CN101363031B - 一种利用玉米皮原料发酵生产丙酮丁醇的方法 - Google Patents

一种利用玉米皮原料发酵生产丙酮丁醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用玉米皮原料发酵生产丙酮丁醇的方法。本发明公开了一种利用玉米皮原料发酵生产丙酮丁醇的方法，包括发酵原料预处理得到可发酵产物，可发酵产物接ABE菌种发酵，发酵液过滤蒸馏得到丙酮丁醇产品，其特征在于所述发酵原料包含玉米皮。本发明所述的方法利用玉米皮中的残留淀粉和纤维素进行ABE的发酵，同时残渣还可再用作饲料，这既为ABE的生产提供了一种新的途径，解决了传统ABE的发酵生产与人争粮的问题，同时又提高了玉米皮原料的利用率，这对提高ABE发酵产业的竞争力、实现资源的可持续利用具有重要意义。

Description

一种利用玉米皮原料发酵生产丙酮丁醇的方法
技术领域
本发明涉及一种利用玉米皮原料发酵生产丙酮丁醇的方法。
背景技术
丙酮、丁醇和乙醇都是重要的有机溶剂和化工原料，广泛应用于喷漆、炸药、塑料、制药、植物抽提取及有机玻璃、合成橡胶等工业。丙酮可作为制造醋酸纤维素胶片薄膜、塑料和涂料的溶剂，又可用于生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)、双酚A、醇醛缩合物等化工产品。丁醇是新一代的生物燃料，与现有的生物燃料相比，丁醇与汽油的混合比更高，无需对车辆进行改造，同时具有显著的环境效益，能降低温室气体的排放，因此，丁醇在未来的运输燃料结构中将会占有重要的比重。乙醇是良好的有机溶剂和消毒剂，其杀菌作用较快，消毒效果可靠，对人刺激性小，无毒，对物品无损害，多用于皮肤消毒以及医疗器械临床的消毒。
在二战时期，丙酮、丁醇、乙醇(Acetone-butanol-ethanol，以下简称ABE)主要是利用粮食发酵生产，一直持续到80年代末期和90年代初期，发酵法被日益成熟、成本低廉的石油化工法所取代。ABE的发酵法生产所用菌种主要是梭菌，按ABE比例不同分为3:6:1传统梭菌和2:7:1高丁醇比梭菌，所得溶剂总量约20g/L，ABE三者比例约3:6:1或2:7:1。所用发酵原料主要是玉米、糖蜜以及玉米和高粱、红薯等混合物。
现在随着石油资源的日趋减少和环境问题的不断恶化，利用可再生资源微生物发酵生产ABE重新引起了世界各国的普遍关注，用玉米类粮食为原料发酵ABE，不仅生产成本高，而且也违背了粮食安全战略。研究人员开始利用玉米和一些淀粉质原料混合发酵，在一定程度上降低了ABE原料成本，也有人在研究利用秸秆类原料发酵生产ABE，但秸秆类原料的预处理技术难度大，产业化周期长。因此，如何在现阶段大力发掘廉价、技术上可行的替代原料来进行ABE生产，对于提高ABE发酵产业的竞争力、实现资源的可持续利用具有重要意义。
玉米皮是玉米湿法粉碎生产玉米淀粉过程中的副产品，其中残留淀粉含量在20-30％，蛋白含量约10％，纤维素含量约18％，半纤维素约45％，木质素约1.0％，目前玉米皮主要是直接用作生产饲料，虽然降低了玉米皮深加工的成本，但是玉米皮中的淀粉以及纤维素等没有得到充分的利用，大大降低了原料利用率。如果将玉米皮原料中的残留淀粉和纤维素首先用于ABE的发酵，发酵残渣再用作饲料加工，这样既为ABE的生产提供了一种新的原料，同时又提高了玉米皮原料的利用率。
基于上面的设想，我们开发了一种利用玉米皮原料发酵生产ABE的工艺技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用玉米皮原料发酵生产丙酮丁醇的方法，该方法为ABE的生产提供一种新原料，同时提高玉米皮的原料利用率。
本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：
一种利用玉米皮原料发酵生产丙酮丁醇的方法，包括发酵原料预处理得到可发酵产物，可发酵产物接ABE菌种发酵，发酵液过滤蒸馏得到丙酮丁醇产品，其特征在于所述发酵原料包含玉米皮。
在一些实施方式中，所述发酵原料预处理得到可发酵产物步骤包括将玉米皮加水混合，调节初始pH6.5-7.5，121-130℃蒸煮1-1.5小时，即得到可发酵产物。
在一优选实施例子里，所述初始pH值优选为7.0。
在一些实施方式中，所述发酵原料还可为玉米皮和其它淀粉原料混合物，混合物中各组分含量以可发酵产物总糖含量控制在5-6％来任意配制，所述发酵原料预处理得到可发酵产物步骤包括将玉米皮和其它淀粉原料混合物加水混合，121-130℃蒸煮1-1.5小时，即得到可发酵产物。
