CN101161818A - 一种部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法。具体包括，原料的准备，将原料蒸煮杀菌，待蒸煮醪液冷却至一定温度范围后接菌种，发酵一定时间后，将醪液过滤，蒸馏，得到最终的丙酮、丁醇、乙醇产品。本发明降低了发酵法生产丙酮丁醇的原料成本，缓解粮食用量大的问题，同时，提高了小麦面粉等加工企业B淀粉或B淀粉浆液的利用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种发酵生产丙酮丁醇的方法，具体涉及一种部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法。
背景技术
在生产丙酮丁醇的众多方法中，用粮食发酵法生产丙酮丁醇的生产技术相对比较成熟，在二战期间就开始大规模的工业化推广，一直延续到二十世纪八、九十年代，后被日益兴起的石油化工技术所取代。但是随着石油资源的逐渐枯竭和生态环境问题的日益严峻，世界各国开始思考用可再生资源来代替石油资源通过生物技术的手段来生产大宗化学品以解决能源问题。
丙酮丁醇现有的发酵法生产技术主要是以玉米发酵为主，以及采用部分的薯类以及高粱类粮食和玉米混合替代纯玉米进行发酵，以降低生产成本，其中以纯玉米发酵生产丙酮丁醇结果最理想，但是单纯的用粮食发酵不仅发酵成本高同时也会影响到粮食资源的问题。针对这一问题各国的研究机构都展开了尝试用非粮食资源代替粮食资源做发酵原料进行发酵的研究，研究最热的是用秸秆代替粮食发酵，用秸秆发酵技术还不够成熟，主要存在的问题包括秸秆水解效率低以及水解后产生的抑制物影响微生物生长。因此，寻找和开发廉价的发酵原料是丙酮丁醇生产所面临的头等问题，也是整个粮食发酵行业所面临的共同问题。
小麦B淀粉又称尾淀粉、淤渣淀粉、刮浆淀粉或淀粉糊精，是小麦淀粉厂的副产物，通常可达原料面粉总质量的20％左右，它主要是小的淀粉颗粒、损伤的大淀粉颗粒以及少量细胞壁物质、面筋碎片、戊聚糖和色素组成。B淀粉中的淀粉主要为B型淀粉颗粒，呈椭圆形。目前尚无报道用小麦B淀粉浆发酵生产丙酮丁醇。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服现有生产工艺中原料成本高，技术不成熟等缺陷的，采用低价位替代材料且生产工艺成熟的发酵生产丙酮丁醇的方法。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法，包括，原料的准备，将原料蒸煮杀菌，待蒸煮醪液冷却至一定温度范围后接菌种，发酵一定时间后，将发酵液过滤，蒸馏，精馏得到最终的丙酮、丁醇、乙醇产品，其特征在于，所述原料为部分用含糖量相当的小麦B淀粉或B淀粉浆替代的玉米培养基。
本发明部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法中，所述原料组分为：与玉米培养基含糖量相当的1-99％小麦B淀粉或B淀粉浆，99-1％玉米培养基。
所述原料准备过程中，用测定玉米醪含糖量的方法来测定小麦B淀粉或B淀粉浆的含糖量，通常采用费林试剂法，然后将玉米粉和小麦B淀粉或B淀粉浆的混合物，按照总糖浓度5-6％加水稀释。
所述蒸煮杀菌过程，其时间为1-2小时。所述蒸煮醪液冷却的温度范围为37-40℃。
所述菌种包括但不限于EA2018、EA2019系列高丁醇比丙酮丁醇菌种(丁醇∶丙酮∶乙醇＝7∶2∶1)以及8008、8011、8012、8016、8017等丙酮丁醇菌种(丁醇∶丙酮∶乙醇＝6∶3∶1)。
所述发酵时间为48小时。
本发明降低了发酵法生产丙酮丁醇的原料成本，缓解粮食用量大的问题，同时，提高了小麦面粉等加工企业B淀粉或B淀粉浆液的利用价值。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1
纯B淀粉浆为原料发酵
测定B淀粉浆中的初始总糖量，取B淀粉浆25ml于250ml三角瓶中，加水75ml，再加入6ml浓盐酸，用带有1米长的塑料管的塞子塞紧三角瓶口，在100℃水浴中水浴45分钟，取出冷却后，加入40％的氢氧化钠调至微酸性，将溶液稀释定容到250ml，过滤后用费林法测定水解液中总还原糖量，再计算出B淀粉浆中含有的总糖量在10％。
