一种高效转化纤维素乙醇蒸馏醪中木糖生产木糖酸的方法与流程

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，是利用纤维素乙醇蒸馏醪中的木糖生产木糖酸的方法。

背景技术：

木糖酸是近年出现的一种新化工产品，是一种功能多、用途广的平台化合物，被美国能源部评为可生物转化的三十种最有价值的化合物之一。木糖酸已经在多个行业得到广泛应用，尤其是在建筑行业，木糖酸作为一种水泥分散剂，其分散效果大约是常用的木质素磺酸盐的两倍。木糖酸热稳定性好，是工业规模生产1,2,4-丁三醇的前体；也是维生素c的重要代谢产物之一，对维生素c在体内的有效循环与代谢有至关重要的调节作用；除此之外木糖酸还是多种重要化学转化过程必不可少的中间体。木糖酸盐也有很广泛的应用，如木糖酸钠是新一代植物生长调节剂和水产养殖中酸性环境必不可少的添加剂。

目前生产木糖酸的方法主要有化学合成法和生物合成法两种。化学合成法主要通过碘或者钯等作为催化剂对木糖进行催化生产木糖酸，但是其过程繁琐、不易操作、反应条件苛刻、环境污染严重。与化学合成法相比，生物合成法工艺条件温和，生产成本较低，对环境影响小，因而商业应用前景广阔。

生物合成法生产木糖酸的原料主要是木糖，但是木糖的售价高，直接用木糖作为原料将会大大提高木糖酸的生产成本。当前木糖酸产量越来越难以满足日益增加的需求，寻求价格低廉且来源广泛的木糖酸生产原料是木糖酸行业健康发展所面临的首要问题。我国是农业大国，农林业废弃物等为代表的木质纤维素原料的产量巨大，但大部分都被低效的焚烧浪 费掉，不仅造成了巨大的资源浪费，而且导致了比较严重的环境污染和气候问题。而利用木质纤维素来源的原料生产木糖酸，不仅可以有效解决木糖酸行业的原料来源问题，同时还可以有效缓解当前的三农问题，为农业废弃物的深加工提供新的出路。

纤维素乙醇是一种环境友好型绿色生物燃料，主要由数量巨大的农业废弃物、草本植物、以及其他非粮作物等木质纤维素原料生产。纤维素乙醇目前是全球研究的热点，随着技术的创新在不远的未来将会成为机动车的主要燃料，从而大大减轻人类对化石燃料等不可再生资源的依赖，与此同时也缓解了温室效应、环境污染等一系列环境问题所引发的负面影响。目前，纤维素乙醇的大规模工业化生产还存在着许多障碍，传统的乙醇生产菌株只能利用纤维素来源的葡萄糖，难以利用半纤维素来源的戊糖，从而导致发酵醪中仍存在大量未利用的戊糖，其中主要是木糖。尽管代谢工程专家试图构建能够同时发酵葡萄糖和木糖生产乙醇的工程菌，但效果都不太理想，约占木质纤维素中可发酵性糖30％左右的木糖始终无法高效转化为乙醇。而如果将乙醇蒸馏中的高浓度木糖作为生产木糖酸的原料，实现乙醇和木糖酸的联产，将大大提高纤维素乙醇生产中副产物的附加值，降低纤维素乙醇的生产成本，并将推动纤维素乙醇的产业化进程。

现有的利用木质纤维素原料联产乙醇和木糖酸工艺的主要流程为首先将木质纤维素原料经过稀酸或蒸汽爆破预处理，然后固液分离，将含有纤维素的固体部分进行中和、酶解后生产燃料乙醇，将含有木糖的液体部分经过浓缩、中和后生产木糖酸。在这个工艺中，由于预处理方法和发酵方式的限制，得到的可发酵糖浓度比较低，同时产生大量废水。本发明采用了一种新的生产工艺，首先将木质纤维素原料经过干法稀酸预处理、固态生物脱毒，同步糖化与发酵生产乙醇，利用乙醇蒸馏醪中的木糖生产木糖酸。与现有技术相比，本发明可以降低设备投入成本，减少浓缩和固液分离的操作强度，减少废水产生，降低水耗和能耗。

技术实现要素：

本发明目的在于拓展工业用木糖酸发酵的发酵基质，使用价格低廉、资源丰富的木质纤维素，提供一种以纤维素乙醇蒸馏醪中的木糖为原料，通过发酵或全细胞催化的方式生产木糖酸的方法。

本发明的构思：以纤维素乙醇蒸馏醪的木糖为原料高效生产木糖酸，具体地说是首先进行木质纤维素原料进行干法稀酸预处理，得到的原料进行固态生物脱毒，然后经过同步糖化发酵的方式生产乙醇，将乙醇蒸馏醪中的木糖作为原料通过以下两种途径生产木糖酸：一、将培养好的木糖酸生产菌株按发酵体积的1～20％的接种量接入生产菌株进行木糖酸的发酵；二、将培养好的木糖酸生产菌株离心收集菌体，按发酵体积使菌体干重达到1～5g/l的浓度接入，进行全细胞催化生产木糖酸。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种高效转化纤维素乙醇蒸馏醪中木糖生产木糖酸的方法，其具体步骤为：

(1)干法稀酸预处理：

干法稀酸预处理是指稀硫酸溶液浸润木质纤维素物料，保持物料的固体含量在50～80％，然后在150～200℃下维持1～10min，破坏木质纤维素结构，从而有利于后续酶解过程。