在一优选实施例子里，所述的其它淀粉质原料可以是玉米、木薯、红薯等中的一种或几种的混合物。
在一优选实施例子里，所述初始pH值优选为7.0。
在一些实施方式中，所述预处理步骤包括将玉米皮加溶液混合，121-130℃条件下蒸煮1-1.5小时，冷却至室温，调节pH在4.8-5.0，加入酶进行酶解，得到的玉米皮水解液过滤去除固形物后115℃灭菌15-20分钟，得到可发酵产物。
所述溶液选自水，1％稀硫酸，1％氢氧化钠溶液中之一，优选水。水煮预处理，不会产生对后续发酵抑制物质。。
所述酶为商用糖化酶和纤维素酶；酶解温度大约50℃；酶解时间大约48小时；所述玉米皮和水的固液比为1：4～7中之一，优选为1：6；所述纤维素酶的用量为20-30u/g底物。
所述ABE菌种包括EA2018、EA2019系列高丁醇ABE菌种以及8008、8011、8012、8016、8017等传统ABE菌种的一种或几种。
本发明所述的方法利用玉米皮中的残留淀粉和纤维素进行ABE的发酵，同时残渣还可再用作饲料，这既为ABE的生产提供了一种新的途径，解决了传统ABE的发酵生产与人争粮的问题，同时又提高了玉米皮原料的利用率，这对提高ABE发酵产业的竞争力、实现资源的可持续利用具有重要意义。
附图说明
图1.本发明所述方法的技术路线图之一。
图2.本发明所述方法的技术路线图之一。
图3.本发明所述方法的技术路线图之一。
具体实施方式
为了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，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
运用本发明将玉米皮原料生产ABE的三条工艺路线具体实施步骤如下：
工艺一：根据发酵糖浓度的需要，称取一定量玉米皮加水按照一定比例混合，调节初始pH至7.0左右，121-130℃蒸煮1-1.5小时，煮好的培养基冷却至37-40℃，接ABE菌种发酵，发酵温度在37—40℃，发酵周期48—60小时。参见图1。
工艺二：根据发酵糖浓度的需要，称取一定量玉米皮和其它淀粉质的混合物加水按照一定比例混合，121-130℃蒸煮1-1.5小时，煮好的培养基冷却至37-40℃，接ABE菌种发酵，发酵温度在37—40℃，发酵周期48—60小时。参见图2。
工艺三：称取一定量的玉米皮加水混合浸泡后，121-130℃蒸煮1-1.5小时，冷却至室温，调节pH至4.8-5.0，加入糖化酶和纤维素酶，50℃条件下酶解48小时，得到的玉米皮水解液过滤，将得到的滤液灭菌接入ABE菌种发酵，发酵温度在37—40℃，发酵周期48—60小时。参见图3。
实施例1：玉米皮原料直接蒸煮发酵ABE(菌种从中科院植生所购得，以下同)
称取37.5克玉米皮加水150ml，调节pH至7.0，共三组平行样，121℃蒸煮1小时，冷却至37-40℃左右，接ABE菌种发酵，发酵温度在37℃，发酵周期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。
表1单独玉米皮原料发酵ABE结果
Figure G2008100437639D00041
从表中结果可以看出，当玉米皮中的残留淀粉较高的时候，完全可以先将残留淀粉用于ABE发酵，发酵滤渣再用于饲料加工。
实施例2：玉米皮和木薯混合发酵
按照固液比1：5，1：7，1：9称取玉米皮加水混合，三个比例的混合物中分别加入3％，4％，5％的木薯粉，每组3个平行样，121℃蒸煮1小时，冷却至37-40℃左右，接ABE菌种发酵，发酵温度在37℃，发酵周期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。
表2玉米皮和木薯混合物发酵结果
Figure G2008100437639D00051
从表中结果可以看出，玉米皮中残留淀粉含量低的情况下，可以向其中加些木薯粉进行发酵，发酵结果较理想。
实施例3：玉米皮和红薯粉的混合发酵
按照固液比1：5，1：7，1：9称取玉米皮加水混合，三个比例的混合物中分别加入3％，4％，5％的红薯粉，每组3个平行样，121℃蒸煮1小时，冷却至37-40℃左右，接ABE菌种发酵，发酵温度在37℃，发酵周期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。
表3玉米皮和红薯粉混合发酵结果
Figure G2008100437639D00061
