CN102653777B - 利用小麦麸皮发酵生产丙酮-丁醇-乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用小麦麸皮发酵生产丙酮-丁醇-乙醇的方法，包括步骤：1）发酵原料预处理；2）接丙酮-丁醇-乙醇菌种发酵；3）发酵液过滤，蒸馏，得到丙酮-丁醇-乙醇产品。本发明利用小麦麸皮中残留的淀粉等碳水化合物进行ABE发酵，不仅为ABE的生产提供了一种经济有效的新途径，而且还提高了小麦麸皮的利用率和附加值，体现出良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及丙酮-丁醇-乙醇混合物的制备，特别是涉及一种利用小麦麸皮为原料发酵生产丙酮-丁醇-乙醇的方法。
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，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。所用原料主要是玉米、糖蜜以及玉米和高粱、红薯等混合物。发酵法生产ABE一直持续到80年代末90年代初，此后被日益成熟、成本低廉的石油化工法所取代。
近年来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重新引起各国的普遍关注，用玉米等粮食为原料发酵ABE，不仅生产成本高，而且也挑战粮食安全战略，因此研究人员开始利用非粮淀粉质原料发酵，在一定程度上降低了ABE原料成本；另外利用秸秆类生物质原料发酵生产ABE也在同步研究中，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、技术上可行的粮食替代原料来进行ABE生产，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。
小麦麸皮是小麦粉碎生产面粉过程中的副产品，其中残留淀粉含量约25%，蛋白含量约15-20%，纤维素含量约10%，半纤维素约15%，木质素约3%，目前小麦麸皮主要用于生产饲料，但是小麦麸皮中的淀粉等碳水化合物没有得到充分利用。如果将小麦麸皮中的残留淀粉等碳水化合物先用于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，同时又提高了小麦麸皮的利用率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用小麦麸皮发酵生产丙酮-丁醇-乙醇的方法，它可以降低生产成本，并可以提高小麦麸皮的利用率。
为解决上述技术问题，本发明的利用小麦麸皮发酵生产丙酮-丁醇-乙醇的方法，包括如下步骤：
1）以小麦麸皮或小麦麸皮与其它非粮淀粉质的混合物为发酵原料，按照1:5～1:8的料液比加水混合，配制成总糖浓度为5.0～7.0%（w/v）的发酵培养基，调节pH值至5.5～7.5，在110～135℃下蒸煮0.5～1.5小时，冷却至37～40℃；所述发酵原料的用量根据小麦麸皮中的淀粉含量和发酵培养基的总糖浓度确定；
2）接丙酮-丁醇-乙醇菌种，在36～38℃下发酵40～50小时；
3）发酵液过滤，蒸馏，得到丙酮-丁醇-乙醇混合物。
所述其它非粮淀粉质包括木薯、红薯、马铃薯中的一种或几种混合物。
所述发酵培养基的总糖浓度优选6.0～7.0%（w/v）。
所述料液比可以是1:6或1:7。
所述pH值可以是6.0、6.5或7.0。
所述丙酮-丁醇-乙醇菌种可以采用CICC8016、CICC8008、CICC8011、CICC8012或CICC8017菌株（购自中国工业微生物菌种保藏管理中心）。
本发明利用小麦麸皮中的残留淀粉等碳水化合物进行ABE发酵，为ABE的生产提供了一种经济有效的新途径，同时，发酵残渣的再利用还提高了小麦麸皮的利用率和附加值，体现出良好的经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例1的技术路线示意图。
图2是本发明实施例2、3、4的技术路线示意图。
具体实施方式
实施例1以小麦麸皮为原料直接蒸煮发酵生产ABE
称取37.5克小麦麸皮（淀粉含量21.6%），加150ml水配制成糖浓度6.0%（w/v）的发酵培养基，调节pH值至5.5，共三组平行样，115℃蒸煮1.5小时，冷却至36℃，接CICC8016菌种（购自中国工业微生物菌种保藏管理中心）发酵，发酵温度在36℃，发酵周期50小时。
发酵结束后，将发酵液12000r/min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以小麦麸皮为原料发酵生产ABE的结果
从表1中的结果可以看出，仅利用小麦麸皮中的残留淀粉，可以直接利用麸皮作为发酵原料生产ABE，总溶剂产量为21g/L，ABE发酵结果可以达到玉米原料发酵水平20g/L。
实施例2小麦麸皮和马铃薯粉混合发酵生产ABE
称取麸皮A 30g（淀粉含量18.8%）、麸皮B 30g（淀粉含量15.6%）、麸皮C 30g（淀粉含量14.1%），分别加入3.8g、5.3g、6.0g的马铃薯粉（淀粉含量65%），按照固液比1:5的比例加水混合，配制成总糖浓度6.0%(w/v)的发酵培养基，调节pH值至6.0，121℃蒸煮1小时，冷却至37℃，接CICC8016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12000r/min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所示。
