CN102732572A - 一种发酵木薯生产丙酮丁醇的方法 - Google Patents

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李敬
张超
薛宏光
齐本坤
苏仪
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Jiangsu Jinmaoyuan Biological Chemical Co ltd
Institute of Process Engineering of CAS
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Abstract

本发明涉及一种利用木薯发酵生产丙酮丁醇的方法。该方法具体工艺过程为：以木薯粉为原料配制培养基，蒸煮糊化90分钟；配置玉米浆干粉和硫酸亚铁混合溶液，并调节其pH，灭菌后加入木薯酪中，温度降低到37℃，接种后发酵培养，得丙酮和丁醇发酵液。本发明的特点，一是可以合理利用原有的工艺设备，不需要对设备进行改造，就可以进行大规模的丙酮丁醇生产；二是显著提高了菌种对木薯原料的利用率，降低了发酵法生产丙酮丁醇的原料成本，提高了丙酮丁醇生产的经济效益；三是充分利用木薯资源，有利于带动农村经济的发展，增加农民收入，产生深远的社会效益。

Description

一种发酵木薯生产丙酮丁醇的方法
发明领域
本发明涉及一种发酵生产丙酮丁醇的方法，具体涉及一种向木薯中加入利于菌体生长从而有效利用木薯发酵生产丙酮丁醇的方法。
背景技术
随着世界石油资源日益紧缺，世界各国都在积极寻找再生资源的开发利用。生物燃料作为重要的可再生能源已引起各国的重视，预计到2020年生物燃油的比例将增长到30％，总需求量将达到870亿加仑。
目前，丁醇和丙酮已经成为全球最重要的基本化工大宗产品，丁醇年销量接近400万吨，丙酮的年销售量已超过600万吨，并且需求量还有不断增加的趋势。而目前国内丙酮和丁醇的化学法生产量均为40万吨/年左右，每年仍需大量进口。如果继续扩大化学合成法的生产规模，满足日益增长的丙酮、丁醇需求，显然是不切合实际的。因为，石油价格的波动和持续上涨已经使丙酮、丁醇生产成本居高不下。生物法生产丙酮、丁醇新技术的开发和应用，将降低并稳定丙酮、丁醇的市场价格，同时也能够满足不断增长的市场需求。由于丙酮、丁醇是重要的大宗化工产品，对许多工业领域，社会生活具有举足轻重的影响，其生产技术进步所带来的经济和社会效益必然是重大的。
本发明以木薯为原料生产丙酮丁醇。我国木薯属非粮作物，种植面积860万亩，单产1吨/亩(木薯干片)，仅次于印度、泰国等国家，居世界第五。木薯是广西一大优势作物，占全国木薯种面积的70％，广西还有3000万亩的坡地、荒地可用于发展木薯种植。因此，充分利用好木薯资源，加强木薯开发丙酮、丁醇等产品的综合配套技术攻关，进一步降低成本，提高全利用的技术水平，将形成中国特色和优势的生物能源产业，有利于带动农村经济的发展，增加农民收入，产生深远的社会效益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发酵生产丙酮丁醇的方法。该方法是向木薯原料中添加营养物质，并调节其pH，接种菌种进行发酵生产丙酮丁醇。本发明提高了菌种对木薯原料的利用率，降低了发酵法生产丙酮丁醇的原料成本，提高了丙酮丁醇生产的经济效益，适合于推广应用。
本发明提供了一种发酵法生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，该方法主要步骤包括：
(1)以木薯粉为原料配制培养基，121℃蒸煮糊化90分钟，得到木薯酪；
(2)配置玉米浆干粉溶液，加入适量的七水硫酸亚铁，并调节其pH，121℃高温灭菌15分钟；
(3)将步骤(2)中灭好菌的营养物质添加到步骤(1)中得到的木薯酪，待温度降低到37℃后接种菌株，培养48-72小时。
本发明所述的步骤(2)中玉米浆干粉的添加量为0-4g/L；七水硫酸亚铁的添加量为0-20mg/L。
本发明所述的步骤(2)中pH用氢氧化钠调节为6-8。
本发明所述的步骤(3)中所用菌种为丙酮丁醇梭菌ATCC-824，丁酸梭菌23592，丙酮丁醇梭菌170，丙酮丁醇梭菌P260或拜氏梭菌ATCC 55025。
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。应理解，以下实施方式仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
根据本发明，所述ABE是指丙酮、丁醇、乙醇(Acetone-butanol-ethanol)的简称。
以下实施方式中所涉及的浓度，除特别注明外，均为质量浓度(g/l)。
实施例1：丙酮丁醇梭菌ATCC 824利用木薯粉优化培养基发酵生产ABE
配制200ml木薯粉培养基，培养基组成：木薯粉7％，将配制好的木薯粉发酵培养基煮沸糊化10min，转入250ml摇瓶中，121℃高压灭菌1.5h。配制CSP-Fe溶液，首先配制20％的玉米浆干粉溶液100mL，加入0.1g七水硫酸亚铁，用氢氧化钠调节pH至7.0，121℃高压灭菌20min。待培养基降温至40℃以下，将不同量的灭好菌的CSP-Fe溶液加入木薯粉中，再接入经活化24h的丙酮丁醇梭菌(Clostriidium acetobutylicum)ATCC 824菌液，接种量10％，37℃发酵培养。
发酵结束后取发酵液，样品在10000rpm转速下离心10min，收集上清液。对上清液中的ABE溶剂组分进行气相色谱(GC)分析，色谱仪的操作条件如下：
分离柱：Phenomenex Zebron ZB-WAX，(30mm×0.32mm×0.25μm)
柱温：100℃
载气：氮气
流速：40ml/min
压力：0.07MPa
进样量：0.5μl
