CN101440381B - 一种以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法。戊糖和己糖混合，戊糖占总糖的5-75w％，再加入氮源或磷源得到原料，将原料蒸煮灭菌得蒸煮醪液；待蒸煮醪液冷却至42℃以下接菌种，发酵；将发酵液过滤，蒸馏，精馏得到最终的丙酮、丁醇、乙醇产品。本发明得到了有效地利用戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法。因地制宜利用木质纤维素水解戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇发酵，既可实现废物利用，有利于环保，也对于促进我国能源结构多元化、保障我国液体燃料安全，提高我国在生物质液体燃料制备领域的创新能力和研发实力具有积极的意义。

Description

一种以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法

技术领域

本发明涉及一种发酵生产丙酮丁醇的方法，具体涉及一种利用戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法。

技术背景

丙酮丁醇是一种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、植物抽提及有机玻璃、合成橡胶等工业。更重要的是：生物丁醇与乙醇相似，是生物加工的醇类燃料，是新一代液体燃料。汽油中的主要组成是C6～C8，因此丁醇比乙醇更类似于“油”，它与燃料添加剂和润滑油配伍性更好。丁醇的化学结构使其与乙醇相比有几方面的优点，包括低的蒸汽压及在和石油混合时对水污染的影响比较小，可以使用现有的石油运输管道输送。乙醇容易吸收水分子，而且往往会腐蚀管道。因此，它必须用卡车、铁路或者船运至目的地，然后和汽油混合。丁醇的另一个优势就是它可以比乙醇以更高的浓度和汽油混合，而无需对现有车辆进行改型。虽然乙醇和丁醇都是醇类，但丁醇有较高的能量密度，乙醇的能量密度比汽油低35％，丁醇作为燃料，其热值和汽油相当，远高于乙醇，与传统燃料相比，可多走10％的路程；与乙醇相比，可多走30％的路程。随着石油资源的匮乏，丁醇显示出在能源方面的优越性。

目前丙酮丁醇的生产方法主要有发酵法和化工合成法。发酵法为较为成熟的方法，从20世纪初就开始有大规模应用。到了60年代，欧美发达国家发现丙酮、丁醇可以廉价地从石油合成，因此逐渐取代发酵法成为工业生产丙酮、丁醇的首选。但近年来，由于石油资源日渐枯竭、国际原油价格不断上涨、再加上日益严峻的生态环境问题，各国又重新开始重视发酵法生产丙酮、丁醇。

发酵法生产丙酮、丁醇主要使用淀粉类物质作为原料，包括玉米、薯类等，也可使用糖类作为原料。其中玉米是最为理想的原料，它不需添加任何辅助原料，只要配制成5～8％的醪液，就是丙酮丁醇梭菌理想的培养基。但同时玉米也是一种重要的粮食资源，如果单纯用玉米发酵，会使生产企业原料成本上升，也会造成粮食资源紧张等问题。因此，各国都在寻积极找可以代替玉米进行发酵的原料。

木质纤维素类生物质包括农业生产的废弃物和剩余物(如农作物秸秆、谷壳、麸皮、蔗渣等)、林木(软木和硬木)及林业加工废弃物、草类等，是地球最重要的再生生物资源，每年的总产量约占所有生物质资源的50％，目前大多数此类物质没有得到很好的利用。因此，利用木质纤维素为主的可再生生物质资源，生产可再生能源具有重要的经济与社会意义。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素、木质素和其它组分构成。将其水解(用酸法或者酶法)可生成葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖等成分，半纤维素水解后木糖、阿拉伯糖等戊糖组分则约占所有水解糖类的30～40％，其中木糖约占戊糖总量的80％。以己糖(葡萄糖)为碳源的乙醇发酵菌种Saccharomyces cerevisiae已经在工业上得到了广泛的应用，但有效利用以戊糖进行乙醇发酵或利用己糖和戊糖进行共发酵的工业菌株尚不成熟。这样纤维素水解糖类的30％就不能转化成燃料乙醇，造成产品产率低、成本高，严重地制约着纤维燃料乙醇的产业化进程。

木质纤维素水解的戊糖或己糖是一种很好的丙酮丁醇发酵原料，但戊糖或己糖需要达到一定的比例，而且戊糖或己糖中含有丙酮丁醇梭菌发酵所需的氮、磷等元素很少，需要配置合适的培养基，丙酮丁醇梭菌才能发酵生产丙酮丁醇。

目前尚无报道以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用戊糖和己糖共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：

