CN102250967A - 一种用食品废物制备生物燃料丁醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，具体为：将食品废物作为发酵原料进行预处理，并将其进行糖化后制备发酵培养基，将其接种发酵菌种进行厌氧发酵，通过固液分离制取生物燃料丁醇。本发明的优点在于：说述方法利用丙酮丁酸梭菌对食品废物中有效成分进行厌氧发酵，生产生物燃料丁醇。该方法工艺简单，不需添加其他辅助物质，成本低廉，可操作性强，解决了传统上燃料丁醇生产原料成本问题，为生物燃料丁醇的生产开辟了一条新的工艺路线。

Description

一种用食品废物制备生物燃料丁醇的方法
技术领域
本发明属于利用生物质废物进行微生物发酵生产能源燃料的方法，尤其涉及一种以食品废物为发酵原料制取生物质丁醇燃料的方法。 
背景技术
生物燃料的推广是避免温室效应和缓解石油能源危机的有效途径。目前使用的生物燃料主要是将生物乙醇与汽油按照不同的比例混合而成。然而，与乙醇相比，丁醇具有腐蚀性小，易于运输；密度低，能量高；不产生SOX和NOX，减少温室气体排放等优势，是继乙醇后的一种极具发展前景的新一代液体燃料。 
目前国内生产生物丁醇的主要原料为玉米、谷物、薯干等淀粉质粮食资源。据报道，生产1t溶剂需要消耗玉米约4.0～4.5 t，蒸汽约13～25t，水约20～30t，电约700～100 kw·h。近年来以淀粉类为原料的传统丁醇发酵中，发酵原料占整个溶剂生产成本的79%左右，而国内以玉米等粮食作物为原料的生物炼制行业发展迅速，一定程度上促成了全国粮食价格的较快上升，致使生物丁醇生产成本大幅度增加。为了降低生产成本以木质纤维素为原料进行发酵受到重视，综合目前的研究进展来看，木质纤维素转化制造丁醇的工艺路线可以概括为：原料预处理和水解为单糖；糖液发酵生成丁醇；产物蒸馏回收等。尽管上述工艺路线具备可行性，但仍有诸多技术瓶颈需要克服。仅就菌种而言，纤维水解液中五碳糖和六碳糖的同等利用是迫切需要解决的难点之一。因此，如何通过提高丁醇的原料转化率和利用廉价非粮类原料生产丁醇来降低其生产成本，成为该产业所必须直面的瓶颈问题。 
食品废物是人们日常生活中所产生的最主要的生物质废物，其产生量很大，并呈逐年增长趋势。食品废物具有较为特殊的成分（如表一所示），有机物高达85%以上，主要包括糖类、蛋白质、油脂和木质纤维素类物质等，其中糖类和蛋白质含量占干物质的65%以上，而木质纤维素类等难降解物质含量较少（<5%）这为微生物生长提供了良好的碳骨架能源。C/N一般在10-30之间，氮、磷、钾等元素含量丰富，有利于微生物的新陈代谢及代谢产物的积累。 
表一食品废物的组成元素和重金属含量： 
Figure DEST_PATH_GDA0000074002670000021
*注：表中所列的百分含量以干物质计。  
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于开发一种新型廉价原料，以降低成本，同时有利于食品废物资源化的用食品废物制备生物燃料丁醇的方法。 
为实现上述目的，本发明一种用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，具体为：将食品废物作为发酵原料进行预处理，并将其进行糖化后制备发酵培养基，将其接种发酵菌种进行厌氧发酵，通过固液分离制取生物燃料丁醇。 
进一步，所述发酵原料以含淀粉质原料的食品废物为主，包括餐厨垃圾、淀粉加工业的淀粉渣、制糖工业的废糖蜜中的一种或两种，所述食品废物中未添加任何营养盐溶液。 
进一步，所述食品废物进行预处理的步骤为：将食品废物经收集分拣，剔除大型杂物后用食物粉碎机将其粉碎至粒径约1～10mm，搅拌均匀。 
进一步，所述发酵原料的固液比为1：1～1：5 w/w，pH4.0～5.5。 
进一步，所述糖化过程中，加入糖化酶用量100～300U/g，糖化时间30～60min，糖化温度50～65℃。 
进一步，所述发酵培养基由经糖化后的食品废物水解液，加水稀释使其还原糖的浓度范围在60～100g/L，pH6～7，装液量为2/5～4/5，在115～121℃下，灭菌15～20min，冷却混合制得。 
