CN102757983A - 一种利用木薯原料提高丁醇发酵生产效率和丁醇/丙酮比的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高木薯原料发酵生产丁醇的生产效率和丁醇/丙酮比的工艺方法，根据木薯丁醇发酵过程中相转型延迟出现时，pH和产气的变化规律，适时向发酵体系中添加酵母浸粉，有效的改善了发酵性能，提高丁醇/丙酮的比例。我们将此方法应用于传统分批发酵，以木薯为原料并适时添加酵母浸粉的发酵与以玉米为原料的发酵相比，相应发酵方式的生产效率相当或有所提高，丁醇/丙酮比分别提高了12.9%，61%和6.7%（表1）。另外，利用本方法所得生物柴油中丁醇浓度与以玉米为原料的发酵相比提高了16%（表1），进一步提高了改良型生物柴油的性能。

Description

一种利用木薯原料提高丁醇发酵生产效率和丁醇/丙酮比的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种提高丁醇生产效率和丁醇/丙酮比的方法，特别是一种通过向木薯原料中适时添加酵母浸粉提高丁醇发酵生产效率和丁醇/丙酮比的工艺方法。

背景技术

丙酮丁醇发酵是利用厌氧性Clostridium种属的产孢子细菌，在培养液中生产丙酮丁醇的发酵过程（简称丁醇发酵）。丁醇发酵的主产品-丁醇，既是一种极具潜力的新型生物燃料，又是一种十分重要的化工平台化合物。随着世界原油价格的剧烈波动以及温室效应的日益突出，曾经没落的丁醇发酵技术，作为一种能够有效利用生物质原料生产丁醇燃料的技术，再次引起人们的关注。

传统的丁醇发酵技术存在诸多问题严重限制了其发展：强烈的终产物抑制：丁醇发酵受到来自丁醇的强烈的生长抑制，导致发酵生产强度和设备利用率的显著下降。产品蒸馏精制过程中的能量成本高。原料大多是粮食且价格不断上涨。

针对上述问题科学工作者研究开发了许多新技术和新方法并积极寻求新的适合丁醇发酵的原料。选择性萃取发酵是针对问题⑴而提出的解决方法。目的产物丁醇的产物抑制作用很强，出现抑制现象后发酵速度急剧下降。如果此时将发酵液中积累的丁醇转移到与发酵液完全不相容的萃取相中，就可以将发酵液中丁醇的浓度保持在其抑制浓度以下，从而使发酵过程继续高效的进行下去。油醇，因其对丁醇萃取系数高、对生产菌株毒性低的优点，被公认为是丁醇发酵最好的萃取剂。我们将本发明中的方法应用于油醇萃取发酵发现，与传统发酵和生物柴油萃取发酵相比，生产效率和丁醇/丙酮比的提升更为显著。

即使采用选择性萃取，丁醇在萃取剂中的浓度还是很低，在使用油醇的条件下也不会超过4-5%。因此蒸馏回收丁醇过程的大量能耗严重制约着丁醇工业发酵的发展。作为解决问题⑵的对策，必须考虑使用省去产品回收精制过程的新方法。我们之前的研究表明，将对丁醇具有一定萃取能力的生物柴油作为萃取剂进行原位萃取发酵，发酵结束后，生物柴油萃取有10g/L左右的丁醇，其性能得到有效改善可以直接使用。这样用于蒸馏精制的能耗节省了50%以上。我们同样把本发明中的方法应用于生物柴油萃取发酵中发现，生产效率和丁醇/丙酮比均有较大提升，同时生物柴油中丁醇浓度与以玉米为原料的发酵相比提高了16%，进一步提高了改良型生物柴油的性能。

玉米一直是丁醇发酵生产的主要原料。但是，由于可用耕地的减少、人口的激增以及价格的上涨，使用玉米等粮食作物进行清洁、可再生的能源生产就与粮食安全问题产生了矛盾。为同时保证粮食和能源安全、实现低碳经济，“非粮”生物质资源，因其“不与人争粮、不与粮争地”的特征就被推上了发展清洁、可再生能源的前沿。在众多非粮原料中，木薯以其淀粉含量高、加工技术简单、价格便宜、产量高等优点被广泛用于发酵工业；目前也是丁醇发酵过程中研究较多的一种原料。然而，木薯发酵产丁醇过程中会出现严重的相转型延迟或者不能转型的现象，不管是传统发酵还是萃取发酵，发酵时间显著延长，生产效率低下。本发明的方法就是针对这一问题开发出来的，效果十分显著。