一种以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法，包括以下步骤：

1)戊糖和己糖按一定的比例混合，再加入氮源或磷源得到原料，将原料蒸煮灭菌得蒸煮醪液；

2)待蒸煮醪液冷却至42℃以下接菌种，发酵；

3)将发酵液过滤，蒸馏，精馏得到最终的丙酮、丁醇、乙醇产品。

本发明的创新点在于：戊糖和己糖混合后与含氮源或磷源的物质混合后作为原料。

所述戊糖包括木糖、阿拉伯糖等

所述己糖包括葡萄糖、果糖和半乳糖等

本发明中所述戊糖占总糖的5-75w％，更优选地，所述戊糖占总糖的5-40w％。

本发明中所述原料加入的氮源或磷源包括但不限于玉米浆、玉米粉、麸皮、米糠、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、酵母粉、豆饼、硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵等。

本发明中优选的原料为：戊糖和己糖混合后，再加入玉米粉和其它的含氮或磷源的物质，所述原料的总糖按重量百分比计算为3～9w％，玉米粉为总糖含量的5～55w％，或其它的含氮或磷源的物质为总糖的15～40w％，或外加的玉米粉以及其它的含氮或磷源的物质为总糖的5～50w％。

优选地，所述其它的含氮或磷源的物质为麸皮或豆饼或米糠或者其混合物。

本发明中，原料蒸煮灭菌的灭菌温度为99～130℃，灭菌时间为30～150分钟。

本发明中，原料蒸煮灭菌完毕后冷却到42℃以下，再接入菌种进行发酵，发酵的条件为厌氧条件，发酵温度为30～40℃，发酵时间20～96小时。

本发明中，所述菌种可以使用丙酮丁醇梭菌，包括但不限于CICC8008、CICC8011、CICC8012、CICC8016、CICC8017及美国典型微生物菌种保藏中心ATCC所保藏的丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum或Clostridium saccharobutylacetonicum或Clostridiumbeijerinkii)ATCC 824、ATCC 3625、ATCC 4259、ATCC 8529、ATCC 10132、ATCC 25752、ATCC 27021、ATCC 35702、ATCC 39057、ATCC 39058、ATCC 39236、ATCC 43084、ATCC51743、ATCC 55025、ATCC 824D-5、BAA-117。

本发明的有益效果如下：

1)戊糖和己糖按一定比例混合后，补充一定含量的磷、氮的化合物，并提供合适的发酵工艺条件，得到了有效的利用戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法。

2)本发明解决了木质纤维素水解后约占所有水解糖类的30～40％的戊糖不能为以己糖为碳源的乙醇发酵菌种Saccharomyces cerevisiae有效利用的问题。目前丙酮丁醇价格相对乙醇价格要高，产品供不应求，而且丁醇是一种很好的液体燃料，因地制宜利用木质纤维素水解戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇发酵，既可实现废物利用，有利于环保，也对于促进我国能源结构多元化、保障我国液体燃料安全，提高我国在生物质液体燃料制备领域的创新能力和研发实力具有积极的意义。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：木糖和葡萄糖混合糖中添加玉米粉共发酵

控制总糖含量分别为3w％、5w％、6w％、7w％、8w％、9w％，其中木糖分别占总糖的75w％、60w％、50w％、42.8w％、37.5w％和33.3w％，其余的为葡萄糖。其中玉米粉分别占总糖的5 w％、20w％、33w％、42w％、50w％和55w％。

玉米粉加水1000ml，100℃糊化1小时后按照比例加入木糖和葡萄糖，混匀，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。

灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743和CICC8012菌种接入培养基中，接种量为5％，在厌氧培养箱中35℃发酵72小时。

发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表1。发酵结果表明，丙酮丁醇梭菌在该培养基中生长较好，乙醇、丙酮、丁醇和总溶剂含量都较高，随着总糖和玉米粉含量的增加，溶剂含量增加。因此在木糖和葡萄糖混合糖中添加一定比例的玉米粉，木糖和葡萄糖可以共发酵生产丙酮丁醇。

表1木糖和葡萄糖混合糖中添加玉米粉

实施例2：木糖和葡萄糖混合糖中添加有机添加物共发酵

分别取木糖35g、葡萄糖35g加水1000ml按重量百分比配成糖含量为7％，有机添加物(多种农副产品混合配制，富含磷、氮，包括麸皮、米糠、豆饼粉和豆饼等)分别为总糖的量的15w％、20w％、25w％、30w％和40w％，混匀，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。

灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743和CICC8012菌种接入培养基中，接种量5％，在厌氧培养箱中35℃发酵72小时。

