本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種以農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料制備人造淀粉、纖維素乙醇及單細胞蛋白的方法，屬于酶催化制備與微生物聯(lián)合發(fā)酵的領(lǐng)域。該方法以農(nóng)林業(yè)生物質(zhì)中的纖維素及其衍生物為底物，在酵母和多酶共存的反應(yīng)體系中，通過酵母發(fā)酵和體外多酶體系進行高效催化，將纖維素同時轉(zhuǎn)化為人造淀粉、纖維素乙醇和單細胞蛋白；本發(fā)明專利技術(shù)通過體系與過程優(yōu)化，將包含來源于植物α?1,4?葡聚糖磷酸化酶和纖維二糖磷酸化酶的多酶復(fù)合體在酵母表面進行展示，并添加人工調(diào)配的纖維素水解酶混合酶，從而建立酵母與多酶體系的聯(lián)產(chǎn)反應(yīng)體系。本發(fā)明專利技術(shù)方法可同時實現(xiàn)人造淀粉、纖維素乙醇、單細胞蛋白的規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及農(nóng)林業(yè)生物質(zhì)的資源利用領(lǐng)域，具體涉及對農(nóng)林業(yè)生物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化利用。
技術(shù)介紹
隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，中國面臨著可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境保護等多方面的嚴(yán)峻壓力。目前中國境內(nèi)多數(shù)地方飽受霧霾污染，經(jīng)分析，田地間秸稈焚燒產(chǎn)生的有害氣體及顆粒物是夏秋季節(jié)各地霧霾天氣的重要污染源，據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)每年田間焚燒秸稈超過1.5億噸，由此產(chǎn)生的污染物極大的加劇了霧霾天氣的形成。近幾年來，為了解決秸稈焚燒問題，各地在政府的支持下，研究開發(fā)了多種秸稈處理和循環(huán)利用的新技術(shù)，包括飼料加工，焚燒發(fā)電，加工為替代煤炭的生物質(zhì)能源，制造沼氣，加工成有機肥等，但這些技術(shù)普遍科技含量較低，生產(chǎn)成本過高，不能大規(guī)模應(yīng)用以解決秸稈焚燒問題。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物秸稈中含有許多有機營養(yǎng)物質(zhì)，是自然界存在量巨大的可再生資源。我國年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈達5億噸，其中，除少部分秸稈被用作牛羊等反芻動物的飼料或還田作肥料外，大部分被焚燒、廢棄，即造成了資源的巨大浪費，也對環(huán)境產(chǎn)生污染。因此，研究利用秸稈中的有機物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)單細胞蛋白、酒精、甘油等產(chǎn)品，變廢為寶，對解決人類面臨的能源短缺、蛋白質(zhì)短缺、環(huán)境污染等問題具有重大意義。我國是人口大國，糧食安全是我國基本國策。“國以民為本，民以食為天”，糧食不僅是關(guān)系國計民生最基本的生活資料，更是國家經(jīng)濟安全的重要戰(zhàn)略物資。但是目前中國耕地的生產(chǎn)能力已經(jīng)接近極限。為滿足糧食需求，2014年中國進口量各類谷物和大豆9000萬噸，糧食自給率已經(jīng)跌到87%。未來糧食增產(chǎn)主要將依靠科技創(chuàng)新。如果能將秸稈中的纖維素（β-1,4-葡聚糖）轉(zhuǎn)化為淀粉（α葡聚糖），將極大的有助于解決中國的糧食危機問題。乙醇是一種重要的可再生基礎(chǔ)工業(yè)原料和能源，發(fā)展燃料乙醇對于調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)，節(jié)約石油資源，從戰(zhàn)略上減輕我國對石油進口的依賴程度，提高國家能源供應(yīng)的安全具有重要意義。生物乙醇行業(yè)目前進入第二代生物乙醇發(fā)展階段。由于第一代生物乙醇以玉米、甘蔗等為原料，引起人們對糧食供應(yīng)的擔(dān)憂，能源化工企業(yè)開發(fā)了第二代生物乙醇。第二代生物乙醇也稱纖維素乙醇，以農(nóng)林廢棄物中所含的纖維素為原料，包括玉米秸稈、玉米芯、小麥和水稻秸稈、甘蔗渣等。纖維素乙醇原料可再生，既不影響糧食供應(yīng)，也可以充分利用現(xiàn)有乙醇汽油的基礎(chǔ)設(shè)施，是公認(rèn)的綠色能源。但事實上過去幾年中，纖維素乙醇在全球范圍內(nèi)都進展緩慢。根據(jù)美國2010年宣布的可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)(RFS)，到2022年，美國須生產(chǎn)160億加侖/年纖維素乙醇，2011年的目標(biāo)是2.5億加侖，可實際上2011年美國纖維素乙醇的產(chǎn)量僅約660萬加侖（2萬噸）。中國國內(nèi)目前僅有一些纖維素乙醇商業(yè)化示范裝置投產(chǎn)運行。阻礙纖維素乙醇獲得迅速發(fā)展的主要因素是成本，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，即使加上補貼，纖維素乙醇也不具市場競爭力。急需新技術(shù)來突破纖維素乙醇商業(yè)化瓶頸。單細胞蛋白又稱生物菌體蛋白或微生物蛋白，是指酵母菌、真菌、霉菌、非致病性細菌等單細胞微生物體內(nèi)所產(chǎn)生的菌體蛋白質(zhì)，含量為40%~80%。