基于羧酸平台的木质纤维素丁醇发酵关键技术与理论研究

As a new liquid fuel, butanol affords more advantage than ethanol. The development and application of butanol fermentation process with carbon-neutral lignocelluloses as raw material has important strategic significance to the national energy security and environmental protection. In the existing process, enzymatic hydrolysis of cellulose has to be carried out before Acetone-Butanol-Ethanol Fermention, leading to the high production cost. In addition, pure bacteria fermentation used in bio-butanol production has a lot of constraints and cytotoxicity of butanol to the fermentative bacteria results in a low butanol yield. This means there are some bottlenecks have to be surmounted in the commercial production of bio-butanol. A new technique idea is put forward in the presented proposal. It is to produce bio-butanol from lignocelluloses based on the carboxylate platform with bacterial mixed cultures and no enzyme preparation needed. To promote the development and commercial production of bio-butanol, the present proposal aims to develop a new fermentation process for bio-butanol production from lignocelluloses without enzyme preparation. The research will focus on (1) breeding excellent mixed culture for butyric acid fermentation from lignocelluloses and its ecophysiological mechanism, (2) transformation mechanism of butyric acid to butanol, (3) construction of butanol fermentation process and its control to enhance the butanol recovery, (4) combination of butyric acid fermentation with butanol fermentation and the control of the combined process to enhance butanol yield.

丁醇是一种新型液体燃料，与乙醇相比具有多方面的优势，以碳中立的木质纤维类生物质为原料的丁醇发酵技术的研发和应用，对国家能源安全保障和环境保护均具有重要战略意义。现有研究一般采用纤维素酶解糖化+ 丙酮丁醇发酵的工艺过程，存在酶解糖化成本高昂，纯菌发酵受限因素多，以及丁醇细胞毒性高导致的产率低等关键问题，严重制约了木质纤维素生物转化丁醇技术的发展。本项目提出了不额外添加纤维素酶的基于羧酸平台的木质纤维素生物转化丁醇的技术思想，以期通过木质纤维素丁酸发酵混合菌群的选育及其定向转化丁酸机制、丁酸的丁醇发酵机理与系统构建及其效能调控，以及木质纤维素混合菌群丁酸发酵系统与丁醇转化系统的耦合与协调运行等研究，研发一种避免酶制剂使用的分步产丁酸产丁醇发酵技术，为木质纤维素生物转化丁醇技术的发展提供理论指导和技术支持。

丁醇具有能量密度高、热值大、配伍性好、挥发性低和腐蚀性小等优点，是一种极具潜力的新型生物燃料。但是，现有商业丁醇主要来自石油、煤炭和天然气等化石燃料的炼制，不仅不可持续，还带来了严重的环境问题。可再生的木质纤维素类生物质，储量巨大，以其为原料的丁醇发酵技术的研发和应用，对国家能源安全保障和环境保护均具有重要战略意义。然而，传统的生物丁醇生产一般采用纤维素酶解糖化+丙酮丁醇发酵工艺，酶制剂使用量大、木糖发酵性能差、丁醇比产率低和发酵副产物多等不足，严重制约了木质纤维素生物转化丁醇技术的推广应用。基于细菌丁醇发酵原理，课题组提出了无需额外添加纤维素酶的基于羧酸平台的木质纤维素生物转化产丁醇的技术思想，系统开展了木质纤维素丁酸发酵复合菌群的选育及其定向转化丁酸机制、木质纤维素丁酸发酵系统的构建及其效能调控、丁酸还原力的产生及其对丁醇代谢的调控机制、基于羧酸平台的丁酸转化丁醇发酵系统的构建及其效能调控，以及木质纤维素混合菌群丁酸发酵系统与丁醇转化系统的耦合与运行控制等研究。通过定向富集、生物强化和菌种复配等技术，获得三个秸秆丁酸发酵复合菌群，并以此为基础，研发出将产酸发酵菌群的秸秆丁酸发酵与C. beijerinckii NCIMB 8052的丁醇发酵相偶联的三种水稻秸秆丁酸-丁醇分步发酵工艺，使水稻秸秆的丁醇产率和能量转化率分别达到149.4 kg/kg和6043.7 kJ/kg，生物丁醇的生产成本较传统工艺下降了2倍以上。以上研究成果，可为木质纤维素生物质丁醇发酵技术的进步和推广应用提供理论指导和技术支撑。