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以木质纤维素为原料的醇酸联产工艺开发

2021-08-18

 

微生物发酵生产的醇类燃料是重要的生物液体燃料,但其生产过程中普遍存在戊糖难以利用和CO2排放等问题,而琥珀酸发酵生产的放线杆菌等具有高效的戊糖代谢和CO2吸收能力。为此,开发以木质纤维素为原料的醇酸联产工艺,有助于形成高效、原料组分充分利用的生物炼制工艺。
中国科学院广州能源研究所(以下简称“广州能源所”)在长链醇和乙醇等醇类燃料生产方面具有深厚的技术积淀,构建了长链醇高效生产的基因工程菌,建成了年产3 000 t的蔗渣乙醇示范工程。在此基础上,广州能源所与具有丰富琥珀酸发酵生产经验的香港城市大学连思琪博士团队合作,积极学习他们在琥珀酸发酵菌株选育与发酵生产工艺构建方面的先进经验。
利用自身研究基础,广州能源所开发了基于碱处理-酶水解的糖平台,再先后接入酿酒酵母S. cerevisiae和放线杆菌A. succinogenes,协调发酵过程的温度和pH值等进行己糖戊糖共发酵,实现醇酸联产。该过程发酵该过程A. succinogenes能吸收以S. cerevisiae发酵己糖产生乙醇带来的副产物CO2,再以戊糖为底物进行发酵生产琥珀酸,最终生产的醇酸浓度大于20 g/L,具有较高的后续利用价值。项目成果先后发表在International Journal of Biological MacromoleculesBioresource TechnologyCelluloseBiochemical Engineering Journal等期刊。
 
1 主要技术创新
在糖平台开发方面,首先采用2%(w/v)NaOH溶液与甘蔗渣以液固比20︰1的比例混合于60℃90℃反应2 h以脱除木质素,然后将碱渣分批补料进行高固酶解,在加酶量为4 FPU/g底物的前提下,72 h后获得浓度分别为125 g/L和44 g/L的葡萄糖和木糖。
在糖发酵方面,先在40 g/L的混合糖(葡萄糖︰木糖=3︰1)中接入放线杆菌A. succinogenes进行琥珀酸发酵,12 h后再接入酿酒酵母S. cerevisiae进行联产发酵,然后分别于第18 h、30 h和42 h补加酶解液50 mL、80 mL和120 mL,累计发酵60 h后获得醇酸浓度均高于20 g/L。
该项目开发了高效的以木质纤维素为原料的醇酸联产工艺,对该工艺进行放大建成了百升级的小型装置,具有较好的产业化前景。与单一醇生产相比,该工艺不仅降低了CO2排放,还提高了戊糖利用率。
 
2 社会经济效益
乙醇和琥珀酸分别作为优良的液体燃料和平台化合物,是未来生物炼制发展的重要方向。项目开发的木质纤维素醇酸联产技术可提高原料利用的经济性、降低产品的生产成本,有助于减轻对化石资源的依赖,缓解我国当前面临的环境污染和资源危机等问题。
通过项目的实施,大幅提高了广州能源所生物炼制技术的国内和国际影响力。目前,广州能源所已与香港城市大学在后续醇酸联产关键技术、醇酸产物分离与浓缩等方面达成合作共识,争取进一步完善研究成果,形成完整的生产工艺与技术包,促进项目成果落地,产生经济效益。