进一步，所述发酵菌种包括丙酮丁酸梭菌C.acetobutylicumATCC824、糖乙酸多丁醇梭菌Clostridium saccharoperbutylacetonicum ATCC13564、拜氏梭菌Clostridium beijerinckii BA101。 
进一步，所述发酵菌种优选为丙酮丁酸梭菌C.acetobutylicumATCC824，所述丙酮丁酸梭菌C.acetobutylicumATCC824由冻干菌株C.acetobutylicumATCC824活化而成，其活化步骤为：(1)5～8g玉米粉加水搅匀，慢慢倒入100ml沸水中，并不断搅拌，煮一小时后将醪液分装于试管中，于121℃下灭菌1h；(2)冷却到30～40℃后接种冷冻管中的菌体；(3)热处理：将接种试管置于沸水浴中处理1～2min；(4)冷处理：将试管置于冷水中处理1～2min；(5)将试管置于真空干燥器中抽真空，以驱除真空干燥器和培养基中溶解的氧，真空度0.1 MPa或置于厌氧培养箱中37℃培养18～24h。 
进一步，将活化后的菌种孢子悬液3.5mL，无菌条件下接入装有70mL的TYA培养液的100ml血清厌氧瓶中，置于厌氧培养箱中37℃培养18～20h，以制得所述发酵菌种。 
进一步，所述发酵菌种以3～10%的接种量将一级种子液接入所述发酵液体培养基中，发酵料的装料量为2/5～4/5，在30～37℃厌氧培养箱培养70～120h制备生物燃料丁醇。 
本发明的优点在于：说述方法利用丙酮丁酸梭菌对食品废物中有效成分进行厌氧发酵，生产生物燃料丁醇。该方法工艺简单，不需添加其他辅助物质，成本低廉，可操作性强，解决了传统上燃料丁醇生产原料成本问题，为生物燃料丁醇的生产开辟了一条新的工艺路线。 
附图说明
图1为实施例1中菌株C.acetobutylicumATCC824在食品废物发酵过程中的24h ×100倍显微照片； 
图2为实施例1中菌株C.acetobutylicumATCC824在食品废物发酵过程中的48h ×100倍倍显微照片；
图3为实施例1中菌株C.acetobutylicumATCC824在食品废物发酵过程中的72h ×100倍倍显微照片；
图4为实施例2中菌株C.acetobutylicumATCC824在食品废物发酵过程中丁醇、丙酮、乙醇产量。
具体实施方式
本发明一种用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，具体步骤如下： 
1.食品废物预处理：发酵原料以含淀粉质原料的食品废物为主，包括餐厨垃圾中的残渣剩饭、淀粉加工业的淀粉渣（如玉米、薯渣）、制糖工业的废糖蜜中的一种或两种，食品废物经收集分拣，剔除骨头、塑料袋、筷子等大型杂物后用食物粉碎机将其粉碎至粒径约1～10mm，搅拌均匀。
2.食品废物水解液制备：处理后的食品废物与水固液比为1：1～1：5 (w/w)，调节pH4.0～5.5，在50～65℃下，加入糖化酶量100～300U/g，水解糖化时间30～60min，制成食品废物水解液，过滤至于-20℃冰箱中备用。 
3.发酵培养基制备：经糖化后的食品废物水解液，加水稀释使其还原糖的浓度范围在60～100g/L，pH6～7，装液量为2/5～4/5，在115～121℃下，灭菌15～20min，冷却混合制得丁醇发酵液体培养基。 
4.菌种：本实施例中采用C.acetobutylicumATCC824（丙酮丁酸梭菌），实际应用中，还可采用丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum ATCC824、糖乙酸多丁醇梭菌Clostridium saccharoperbutylacetonicum ATCC13564、拜氏梭菌Clostridium beijerinckii BA101。
5.菌种活化：将冻干菌株C.acetobutylicumATCC 824（丙酮丁酸梭菌）接种到活化培养基中， 