检测器：FID检测器
两组样品经气相色谱(GC)分析，其中丙酮、乙醇、丁醇和总溶剂的测定结果如表1所示。
表1添加不同量CSP-Fe溶液对木薯粉发酵生成ABE的影响
Figure BDA0000053376490000041
由表1结果可知，未添加玉米浆干粉时，丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)ATCC 824，发酵木薯粉生成ABE溶剂的速率和产量均较低，发酵结束时的总溶剂浓度为10.45g/L；木薯粉培养基中添加2mL CSP-Fe混合溶液后，发酵48h的总溶剂浓度提高，在添加量为0-4mL的范围内，木薯粉发酵生成ABE总溶剂的浓度呈现先增长，后有所下降的趋势。综合表1数据，可以看出木薯粉发酵生产ABE溶剂，玉米浆干粉添加量为2mL时达到最高，此时，总溶剂浓度可达到20.71g/L，说明添加CSP-Fe混合溶液对木薯粉发酵生成ABE溶剂有明显的促进作用。
实施例2：C.butylicum 23592利用木薯粉优化培养基发酵生产ABE
按照实施例1所述配制木薯粉培养基及CSP-Fe溶液，待培养基降温至40℃以下，将2mL灭好菌的CSP-Fe溶液加入木薯粉中，再接入经活化24h的C.butylicum 23592菌液，接种量10％，37℃发酵培养。
发酵结束后取发酵液，样品在10000rpm转速下离心10min，收集上清液。对上清液中的ABE溶剂组分进行气相色谱(GC)分析。
结果表明，未添加CSP-Fe溶液时，C.butylicum 23592菌液发酵木薯粉生成ABE溶剂的速率和产量均较低，发酵结束时的总溶剂浓度为9.26g/L；木薯粉培养基中添加2mL CSP-Fe混合溶液后，发酵48h的总溶剂浓度提高，总溶剂浓度可达到19.32g/L，说明添加CSP-Fe混合溶液对C.butylicum 23592发酵木薯粉生成ABE溶剂有明显的促进作用。
实施例3：C.acetobutylicum 170利用木薯粉优化培养基发酵生产ABE
按照实施例1所述配制木薯粉培养基及CSP-Fe溶液，待培养基降温至40℃以下，将2mL灭好菌的CSP-Fe溶液加入木薯粉中，再接入经活化24h的C.acetobutylicum 170菌液，接种量10％，37℃发酵培养。
发酵结束后取发酵液，样品在10000rpm转速下离心10min，收集上清液。对上清液中的ABE溶剂组分进行气相色谱(GC)分析。结果表明，未添加CSP-Fe溶液时，C.acetobutylicum 170菌液发酵木薯粉生成ABE溶剂的速率和产量均较低，发酵结束时的总溶剂浓度为10.18g/L；木薯粉培养基中添加2mL CSP-Fe混合溶液后，发酵48h的总溶剂浓度提高，总溶剂浓度可达到20.34g/L，说明添加CSP-Fe混合溶液对C.acetobutylicum 170发酵木薯粉生成ABE溶剂有明显的促进作用。
实施例4：丙酮丁醇梭菌ATCC 824利用木薯粉-玉米浆干粉培养基和玉米培养基发酵生产ABE溶剂的比较
采用纯玉米粉为原料，丙酮丁醇梭菌ATCC 824发酵生产ABE溶剂，发酵条件和产物测定同实施例1，将发酵生产ABE溶剂产量与以木薯粉(添加玉米浆干粉及七水硫酸亚铁)为原料发酵生产ABE溶剂产量作比较，结果如表2所示。
表2木薯粉-CSP-Fe培养基和玉米培养基发酵生产ABE溶剂的比较
Figure BDA0000053376490000051
由表2结果可知，在木薯粉培养基中添加玉米浆干粉、硫酸亚铁后，发酵生成ABE总溶剂的浓度与采用纯玉米粉培养基发酵所得的溶剂水平相当，均在20g/l左右，其中三种主要成分丙酮、乙醇、丁醇的比例也接近。
因此，木薯粉和玉米粉发酵生产ABE溶剂的差别主要在于培养基原料的成本，比较两种培养基的价格，结果如表3所示。
表3木薯粉-CSP-Fe培养基和玉米粉培养基发酵生产ABE成本的比较
Figure BDA0000053376490000061
由表3结果可知，采用木薯粉为发酵原料，在添加玉米浆干粉、硫酸亚铁的情况下，成本要比目前以纯玉米粉为发酵原料约低，大大降低了原料成本。总之，本发明只需在木薯粉培养基中添加，即可将发酵产物的溶剂浓度提高到和纯玉米粉同样的发酵水平。采用这种方法，在保持产物溶剂总量和产物比例的情况下，大大降低了原料成本，更加适于工业化发酵法生产丙酮、丁醇、乙醇。

Claims (6)

1.一种发酵木薯生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，该方法主要步骤包括：
(1)以木薯粉为原料配制培养基，121℃蒸煮糊化90分钟；
(2)配置玉米浆干粉，加入适量的七水硫酸亚铁，并调节pH，121℃灭菌15分钟；
(3)将步骤(2)中灭好菌的营养物质添加到步骤(1)中，温度降低到37℃后接种菌株，培养48-72小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述玉米浆干粉的添加量为1-4g/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述七水硫酸亚铁的添加量为1-20mg/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中pH用氢氧化钠调节。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，pH调节为6-8。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所用菌种为丙酮丁醇梭菌ATCC-824，丁酸梭菌23592，丙酮丁醇梭菌170，丙酮丁醇梭菌P260或拜氏梭菌ATCC 55025。
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