單細胞蛋白飼料不僅蛋白質(zhì)含量高，還含有脂肪、碳水化合物、核酸、維生素和無機鹽，以及動物機體所必需的各種氨基酸，特別是植物飼料中缺乏的賴氨酸、蛋氨酸和色氨酸含量較高，生物學(xué)價值大大優(yōu)于植物蛋白飼料，是飼料添加劑以及人造蛋白食物的重要來源（Mycoprotein）。而農(nóng)作物秸稈中的纖維素在一定條件下可轉(zhuǎn)化成人造淀粉、乙醇、單細胞蛋白，因此受到各國科學(xué)家的重視。劉劍虹等人研究了酸處理玉米秸稈生物轉(zhuǎn)化單細胞蛋白（《天津商學(xué)院學(xué)報》，第21卷第3期，“酸處理玉米秸稈生物轉(zhuǎn)化單細胞蛋白的研究”）；朱均均等人研究了玉米秸稈生物煉制燃料乙醇（《林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)》，2011年06期，“玉米秸稈生物煉制燃料乙醇的研究”）。但現(xiàn)有技術(shù)中并未見有關(guān)于以農(nóng)林業(yè)纖維素生物質(zhì)（包括秸稈）為原料，利用微生物發(fā)酵和多酶體系催化反應(yīng)聯(lián)合制備人造淀粉、纖維素乙醇和單細胞蛋白的工藝方法及相關(guān)研究。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是利用農(nóng)林業(yè)生物質(zhì)中的纖維素生產(chǎn)人造淀粉，反應(yīng)中冗余的葡萄糖將被工業(yè)酵母利用生產(chǎn)乙醇，同時以反應(yīng)殘渣中的酵母為來源提取單細胞蛋白。為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供一種以農(nóng)林業(yè)生物質(zhì)為原料發(fā)酵制備人造淀粉、纖維素乙醇及單細胞蛋白的方法，該方法中通過利用微生物發(fā)酵和體外多酶體系催化反應(yīng)聯(lián)合發(fā)酵的方法，催化農(nóng)林業(yè)生物質(zhì)中提取的纖維素及其衍生物，從而得到人造淀粉、纖維素乙醇和單細胞蛋白。該方法具有產(chǎn)物產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率高，生產(chǎn)成本低，無污染等優(yōu)點。為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)所公開的技術(shù)方案是：一種以農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料制備人造淀粉、纖維素乙醇及單細胞蛋白的方法，所述方法包括如下步驟：（1）原料纖維素提取：將農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)經(jīng)過預(yù)處理得到大量原料纖維素；所述農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)包括秸稈、木屑；(2)原料纖維素分解：將原料纖維素作為底物，向其中加入纖維素酶，使原料纖維素分解，得到纖維二糖、纖維寡糖及少量葡萄糖；(3)微生物和酶催化體系：向步驟（2）中得到的纖維二糖與纖維寡糖中同時加入酵母、多酶體系得到聯(lián)合催化體系；在該聯(lián)合催化體系中，首先，多酶體系中的酶將所述纖維二糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖-1-磷酸與葡萄糖；然后，葡萄糖-1-磷酸在多酶體系中酶的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)化為人造淀粉；葡萄糖被酵母發(fā)酵生產(chǎn)纖維素乙醇，在發(fā)酵過程中，酵母進行自身繁殖，增殖的酵母作為單細胞蛋白的來源；(4)產(chǎn)物提取：將步驟(3)的體系通過適當(dāng)分離得到人造淀粉、通過蒸餾得到纖維素乙醇、同時離心得到單細胞蛋白。本方案中，葡萄糖被酵母發(fā)酵生產(chǎn)纖維素乙醇，并且發(fā)酵過程中，酵母自身繁殖以作為單細胞蛋白的來源；微生物和酶催化后的體系可以通過添加有機溶劑沉淀獲得人造淀粉、通過蒸餾活動獲得纖維素乙醇、通過超濾等蛋白純化方法獲得單細胞蛋白。所述人造淀粉產(chǎn)物包括直鏈淀粉（α-1,4-葡聚糖，100%）、或支鏈淀粉（α-1,6-葡聚糖，100%）、或以上兩種淀粉的任意比例的混合物。優(yōu)選的，所述步驟（1）中的原料纖維素包括再生非結(jié)晶纖維素（regenerated amorphous cellulose，RAC）、各種經(jīng)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素、利用COSLIF方法處理生物質(zhì)得到的纖維素及纖維素衍生物、利用稀酸預(yù)處理生物質(zhì)得到的纖維素及纖維素衍生物。優(yōu)選的，所述步驟（2）中的纖維素酶采用的是去除?-葡萄糖苷酶等外切葡萄糖苷酶的木霉纖維素酶。優(yōu)選的，所述木霉纖維素酶是混合酶制劑，包括內(nèi)切葡聚糖酶（endoglucanases，EGs; EC 3.2.1.4）和纖維二糖水解酶（cellobiohydrolases，CBHs; EC 3.2.1.91），其中內(nèi)切葡聚糖酶和纖維二糖水解酶的混合比例是0.2-2。本專利技術(shù)中，步驟（2）中的纖維素酶包括內(nèi)切葡聚糖酶和纖維二糖水解酶（cellobiohydrolases，CBHs; EC 3.2.1.91），不含?-葡萄糖苷酶等外切葡萄糖苷酶。優(yōu)選的，可向所述木霉纖維素酶中添加細菌來源的內(nèi)切葡聚糖酶和纖維二糖水解酶，如，枯草桿菌纖維素酶家族5內(nèi)切酶、梭狀芽胞桿菌的纖維酶家族48二糖水解酶；或向所述木霉纖維素酶中添加真菌來源的內(nèi)切葡聚糖酶和纖維二糖水解酶。