过程如下：(1)5～8g玉米粉加水搅匀，慢慢倒入100ml沸水中，并不断搅拌，煮一小时后将醪液分装于试管中，于121℃下灭菌1h。 (2)冷却到30～40℃后接种冷冻管中的菌体。(3)热处理：将接种试管置于沸水浴中处理1～2min。(4)冷处理：将试管置于冷水中处理1～2min。(5)将试管置于真空干燥器中抽真空，以驱除真空干燥器和培养基中溶解的氧，真空度0.1 MPa6或置于厌氧培养箱中37℃培养18～24h左右。
6.种子培养：取活化后的孢子悬液3.5mL，无菌条件下接入装有70mL的TYA培养液的100ml血清厌氧瓶中，置于厌氧培养箱中37℃培养18～20h（>35×1010cfu/ml）。 
7.丁醇发酵：以3～10%的接种量将一级种子液接入丁醇发酵液体培养基中，33～37℃厌氧培养箱培养70～120h制备生物燃料丁醇。 
实施例1 
取餐厨垃圾l00g，挑出棍棒、骨头、贝壳等坚硬物后，用食物粉碎机破碎至粒径约2mm，搅拌均匀。处理后的餐厨垃圾与水固液比为1：1 (w/w)，调节pH4.0，在50℃下，加入糖化酶量200U/g，水解糖化时间30min，加水稀释使其还原糖的浓度为60g/L，pH6.0。将活化后的C.acetobutylicumATCC 824孢子悬液3.5mL，无菌条件下接入装有70mL的TYA培养液的100ml血清厌氧瓶中，37℃厌氧培养培养18h，制备种子液。接种3%的C.acetobutylicumATCC 824种子培养液，37℃厌氧培养箱培养72h。
实施例2 
取餐厨垃圾l00g，挑出棍棒、骨头、贝壳等坚硬物后，用食物粉碎机破碎至粒径约4mm，搅拌均匀。处理后的餐厨垃圾与水固液比为1：2 (w/w)，调节pH4.5，在55℃下，加入糖化酶量150U/g，水解糖化时间40min，加水稀释使其还原糖的浓度为80g/L，pH6.5。将活化后的C.acetobutylicumATCC 824孢子悬液3.5mL，无菌条件下接入装有70mL的TYA培养液的100ml血清厌氧瓶中，37℃厌氧培养20h，制备种子液。接种5%的C.acetobutylicumATCC 824种子培养液，37℃厌氧培养箱培养120h。
实施例3 
取餐厨垃圾与淀粉渣（如玉米、薯渣）混合物l00g，挑出棍棒、骨头、贝壳等坚硬物后，用食物粉碎机破碎至粒径约6mm，搅拌均匀。处理后的食品废物与水固液比为1：3 (w/w)，调节pH5.0，在60℃下，加入糖化酶量200U/g，水解糖化时间50min，加水稀释使其还原糖的浓度为90g/L，pH6.5，接入6%经扩大培养的Clostridium saccharoperbutylacetonicum ATCC13564种子液，35℃厌氧培养箱培养72h。
实施例4 
取餐厨垃圾与废糖蜜混合物l00g，挑出棍棒、骨头、贝壳等坚硬物后，用食物粉碎机破碎至粒径约8mm，搅拌均匀。处理后的食品废物与水固液比为1：4 (w/w)，调节pH5.5，在65℃下，加入糖化酶量250U/g，水解糖化时间60min，加水稀释使其还原糖的为90g/L ，pH6.5，接入7%经扩大培养的拜氏梭菌Clostridium beijerinckii BA101种子液，36℃厌氧培养箱培养72h。
实施例5 
取餐厨垃圾l00g，挑出棍棒、骨头、贝壳等坚硬物后，用食物粉碎机破碎至粒径约10mm，搅拌均匀。处理后的食品废物与水固液比为1：5 (w/w)，调节pH5.5，在60℃下，加入糖化酶量200U/g，水解糖化时间60min，加水稀释使其还原糖的浓度范围在100g/L ，pH6.5，。接入10%经扩大培养的C.acetobutylicumATCC 824种子液，34℃厌氧培养箱培养120h。
实施例中丁醇产量见表二： 
  还原糖浓度（g/L） 乙醇产量（g/L） 丙酮产量（g/L） 丁醇产量（g/L） 总溶剂量（g/L）
实施例1 60 0.9 2.7 8.0 11.6
实施例2 70 1.6 2.4 10.6 14.6
实施例3 80 2.0 1.9 9.3 13.2
实施例4 90 1.3 2.7 8.7 12.7
实施例5 100 0.4 2.3 7.8 10.5
上述实施例中，具体公开的数据选取、何种原料的选取等均不用于限定权利要求书中所保护的范围，选取权利要求书公开的各数值范围中的任何具体数值、原料等，均可完整的实施本发明的技术方案。