取600ml的B淀粉浆加水稀释到1000ml，稀释后的总糖含量在6％，然后分装到500ml的三角瓶中，装液量60％，装好后在灭菌锅中121℃灭菌1.5小时。
培养基冷却至37℃，将试管中的EA2018丙酮丁醇菌种接入培养基中，37℃培养箱中发酵48小时。
发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量。溶剂测定结果如表1，发酵结束后发酵液中的残糖在3-3.5％，说明纯B淀粉浆不是丙酮丁醇菌种发酵的适宜培养基，没有被丙酮丁醇菌充分的利用。
表1纯B淀粉浆发酵结果
| 项目 | 丙酮(g/100ml) | 乙醇(g/100ml) | 丁醇(g/100ml) | 总溶剂(g/100ml) |
| 纯B淀粉浆发酵 | 0.24 | 0.06 | 0.78 | 1.08 |
| 纯B淀粉浆发酵 | 0.24 | 0.07 | 0.79 | 1.10 |
| 纯B淀粉浆发酵 | 0.21 | 0.08 | 0.76 | 1.05 |
实施例2：
纯玉米发酵
测定玉米粉中的初始总糖量，称取2g的玉米粉至250ml三角瓶中，加水100ml再加入6ml浓盐酸水浴锅中水解45分钟，然后用费林法测定计算出玉米粉总糖含量在70％左右，测定方法同实施例1。
按照玉米粉的含糖量，称取85.7g的玉米粉加水蒸煮控制蒸煮后体积在1000ml，培养基初始总糖在6％，装好后在灭菌锅中121℃灭菌1小时。
培养基冷却至38℃，将试管中的EA2018丙酮丁醇菌种接入培养基中，38℃培养箱中发酵48小时。
发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量。溶剂测定结果如表2，发酵结束后发酵液中残糖0.4-0.5％，玉米醪是丙酮丁醇发酵的最适培养基之一。
表2纯玉米培养基发酵结果
| 项目 | 丙酮(g/100ml) | 乙醇(g/100ml) | 丁醇(g/100ml) | 总溶剂(g/100ml) |
| 纯玉米浆发酵 | 4.78 | 2.41 | 12.62 | 19.81 |
| 纯玉米浆发酵 | 4.93 | 1.33 | 13.90 | 20.16 |
| 纯玉米浆发酵 | 4.78 | 1.68 | 12.81 | 19.27 |
实施例3：
B淀粉浆替代玉米培养基中80％糖量相当的玉米粉。
通过计算，量取10％含糖量的B淀粉浆480ml和17g的玉米粉混合后蒸煮，控制蒸煮后体积在1000ml，将蒸煮后的混合物分装到500ml三角瓶中灭菌，灭菌方法同实施例1。
培养基冷却至37℃，将试管中的EA2018丙酮丁醇菌种接入培养基中，37℃培养箱中发酵48小时。
发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量。溶剂测定结果如表3，发酵结束后发酵液残糖在2.5-3％，可以看出，这样的混合配比得到的培养基不及纯玉米培养基的发酵，这样的配比虽然替换了很多的玉米，但发酵液中溶剂的含量太低，加大了后期蒸馏的能耗，显然实际生产中不可行。
表3B淀粉浆替代玉米培养基中80％糖量相当的玉米粉发酵
| 项目 | 丙酮(g/100ml) | 乙醇(g/100ml) | 丁醇(g/100ml) | 总溶剂(g/100ml) |
| B淀粉浆替代80％玉米粉发酵 | 0.27 | 0.08 | 0.99 | 1.34 |
| B淀粉浆替代80％玉米粉发酵 | 0.30 | 0.07 | 0.84 | 1.21 |
| B淀粉浆替代80％玉米粉发酵 | 0.28 | 0.09 | 0.88 | 1.25 |
实施例4：
B淀粉浆替代玉米培养基中60％糖量相当的玉米粉。
通过计算，量取10％含糖量的B淀粉浆360ml和34g的玉米粉混合后蒸煮，控制蒸煮后体积在1000ml，将蒸煮后的混合物分装到500ml三角瓶中灭菌，灭菌方法同实施例1。
培养基冷却至40℃，将试管中的EA2018丙酮丁醇菌种接入培养基中，40℃培养箱中发酵48小时。
发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量。溶剂测定结果如表4，对比实施例3，溶剂的产量在增加，发酵液残糖也降低。