優(yōu)選的，所述去除外切葡萄糖糖苷酶的木霉纖維素酶，含有內(nèi)切葡聚糖酶本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種以農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料制備人造淀粉、纖維素乙醇及單細胞蛋白的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：（1）原料纖維素提取：將農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)經(jīng)過預(yù)處理得到原料纖維素；所述農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)包括秸稈、木屑；(2)原料纖維素分解：將原料纖維素作為底物，向其中加入纖維素酶，使原料纖維素分解，得到纖維二糖、纖維寡糖及少量葡萄糖；(3)微生物和酶催化體系：向步驟（2）中得到的纖維二糖與纖維寡糖中同時加入酵母、多酶體系得到聯(lián)合催化體系；在該聯(lián)合催化體系中，首先，多酶體系中的酶將所述纖維二糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖?1?磷酸與葡萄糖；然后，葡萄糖?1?磷酸在多酶體系中酶的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)化為人造淀粉；葡萄糖被酵母發(fā)酵生產(chǎn)纖維素乙醇，在發(fā)酵過程中，酵母進行自身繁殖，增殖的酵母作為單細胞蛋白的來源；(4)產(chǎn)物提取：步驟(3)的體系通過適當(dāng)分離得到人造淀粉、通過蒸餾得到纖維素乙醇、同時離心得到單細胞蛋白。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種以農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料制備人造淀粉、纖維素乙醇及單細胞蛋白的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：（1）原料纖維素提取：將農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)經(jīng)過預(yù)處理得到原料纖維素；所述農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)包括秸稈、木屑；(2)原料纖維素分解：將原料纖維素作為底物，向其中加入纖維素酶，使原料纖維素分解，得到纖維二糖、纖維寡糖及少量葡萄糖；(3)微生物和酶催化體系：向步驟（2）中得到的纖維二糖與纖維寡糖中同時加入酵母、多酶體系得到聯(lián)合催化體系；在該聯(lián)合催化體系中，首先，多酶體系中的酶將所述纖維二糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖-1-磷酸與葡萄糖；然后，葡萄糖-1-磷酸在多酶體系中酶的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)化為人造淀粉；葡萄糖被酵母發(fā)酵生產(chǎn)纖維素乙醇，在發(fā)酵過程中，酵母進行自身繁殖，增殖的酵母作為單細胞蛋白的來源；(4)產(chǎn)物提取：步驟(3)的體系通過適當(dāng)分離得到人造淀粉、通過蒸餾得到纖維素乙醇、同時離心得到單細胞蛋白。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料制備人造淀粉、纖維素乙醇及單細胞蛋白的方法，其特征在于，步驟（1）中的原料纖維素包括再生非結(jié)晶纖維素、各種經(jīng)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素、利用COSLIF方法處理生物質(zhì)得到的纖維素及纖維素衍生物、利用稀酸預(yù)處理生物質(zhì)得到的纖維素及纖維素衍生物。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料制備人造淀粉、纖維素乙醇及單細胞蛋白的方法，其特征在于，所述步驟（2）中的纖維素酶采用的是去除?-葡萄糖苷酶等外切葡萄糖苷酶的木霉纖維素酶。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的以農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料制備人造淀粉、纖維素乙醇及單細胞蛋白的方法，其特征在于，所述木霉纖維素酶是混合酶制劑，包括內(nèi)切葡聚糖酶和纖維二糖水解酶，其中內(nèi)切葡聚糖酶和纖維二糖水解酶的混合比例是0.2-2。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的以農(nóng)林業(yè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料制備人造淀粉、纖維素乙醇及單細胞蛋白的方法，其特征在于，可向所述木霉纖維素酶中添加細菌來源的內(nèi)切葡聚糖酶和纖維二糖水解酶，如，枯草桿菌纖維素酶家族5內(nèi)切酶、梭狀芽胞桿菌的纖維酶家族48二糖水解酶；或向所述木霉纖維素酶中添加真菌來...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張以恒，馬暉，張偉，游淳，徐欣欣，馬延和，
申請(專利權(quán))人：桐廬唐贏生物科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33
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