发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表2。发酵结果表明，丙酮丁醇梭菌在该培养基中生长也较好，乙醇、丙酮、丁醇和总溶剂含量都较高，随着有机添加物含量的增加，溶剂的含量也增加。因此在木糖和葡萄糖混合糖中添加一定比例的富含磷、氮有机添加物，木糖和葡萄糖可以共发酵生产丙酮丁醇。

表2木糖和葡萄糖混合糖中添加有机添加物

实施例3：木糖和葡萄糖混合糖中添加玉米粉和有机添加物共发酵

培养基1：取玉米粉3g加水1000ml，玉米100℃糊化1小时后加入木糖30g、控制总糖含量7％，剩余的为葡萄糖，有机添加物0.5g，其中玉米粉和有机添加物为总糖的5％，混匀，装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml，在灭菌锅中121℃灭菌120分钟；

培养基2：取玉米粉15g加水1000ml，玉米100℃糊化1小时后加入木糖30g、控制总糖含量7％，剩余的为葡萄糖、有机添加物7g，其中玉米粉和有机添加物为总糖的31.4％，混匀，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml，在灭菌锅中121℃灭菌120分钟；

培养基3：取玉米粉20g加水1000ml，玉米100℃糊化1小时后加入木糖30g、控制总糖含量7％，剩余的为葡萄糖、有机添加物8g，其中玉米粉和有机添加物为总糖的40％，混匀，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml，在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。

灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743和CICC8012菌种接入培养基中，接种量5％，在厌氧培养箱中35℃发酵72小时。

发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表3。发酵结果表明，丙酮丁醇梭菌在该培养基中生长较好，乙醇、丙酮、丁醇和总溶剂含量都较高，比单独添加玉米粉或有机添加物要好。因此在木糖和葡萄糖混合糖中添加一定比例的玉米粉和有机添加物，木糖和葡萄糖可以共发酵生产丙酮丁醇。

表3木糖和葡萄糖混合糖中添加玉米粉和有机添加物

实施例4：木糖和葡萄糖不同比例，添加玉米粉和有机添加物共发酵

控制总糖含量7％，其中木糖分别占总糖的5％、25％、55％和75％。

取玉米粉15g加水1000ml，玉米100℃糊化1小时后分别按比例加入木糖和葡萄糖、有机添加物7g，混匀，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。

灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743和CICC8012菌种接入培养基中，接种量5％，在厌氧培养箱中35℃发酵72小时。

发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表4。发酵结果表明，丙酮丁醇梭菌在该培养基中生长较好，乙醇、丙酮、丁醇和总溶剂含量都较高，随着木糖含量的增加，溶剂含量减少。木糖和葡萄糖按一定比例混合后，添加一定比例的玉米粉和有机添加物，木糖和葡萄糖可以共发酵生产丙酮丁醇。

表4木糖和葡萄糖不同比例，添加玉米粉和有机添加物共发酵

Claims (8)

1.一种以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)戊糖和己糖混合，按重量百分比计算所述戊糖占总糖的5-75w％；再加入氮源或磷源得到原料，将原料蒸煮灭菌得蒸煮醪液；

2)待蒸煮醪液冷却至42℃以下接菌种，发酵；

3)将发酵液过滤，蒸馏，精馏得到最终的丙酮、丁醇、乙醇产品。

2.根据权利要求1所述的以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于：所述戊糖占总糖的5-40w％。

3.根据权利要求1所述的以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于：所述氮源或磷源选自以下原料之一或者其混合：玉米浆、玉米粉、麸皮、米糠、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、酵母粉、豆饼、硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵。

4.根据权利要求1或2或3所述的以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于：所述步骤1)为：戊糖和己糖混合后，再加入玉米粉和其它的含氮源或磷源的物质得到原料，将原料蒸煮杀菌得蒸煮醪液；所述原料的总糖按重量百分比计算为3～9w％，玉米粉为总糖含量的5～55w％，或其它的含氮或磷源的物质为总糖的15～40w％，或外加的玉米粉以及其它的含氮或磷源的物质为总糖的5～50w％。

5.根据权利要求4所述的以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于：其它的含氮或磷源的物质为麸皮或豆饼或米糠或者其混合物。

6.根据权利要求1所述的以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于：所述原料蒸煮灭菌过程中，灭菌温度为99～130℃，灭菌时间为30～150分钟。

7.根据权利要求1所述的以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于：步骤2)发酵的条件为厌氧条件，发酵温度为30～40℃，发酵时间20～96小时。

8.根据权利要求1所述的以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于：所述菌种为丙酮丁醇梭菌。