表2小麦麸皮和马铃薯粉混合物发酵生产ABE结果
从表2中结果可以看出，本实施例选择的3种残留淀粉含量低于20%的麸皮，添加部分马铃薯粉蒸煮后作为发酵原料，ABE发酵结果同样可以达到玉米原料发酵水平20g/L。
实施例3小麦麸皮和红薯粉混合发酵
称取麸皮A 30g（淀粉含量18.8%）、麸皮B 30g（淀粉含量15.6%）、麸皮C 30g（淀粉含量14.1%），分别加入7.6g、9.7g、10.3g的红薯粉（淀粉含量67%），按照固液比1:6的比例加水混合配制成总糖浓度6.5%(w/v)的发酵培养基，调节pH值至7.0，130℃蒸煮0.5小时，冷却至38℃，接CICC8008菌种（购自中国工业微生物菌种保藏管理中心）发酵，发酵温度在38℃，发酵周期40小时。
发酵结束后，将发酵液12000r/min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小麦麸皮和红薯粉混合发酵生产ABE结果
从表3中结果可以看出，本实施例选择的3种残留淀粉含量低于20%的麸皮，添加部分红薯粉蒸煮后作为发酵原料，ABE发酵结果同样可以达到玉米原料发酵水平20g/L。
实施例4小麦麸皮和木薯粉的混合发酵
称取麸皮A 30g（淀粉含量18.8%）、麸皮B 30g（淀粉含量15.6%）、麸皮C 30g（淀粉含量14.1%），分别加入15.5g、16.8g、17.4g的木薯粉（淀粉含量66%），按照固液比1:8的比例加水混合配制成总糖浓度7.0%(w/v)的发酵培养基，调节pH值至7.5，135℃蒸煮0.5小时，冷却至38℃，接CICC8016菌种发酵，发酵温度在38℃，发酵周期40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小麦麸皮和木薯粉混合发酵生产ABE结果
从表4中结果可以看出，本实施例选择的3种残留淀粉含量低于20%的麸皮，添加部分木薯粉蒸煮后作为发酵原料，ABE发酵结果同样可以达到玉米原料发酵水平20g/L。
以上各实施例中，发酵液蒸馏后所得残渣还可以用作饲料，且饲料的蛋白含量比原麸皮高，这解决了传统ABE的发酵生产与人争粮的问题，同时又提高了小麦麸皮原料的利用率和附加值。进一步分析按照本发明的方法生产ABE的成本，得到表5所示的分析结果，从表5中可以看出，无论是以纯麸皮还是麸皮添加其它非粮淀粉质为原料发酵生产ABE，净成本都要比现有的以玉米为原料发酵生产ABE的成本低，因此，显示了良好的经济效益。
表5按照本发明的方法生产ABE的成本分析表
Claims (10)
1.利用小麦麸皮发酵生产丙酮-丁醇-乙醇的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）以小麦麸皮为发酵原料，按照1:5～1:8的料液比加水混合，配制成总糖浓度为5.0～7.0%（w/v）的发酵培养基，调节pH值至5.5～7.5，在110～135℃下蒸煮0.5～1.5小时，冷却至37～40℃；所述发酵原料的用量根据小麦麸皮中的淀粉含量和发酵培养基的总糖浓度确定；
2）接丙酮-丁醇-乙醇菌种，在36～38℃下发酵40～50小时；
3）发酵液过滤，蒸馏，得到丙酮-丁醇-乙醇混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在发酵原料中添加其它非粮淀粉质作为补充碳源，所述非粮淀粉质包括木薯、红薯、马铃薯中的一种或几种混合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵培养基的总糖浓度为6.0～7.0%（w/v）。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述发酵培养基的总糖浓度为6.5%（w/v）。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1），所述料液比为1:6或1:7。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1），所述pH值为6.0、6.5或7.0。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1），蒸煮温度为115℃、121℃或130℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1），蒸煮时间为1.0小时。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2），发酵温度为37℃，发酵周期为48小时。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2），所述丙酮-丁醇-乙醇菌种为CICC8016、CICC8008、CICC8011、CICC8012或CICC8017菌株。
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