Claims (10)

1.一种用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，其特征在于，该方法具体为：将食品废物作为发酵原料进行预处理，并将其进行糖化后制备发酵培养基，将其接种发酵菌种进行厌氧发酵，通过固液分离制取生物燃料丁醇。
2.  如权利要求1所述的用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，其特征在于，所述发酵原料以含淀粉质原料的食品废物为主，包括餐厨垃圾、淀粉加工业的淀粉渣、制糖工业的废糖蜜中的一种或两种，所述食品废物中未添加任何营养盐溶液。
3.  如权利要求1所述的用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，其特征在于，所述食品废物进行预处理的步骤为：将食品废物经收集分拣，剔除大型杂物后用食物粉碎机将其粉碎至粒径约1～10mm，搅拌均匀。
4.  如权利要求1所述的用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，其特征在于，所述发酵原料的固液比为1：1～1：5 w/w，pH4.0～5.5。
5.  如权利要求1所述的用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，其特征在于，所述糖化过程中，加入糖化酶用量100～300U/g，糖化时间30～60min，糖化温度50～65℃。
6.  如权利要求1所述的用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，其特征在于，所述发酵培养基由经糖化后的食品废物水解液，加水稀释使其还原糖的浓度范围在60～100g/L，pH6～7，装液量为2/5～4/5，在115～121℃下，灭菌15～20min，冷却混合制得。
7.  如权利要求1所述的用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，其特征在于，所述发酵菌种包括丙酮丁酸梭菌C.acetobutylicum ATCC824、糖乙酸多丁醇梭菌Clostridium saccharoperbutylacetonicum ATCC13564、拜氏梭菌Clostridium beijerinckii BA101中的一种或两种以上。
8.  如权利要求1所述的用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，其特征在于，所述发酵菌种优选为丙酮丁酸梭菌C.acetobutylicum ATCC824，所述丙酮丁酸梭菌C.acetobutylicum ATCC824由冻干菌株C.acetobutylicum ATCC824活化而成，其活化步骤为：(1)5～8g玉米粉加水搅匀，慢慢倒入100ml沸水中，并不断搅拌，煮一小时后将醪液分装于试管中，于121℃下灭菌1h；(2)冷却到30～40℃后接种冷冻管中的菌体；(3)热处理：将接种试管置于沸水浴中处理1～2min；(4)冷处理：将试管置于冷水中处理1～2min；(5)将试管置于真空干燥器中抽真空，以驱除真空干燥器和培养基中溶解的氧，真空度0.1 MPa或置于厌氧培养箱中37℃培养18～24h。
9.  如权利要求1所述的用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，其特征在于，将活化后的菌种孢子悬液3.5mL，无菌条件下接入装有70mL的TYA培养液的100ml血清厌氧瓶中，置于厌氧培养箱中37℃培养18～20h，以制得所述发酵菌种。
10.如权利要求1所述的用食品废物制备生物燃料丁醇的方法，其特征在于，所述发酵菌种以3～10%的接种量将一级种子液接入所述发酵液体培养基中，发酵料的装料量为2/5～4/5，在30～37℃厌氧培养箱培养70～120h制备生物燃料丁醇。
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