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摘 要

甘蔗渣是一种常见的废弃物，我国制糖厂每年有大量的蔗渣副产物，由于其纤维素含量较高，已成为一种优质的可再生生物资源。本研究以C. acetobutylicum WQ1为发酵菌株，甘蔗渣为木质纤维素水解原料，进行丁醇的厌氧发酵生产。首先优化了甘蔗渣的水解条件，接着对其发酵条件进行优化以进一步提高丁醇的收率。最终丁醇发酵优化的结果为：利用极性非质子溶剂γ-戊内酯（GVL）辅助水解微波-碱预处理后的甘蔗渣，制备糖液用于发酵；蔗渣糖液的最佳添加浓度为40.0 g/L；同时在优化培养基中培养94小时，丁醇收率达最大为9.3g/L，产率达65.22%。该结果表明甘蔗渣可以作为碳源生产丁醇，同时探究了一种绿色环保低成本发酵丁醇的新工艺。

关键词：甘蔗渣，厌氧发酵，丁醇，γ-戊内酯，微波-碱预处理

Abstract: Bagasse is a kind of common waste. There are a large number of bagasse by-products in our sugar factory every year. Because of its high content of cellulose, it has become a kind of high quality renewable biological resources. In this study, C. acetobutylicum WQ1 was used as a fermentation strain, and bagasse as a typical representative of lignocellulosic material, and the anaerobic fermentation of butanol was carried out. First, the feasibility of the experiment is proved by preliminary experimental results. Then we optimized the fermentation conditions to further improve the yield of butanol. The optimization results of butanol fermentation were as follows: the sugar solution was prepared by hydrolysis of microwave alkali pretreated bagasse with polar non proton solvent gamma glutamyl (GVL). The optimum concentration of sugar solution for bagasse was 40 g/L, and the maximum yield of butanol was 9.3g/L and the yield reached 65. at the same time in the optimized culture medium for 94 hours. 22%. The results showed that bagasse could be used as a carbon source to produce butanol, and a new technology of green environmental protection and low cost fermentation of butanol was explored.

Key words: Bagasse, anaerobic fermentation, Butanol, Gamma pentyl ester, Microwave alkali pretreatment

