。经检测，发酵液中的丁醇浓度为6.25g/L，异丙醇浓度5.54g/L，残余葡萄糖和木糖分别为4.5g/L和7.6g/L。
[0048] 实施例6制备过程及操作条件同实施例1。不同在于：发酵培养基中氮源仅为酵母膏10g/L，牛肉膏0.6g/L，醋酸铵1.0g/L。经检测，发酵液中的丁醇浓度为5.89g/L，异丙醇浓度5.37g/L，残余葡萄糖和木糖浓度分别为5.5g/L和8.7g/L。
[0049] 实施例7制备过程及操作条件同实施例1。不同在于：发酵培养基中氮源仅为大豆蛋白胨11g/L，牛肉膏0.6g/L。经检测，发酵液中的丁醇浓度为5.87g/L，异丙醇浓度5.26g/L，残余葡萄糖和木糖浓度分别为5.8 g/L和8.4g/。
[0050] 实施例8制备过程及操作条件同实施例1。不同在于：发酵培养基中氮源仅为大豆蛋白胨11g/L，硫酸铵1.0g/L。经检测，发酵液中的丁醇浓度为5.63g/L，异丙醇浓度5.05g/L，残余葡萄糖和木糖浓度分别为6.8g/L和9.0g/L。
[0051] 实施例9制备过程及操作条件同实施例1。不同在于：发酵培养基中补加的营养盐为磷酸二氢钾
3g/L，硫酸镁0.3g/L，硫酸亚铁0.1g/L，氯化钠0.4g/L。经检测，发酵液中的丁醇浓度为
5.92g/L，异丙醇浓度5.33g/L，残余葡萄糖和木糖浓度分别为6.3g/L和7.8 g/L。
[0052] 实施例10制备过程及操作条件同实施例1。不同在于：发酵培养基中补加的营养盐为磷酸二氢钾
3g/L，硫酸亚铁0.1g/L，氯化钠0.4g/L，氯化钙0.1g/L。经检测，发酵液中的丁醇浓度为
5.87g/L，异丙醇浓度5.24g/L，残余葡萄糖和木糖浓度分别为5.7g/L和8.9g/L。
[0053] 实施例11制备过程及操作条件同实施例1。不同在于：发酵培养基中不加入生物素。经检测，发酵液中的丁醇浓度为5.93g/L，异丙醇浓度5.31g/L，残余葡萄糖和木糖浓度分别为6.3g/L和
8.3g/L。
[0054] 实施例12制备过程及操作条件同实施例1。不同在于：发酵培养基采用氢氧化钠代替氢氧化钙调节pH。经检测，发酵液中的丁醇浓度为4.88 g/L，异丙醇浓度4.24g/L，残余葡萄糖和木糖浓度分别为9.5g/L和11.6g/L。
[0055] 实施例13制备过程及操作条件同实施例1。不同在于：发酵过程为厌氧发酵。经检测，发酵液中的丁醇浓度为5.98g/L，异丙醇浓度5.49g/L，残余葡萄糖和木糖分别为7.1 g/L和5.1g/L。
[0056] 比较例1制备过程及操作条件同实施例1，不同在于：玉米秸秆原料在蒸汽爆破装置的滞留器中，在温度180℃、压力1.8 MPa下维持10min，瞬间泄压爆破。发酵120 h内菌体未生长，无产物生成。
[0057] 比较例2处理流程和操作条件同实施例1，不同在于：采用中国
专利201410731297.9中描述的拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）CM20。发酵72小时，即得到含有丁醇、丙酮和乙醇的发酵液，发酵液中无葡萄糖和木糖残余，总溶剂浓度15.04 g/L，其中丁醇浓度为8.50g/L，丙酮浓度为6.14g/L和乙醇浓度0.40 g/L。