从表中结果看出，当玉米皮中残留淀粉含量低的情况下，向其中添加红薯粉进行发酵，发酵结果较理想。
实施例4：玉米皮和木薯红薯混合物发酵
按照固液比1：9称取玉米皮加水混合，混合物中加入2.5％的木薯粉和2.5％的红薯粉，121℃蒸煮1小时，冷却至37-40℃左右，接ABE菌种发酵，发酵温度在37℃，发酵周期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。
表4玉米皮和木薯红薯混合物发酵
Figure G2008100437639D00062
从表中的结果可以看出，玉米皮在残留淀粉含量低的情况下，向其中添加木薯和红薯的混合物，可以进行正常发酵，发酵结果理想。
实施例5：玉米皮的几种预处理方法比较(所用糖化酶从杰能科购得，纤维素酶从肇东松雪购得，以下同)。
按照固液比1：7称取适量的玉米皮，分别加水，1％稀硫酸，1％氢氧化钠溶液，121℃条件下处理1小时，处理后的玉米皮分别调节pH在4.8-5.0进行酶解，酶解结果如表5。
表5玉米皮的几种不同预处理方法比较
Figure G2008100437639D00071
从表中数据可知，在对玉米皮原料中木质纤维素处理效果上，水煮法和稀硫酸以及稀碱处理相比，表现出了较好的预处理效果，远远好于水煮法对秸秆、木材的预处理，而且和稀硫酸以及稀碱处理相比可以大大降低原料预处理成本，同时不会给后面的发酵过程带来抑制物，因此优选直接水煮来预处理玉米皮。
实施例6：酶解过程固液比的优选
玉米皮和秸秆相比，原料成本更高，因此需要对酶解过程的固液比进行优选，以期提高原料转化率，按照1：4，1：5，1：6，1：7的固液比称取玉米皮加水蒸煮、酶解，酶解结束后液相色谱分析葡萄糖和木糖含量，结果如表6。
表6玉米皮酶解过程固液比的优选
Figure G2008100437639D00072
从表中结果可知，酶解过程固液比在1：6条件下，纤维素转化率可以达到79.92％，优选1：(5-6)。
实施例7：酶解过程纤维素酶用量的优选
按照固液比1：6，称取玉米皮加水蒸煮预处理，预处理后加纤维素酶、木聚糖酶酶解，纤维素酶的用量分别为20u/g底物，30u/g底物，40u/g底物，50u/g底物，酶解时间48小时，酶解结束后液相色谱分析葡萄糖和木糖含量，结果如表7。
表7酶解过程中纤维素酶用量的优选结果
Figure G2008100437639D00081
从表中结果可以看出，酶用量在20u/g底物，虽然酶解得到的葡萄糖绝对值低，但是单位酶活得糖率和单位酶活纤维素转化率最高，优选酶用量在20-30u/g底物。
实施例8：玉米皮水解液发酵结果
将实施例7预处理酶解得到的玉米皮水解液离心，取上清液，115℃灭菌15分钟，冷却至室温后接ABE菌种，置于37℃条件下静止培养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8。
表8玉米皮水解液发酵结果
Figure G2008100437639D00082
从表中结果可知，玉米皮水解液作为ABE菌种的发酵培养基，发酵结果理想，有效得提高了玉米皮资源的利用率，开发了玉米皮资源的利用价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理、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同物界定。

Claims (4)

1.一种利用玉米皮原料发酵生产丙酮丁醇的方法，包括发酵原料预处理得到可发酵产物，可发酵产物接ABE菌种发酵，发酵液过滤蒸馏得到丙酮丁醇产品，所述发酵原料包含玉米皮，其特征在于
所述发酵原料预处理得到可发酵产物步骤包括将玉米皮加水混合，调节初始pH 6.5-7.5，121-130℃蒸煮1-1.5小时，即得到可发酵产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述初始pH值为7.0。
3.根据权利要求1方法，其特征在于，所述发酵原料还可为玉米皮和其它淀粉原料混合物，混合物中各组分含量以可发酵产物总糖含量控制在5-6％来任意配制。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的其它淀粉质原料可以是玉米、木薯、红薯中的一种或几种的混合物。
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