表4B淀粉浆替代玉米培养基中60％糖量相当的玉米粉发酵
| 项目 | 丙酮(g/100ml) | 乙醇(g/100ml) | 丁醇(g/100ml) | 总溶剂(g/100ml) |
| B淀粉浆替代60％玉米粉发酵 | 0.37 | 0.16 | 1.21 | 1.74 |
| B淀粉浆替代60％玉米粉发酵 | 0.38 | 0.18 | 1.25 | 1.77 |
| B淀粉浆替代60％玉米粉发酵 | 0.40 | 0.17 | 1.23 | 1.80 |
实施例5：
B淀粉浆替代玉米培养基中40％糖量相当的玉米粉。
通过计算，量取10％含糖量的B淀粉浆240ml和51g的玉米粉混合后蒸煮，控制蒸煮后体积在1000ml，将蒸煮后的混合物分装到500ml三角瓶中，装好后在灭菌锅中121℃灭菌2小时。
培养基冷却至37℃，将试管中的EA2018丙酮丁醇菌种接入培养基中，37℃培养箱中发酵48小时。
发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量。溶剂测定结果如表5，可以看出随着B淀粉浆的替代量降低，混合培养基发酵总溶剂可以达到纯玉米培养基的溶剂产量。
表5B淀粉浆替代玉米培养基中40％糖量相当的玉米粉发酵
| 项目 | 丙酮(g/100ml) | 乙醇(g/100ml) | 丁醇(g/100ml) | 总溶剂(g/100ml) |
| B淀粉浆替代40％玉米粉发酵 | 0.47 | 0.15 | 1.39 | 2.01 |
| B淀粉浆替代40％玉米粉发酵 | 0.45 | 0.15 | 1.40 | 2.0 |
| B淀粉浆替代40％玉米粉发酵 | 0.42 | 0.21 | 1.22 | 1.85 |
实施例6：
B淀粉浆替代玉米培养基中20％糖量相当的玉米粉。
通过计算，量取10％含糖量的B淀粉浆120ml和69g的玉米粉混合后蒸煮，控制蒸煮后体积在1000ml，将蒸煮后的混合物分装到500ml三角瓶中灭菌，灭菌方法同实施例1。
培养基冷却至37℃，将试管中的EA2018丙酮丁醇菌种接入培养基中，37℃培养箱中发酵48小时。
发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量。溶剂测定结果如表6，结合表5的结果，可以看出随着B淀粉浆的替代量降低，混合培养基发酵总溶剂可以达到纯玉米培养基的溶剂产量，但是可以替代的玉米量降低了，这样就违背了节省原料成本和节约粮食资源的初衷。
表6B淀粉浆替代玉米培养基中20％糖量相当的玉米粉发酵
| 项目 | 丙酮(g/100ml) | 乙醇(g/100ml) | 丁醇(g/100ml) | 总溶剂(g/100ml) |
| B淀粉浆替代20％玉米粉发酵 | 0.40 | 0.19 | 1.39 | 1.98 |
| B淀粉浆替代20％玉米粉发酵 | 0.41 | 0.17 | 1.43 | 2.01 |
| B淀粉浆替代20％玉米粉发酵 | 0.43 | 0.19 | 1.33 | 1.95 |
实施例7：
B淀粉替代玉米培养基中60％糖量相当的玉米粉。
B淀粉中初始糖含量的测定，称取2gB淀粉至250ml三角瓶中，加水100ml再加入6ml浓盐酸水浴锅中水解45分钟，然后用费林法测定计算出B淀粉中总糖含量在80％左右，测定方法同实施例1。
称取45gB淀粉和34g玉米粉混合蒸煮，控制蒸煮后体积在1000ml，培养基初始总糖在6％，然后用500ml三角瓶分装灭菌，灭菌方法同实施例1。
培养基冷却至37℃，将试管中的EA2018丙酮丁醇菌种接入培养基中，37℃培养箱中发酵48小时。
发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量。溶剂测定结果如表7，对比表4结果，看出B淀粉和B淀粉浆替代相同比例的玉米粉，对发酵溶剂产量没有显著的影响。
表7B淀粉替代玉米培养基中60％糖量相当的玉米粉发酵
| 项目 | 丙酮(g/100ml) | 乙醇(g/100ml) | 丁醇(g/100ml) | 总溶剂(g/100ml) |
| B淀粉替代60％玉米粉发酵 | 0.41 | 0.16 | 1.24 | 1.81 |
| B淀粉替代60％玉米粉发酵 | 0.38 | 0.18 | 1.23 | 1.75 |