(2)固态生物脱毒：

调节木质纤维素物料ph和含水量后投入带搅拌的生物反应器中，接入脱毒霉菌amorphothecaresinaezn1，固态培养特征在于培养温度20～35℃，物料含水量为30～70％，物料ph4.5～6.5，通气量0.5～3vvm，每隔6～12h开启搅拌1～5分钟，脱毒时间控制在72h以内以保留木糖。脱毒所脱除的化合物包括甲酸、乙酸、糠醛、羟甲基糠醛、芳香族化合物等。

(3)纤维素乙醇蒸馏醪的制备：

向发酵罐中同时加入脱毒后的木质纤维素原料和纤维素酶，用水调节固体含量，在温度 45～55℃，ph4～6的条件下预糖化8～24h，迅速将温度降低至30～40℃后接入乙醇生产菌株在ph4～6的条件下同步糖化与发酵木质纤维素原料生产乙醇，发酵时间为24～72h。所述的木质纤维素原料在发酵罐中的质量分数为10～45％，纤维素酶用量为5～30fpu/gdm。将乙醇发酵醪中的乙醇蒸馏提取至完全，得到纤维素乙醇蒸馏醪。

(4)利用液体种子培养基培养氧化葡萄糖酸杆菌：

液体种子培养基的成分为40～100g/l山梨醇，0.01～10g/l硫酸镁，0.05～10g/l硫酸铵，0.05～10g/l的磷酸二氢钾。液体培养氧化葡萄糖酸杆菌的条件为温度25～40℃，转速50～500rpm，培养12～48h，od600值达到1～7；od600值是指含有菌体的溶液在600nm波长处的吸光值。培养的氧化葡萄糖酸杆菌用于液体发酵基质的进一步培养或生产。

(5)木糖酸的生产

将培养获得的木糖酸生产菌株按发酵体积的1～20％的接种量接入纤维素乙醇蒸馏醪中或者将菌体离心后按菌体干重1～5g/l接入纤维素乙醇蒸馏醪中。控制温度20～40℃，ph3～6，转速0～800rpm，通气量0～5vvm的条件下，利用纤维素乙醇蒸馏醪中的木糖生产木糖酸，时间为12～120h。

与已有技术相比，本发明的积极效果是：

(1)本发明以纤维素乙醇蒸馏醪中的木糖为原料生产木糖酸，基质成本低廉，来源广泛，充分利用了可再生资源，不与人争粮，能够满足不断扩大的市场需求；

(2)本发明使用独特的培养工艺，在发酵过程或生物催化过程不需要添加任何营养物质，成本低，木糖酸得率高；

(3)本发明以以木质纤维素乙醇蒸馏醪中的木糖为原料生产木糖酸及其盐类化合物，操作简单，可有效减少废水的产生，降低生产水耗功耗，对纤维素乙醇发酵废液的再利用可以有效降低现有纤维乙醇生产总成本，实现对木质纤维素原料的多元化高效利用，实现基于木质纤维素的大宗精细化学品生物炼制。

【附图说明】

图1利用纤维素乙醇蒸馏醪中木糖生产木糖酸的工艺流程图；图2实施方式1发酵过程曲线；图3实施方式2全细胞催化过程曲线

【具体实施方式】

以下提供本发明一种高效转化纤维素乙醇蒸馏醪中木糖生产木糖酸的方法的具体实施方式。

实施例1

将烘干的玉米秸秆与5％浓度的稀硫酸溶液以2:1的质量比混合均匀，于175℃、0.8mpa的条件下预处理5min；预处理后将物料ph值调节到5.5，接入培养好的生物脱毒菌种amorphothecaresinaezn1于螺带桨生物反应器中，28℃的条件下，通气量1vvm，每6h搅拌2min，培养36h；然后将脱毒后的物料加入反应器中，调节固体含量至30％(w/w)，加入纤维素酶(酶用量为15fpu/gdm)，于50℃、150rpm的条件下预糖化12h，降低体系温度至37℃后接入培养好的乙醇生产菌株saccharomycescerevisiaedq1同步糖化发酵生产乙醇。乙醇生产过程中用5m氢氧化钠控制ph在4.8。得到的发酵醪中乙醇浓度为63.3g/l。将乙醇蒸馏醪中木糖浓度为66.4g/l，以10％接种量接入培养好的gluconobacteroxydansdsm2003种子液，30℃液态发酵72h，转速500rpm，通气量1.6vvm，ph5.5，发酵醪中木糖酸的浓度为64.2g/l，木糖酸得率达到93.4％。

实施例2

将烘干的玉米秸秆与5％浓度的稀硫酸溶液以2:1的质量比混合均匀，于175℃、0.8mpa的条件下预处理5min；预处理后将物料ph值调节到5.5，接入培养好的生物脱毒菌种amorphothecaresinaezn1于螺带桨生物反应器中，28℃的条件下，通气量1vvm，每6h搅 拌2min，培养36h；然后将脱毒后的物料加入反应器中，调节固体含量至30％(w/w)，加入纤维素酶(酶用量为15fpu/gdm)，于50℃、150rpm的条件下预糖化12h，降低体系温度至37℃后接入培养好的乙醇发酵菌株saccharomycescerevisiaedq1同步糖化发酵生产乙醇。乙醇生产过程中用5m氢氧化钠控制ph在4.8。得到的发酵醪中乙醇浓度为63.3g/l，将乙醇蒸馏醪中木糖浓度为72.2g/l。将培养好的木糖酸生产菌株gluconobacteroxydansdsm2003种子液8000rpm离心5min，收集菌体接入纤维素乙醇蒸馏醪使菌体浓度达到2g/l，以全细胞催化的方式生产木糖酸。在30℃，ph5.5，转速500rpm，通气量1.6vvm条件下生物催化12h，最终得到的木糖酸的浓度为72.9g/l，木糖酸的得率达到98.1％。

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，在不脱离本发明构思的前提下，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内。