目 录

1 前言 4

1.1 生物燃料丁醇的发展历史与存在问题 4

1.2 利用低廉的生物质资源制备生物燃料丁醇 5

1.2.1 木质纤维素原料常用的预处理方式 5

1.2.2 极性非质子溶剂体系水解木质纤维素原料的研究 7

1.2.3 利用木质纤维素原料制备生物燃料丁醇的研究现状 7

2 材料与方法 8

2.1 实验材料 8

2.1.1 原料与菌株 8

2.1.2 试剂 8

2.2 实验仪器 8

2.3 水解体系的配制 9

2.4 甘蔗渣水解液的制备 9

2.5 培养基 9

2.6 分析方法 10

2.7 甘蔗渣主要成分的测定 10

2.8 微波-碱预处理甘蔗渣脱除木质素 10

2.9 水解液中两相的分离 11

2.10 水相中糖液组分的测定 11

2.11 甘蔗渣扫描电镜 11

3 结果与讨论 11

3.1 甘蔗渣水解残渣的组分分析 11

3.2 甘蔗渣在GVL/水体系中的水解屏障分析 12

3.3 微波-碱预处理脱除木质素组分及改变甘蔗渣内部结构 13

3.4 用微波-碱预处理后的甘蔗渣水解制备糖液 14

3.5 以甘蔗渣酸解糖液制备生物燃料丁醇的可行性考察 15

结 论 16

参 考 文 献 17

致 谢 20

1 前言

化石资源本身的不可再生性以及在使用过程中造成的日益严重的环境污染问题，使得全球能源研究者将目光转向了绿色环保的生物能源的研发。生物丁醇（C₄H₉OH）（图1）（图2）被认为是最理想的汽油添加剂之一，与乙醇相比具有很多优点，例如挥发性小、能量密度大，燃烧值高，能与汽油以任意比混合等^[7]。同时，丁醇作为一种重要的化工原料被广泛的应用在食品、材料、医药等领域。目前主要有两大类制备丁醇的方法：化学法和生物法^[2]。而生物法则是丁醇的传统生产方法，具有悠久的历史,但是发酵制备生物丁醇存在诸多瓶颈问题（原料成本高、产物浓度低、分离成本高）严重限制了其在未来的产业化生产^[4]。因此以可再生的废弃生物质资源制备生物丁醇对实现我国工业转型、提升国家能源安全、促进社会可持续发展均具有重要的战略意义。本文将以甘蔗渣作为木质纤维原料的典型代表展开研究^[1]，利用极性非质子溶剂γ-戊内酯（GVL）辅助水解甘蔗渣，并将微波-碱预处理后的甘蔗渣作为原料进行水解制备糖液用于丁醇的发酵，以期获得利用甘蔗渣厌氧发酵生产丁醇的生物发酵工艺。

图1 丁醇的分子结构式

图2 丁醇的理化性质及合成方法

1.1 生物燃料丁醇的发展历史与存在问题

追溯到20世纪初，人们已经发现可将来源于淀粉、糖蜜等有些碳水化合物通过产溶剂梭菌Clostridia的厌氧发酵转化为丙酮和丁醇等溶剂，因而也被简称为ABE(AB)发酵。ABE发酵曾经是丁醇的唯一工业化生产方法^[3,4]，在20世纪早期发展迅速并一度成为继乙醇之后世界第二大工业发酵产品。然而，在20世纪50年代，由于粮食原料成本的增加和石油化工的发展，使得ABE发酵法逐渐失去了竞争力，到上世纪80年代时，只有中国、俄罗斯和南非等几个少数国家仍通过生物法生产丁醇^[9,10]，进入90 年代后，全球生物法生产装置已基本关闭。但由于国际石油价格的快速上涨以及世界各国对日益减少的石油资源的紧张， 2007年，美国DuPont和英国石油公司（BP）宣布联合开发低成本、高产的生物丁醇制备工艺^[17]。英国也从 2006 年起开始利用本国种植的甜菜生产生物丁醇，并与传统汽油进行混合使用^[18]。中科院、南京工业大学等国内研究机构已与企业合作共同开发经济的生物丁醇制备工艺^[13~15]。但2010年后随着全球粮食价格的迅速上涨，生产处于亏本状态，相关装置又陆续关闭。

目前，生物法制备燃料丁醇的过程仍然存在诸多尚未解决的问题，如：原料成本高、醇产物浓度低，副产物比例大、分离过程能耗高等^[8]。

1.2 利用低廉的生物质资源制备生物燃料丁醇

ABE发酵经历了由盛而衰的过程，较高的生产成本是影响和制约ABE发酵的关键，原料成本占比太大导致其不如石化法。早期ABE发酵生产生物丁醇的主要原料为玉米、谷物、木薯等淀粉质资源，但粮食原料的使用使得生物法制备丁醇的成本高于石化法，严重限制丁醇发酵产业的发展，因此探索廉价的非粮原料成为了生物能源最新的发展方向^[26]。而木质纤维素是地球上最丰富的可再生生物质资源，因含有丰富的己糖和戊糖被认为是一种极具潜力的的生物发酵原料^[28,29]。我国8亿吨秸秆类木质纤维素资源储量将可为多种生物转化过程提供廉价的原料。由于产溶剂梭菌不具有分泌纤维素酶体的能力^[31]，因而不能直接分解纤维素类原料进行同步糖化发酵。为实现木质纤维素资源的高效利用，原料首先需经预处理后分解成为含糖水解液才能被微生物进一步代谢合成生物燃料丁醇^[35]。

1.2.1 木质纤维素原料常用的预处理方式

木质纤维素原料紧密结构所导致的流体难以在其内部传递的特性是其抗降解的主要因素之一^[19，20]。因此，通过预处理方式破解其原有的组织、细胞结构，尤其是细胞壁紧密结构，是破坏植物原有的流体传输通道，提高转化效率的关键。理想的预处理方式应当是促进糖的形成，或提高后续酶解的得糖率；避免糖降解或损失，尽量提高底物浓度，以得到较高的糖浓度和产物浓度，减少后续处理；因此，寻求经济高效的预处理方式是十分有必要的。具体的处理方式^[40,41]如下图：

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