| B淀粉替代60％玉米粉发酵 | 0.36 | 0.15 | 1.22 | 1.73 |
实施例8：
EA2019、8011、8016、8017等其它丙酮丁醇菌种对这种混合培养基的利用用实施例5中的培养基，以EA2019、8011、8016、8017丙酮丁醇菌种为例接种发酵，培养方法同实施例5。发酵结束后，溶剂测定结果如表8。表8的表明B淀粉浆或B淀粉和玉米的混合培养基一样适合EA2019、8011、8016、8017等丙酮丁醇菌种发酵。
表8其它丙酮丁醇菌种对这种培养基的发酵情况
| 项目 | 丙酮(g/100ml) | 乙醇(g/100ml) | 丁醇(g/100ml) | 总溶剂(g/100ml) |
| EA2019 | 0.47 | 0.15 | 1.39 | 2.01 |
| EA2019 | 0.45 | 0.15 | 1.40 | 2.0 |
| EA2019 | 0.42 | 0.21 | 1.22 | 1.85 |
| 8011 | 0.62 | 0.22 | 1.16 | 2.0 |
| 8011 | 0.55 | 0.21 | 1.12 | 1.88 |
| 8011 | 0.54 | 0.26 | 1.15 | 1.95 |
| 8016 | 0.56 | 0.2 | 1.17 | 1.93 |
| 8016 | 0.59 | 0.18 | 1.2 | 1.97 |
| 8016 | 0.60 | 0.18 | 1.18 | 1.96 |
| 8017 | 0.56 | 0.19 | 1.12 | 1.87 |
| 8017 | 0.58 | 0.20 | 1.20 | 1.98 |
| 8017 | 0.60 | 0.22 | 1.14 | 1.96 |
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法，包括，原料的准备，将原料蒸煮杀菌，待蒸煮醪液冷却至一定温度范围后接菌种，发酵一定时间后，将发酵液过滤，蒸馏，精馏得到最终的丙酮、丁醇、乙醇产品，其特征在于，所述原料包含：与玉米培养基含糖量相当的1-99％小麦B淀粉或B淀粉浆。
2.如权利要求1所述的部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，所述原料包含：与玉米培养基含糖量相当的20-70％小麦B淀粉或B淀粉浆。
3.如权利要求1所述的部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，在所述原料准备过程中，用测定玉米醪含糖量的方法来测定小麦B淀粉或B淀粉浆的含糖量。
4.如权利要求1所述的部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，在所述原料准备过程中，用费林试剂法测定玉米醪含糖量的方法来测定小麦B淀粉或B淀粉浆的含糖量。
5.如权利要求1所述的部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，在所述原料准备过程中，将玉米粉和小麦B淀粉或B淀粉浆的混合物，按照总糖浓度5-6％加水稀释。
6.如权利要求1所述的部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，所述蒸煮杀菌过程，其时间为1-2小时。
7.如权利要求1所述的部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，所述蒸煮醪液冷却的温度范围为37-40℃。
8.如权利要求1所述的部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，所述菌种包括但不限于EA2018、EA2019系列高丁醇比丙酮丁醇菌种以及8008、8011、8012、8016、8017丙酮丁醇菌种。
9.如权利要求1所述的部分替代玉米发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，所述发酵时间为48小时。
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