丁醇发酵的最终产物为丁醇、丙酮和乙醇，其重量比大约为6:3:1。选择性的提高丁醇的比例（丁醇/丙酮比）是目前丁醇发酵研究的一个重要课题。在该方面较为成熟的方法主要包括：调控发酵体系的氧化还原电位，使用混合原料（包含还原性较强的糖类物质），筛选高丁醇比的菌株，以及添加中性红等电子载体等。然而这些方法要么是以牺牲总溶剂为代价，要么就是增加后续分离纯化的难度。本发明的方法在一定程度上提高了丁醇/丙酮比和总溶剂浓度，而且对后续的分离纯化过程没有任何影响。

本发明解决了木薯丁醇发酵过程中存在的相转型延迟或无法转型的问题，对于传统发酵、油醇萃取发酵和生物柴油萃取发酵均起到了很好的效果，不但缩短了发酵时间，提高了生产效率和丁醇/丙酮比，还提高了生物柴油中丁醇的浓度，对于降低成本和减少能耗具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高木薯原料发酵生产丁醇的生产效率和丁醇/丙酮比的工艺方法，以解决由于严重相转型延迟或无法实现转型而造成的木薯丁醇发酵过程中生产效率低下的问题，并通过该方法有效的提高丁醇/丙酮的比例。

丁醇发酵一般分成两个阶段：第一阶段为产酸阶段，丁酸和乙酸大量生成，pH迅速下降；第二阶段为产溶剂阶段，生成的丁酸和乙酸被逐步消耗，丁醇和丙酮开始大量积累，pH逐渐回升。两个阶段之间能否顺利过渡（相转型），决定了发酵过程的成败。木薯丁醇发酵过程中会出现严重的相转型延迟或者不能转型的现象，即在产酸期向产溶剂期过渡时出现pH在谷底徘徊，产气停滞，糖耗量骤降，溶剂产率很低等现象，导致发酵时间延长，生产效率下降甚至发酵失败等结果。本发明根据木薯丁醇发酵过程中相转型延迟出现时，pH和产气的变化规律，适时向发酵体系中添加酵母浸粉，有效的改善了发酵性能，提高丁醇/丙酮的比例。

本发明特制在于丙酮丁醇梭菌利用木薯原料生产丁醇过程中，pH在谷底徘徊没有明显回升，产气停滞（每小时产气体积为0.5-0.6L）10h左右即相延迟发生时，向发酵液中添加酵母浸粉。所述酵母浸粉添加量，使发酵液中酵母浸粉的终浓度达到2.5g/L-发酵液。

我们将此方法应用于传统分批发酵，以及使用油醇或生物柴油作为萃取剂的分批萃取发酵中，结果表明：以木薯为原料并适时添加酵母浸粉的发酵与单纯木薯发酵相比，相应发酵方式的生产效率均大幅提高，分别提高了80.4%，79.8%和22%，丁醇/丙酮比分别提高了11%，21.2%和14.1%；以木薯为原料并适时添加酵母浸粉的发酵与以玉米为原料的发酵相比，相应发酵方式的生产效率相当或有所提高，丁醇/丙酮比分别提高了12.9%，61%和6.7%；另外，利用本方法所得生物柴油中丁醇浓度与以玉米为原料的发酵相比提高了16%，进一步提高了改良型生物柴油的性能。

本发明解决了木薯丁醇发酵过程中存在的相转型延迟或无法转型的问题，对于传统发酵、油醇萃取发酵和生物柴油萃取发酵均起到了很好的效果，不但缩短了发酵时间，提高了生产效率和丁醇/丙酮比，还提高了生物柴油中丁醇的浓度，对于降低成本和减少能耗具有重要意义。

具体实施方式

实施例1（玉米丁醇发酵）

菌种：丙酮丁醇梭状芽孢杆菌（Clostridium acetobutylicum）ATCC824，适宜发酵淀粉质原料，于5%(w/v)的玉米醪中培养成孢子液，4℃冰箱保存。

种子培养基：活化和保藏菌种均采用玉米醪培养基，市售黄玉米粉40目过筛。活化、保藏菌种均采用5%(w/v)的玉米醪培养基，通过高温糊化60min制备，pH自然，121℃灭菌50min。

菌种活化方法：将保藏于4℃冰箱中的菌种在厌氧培养箱中接入装有40mL活化培养基的厌氧瓶中，接种量体积分数为10%。抽真空2min以驱除培养基中的溶解氧，于沸水中热处理1min，于冰水中冷处理1min，最后置于37℃水浴锅中培养，培养24h后作为发酵菌种。

玉米发酵培养基：传统和生物柴油萃取发酵培养基玉米粉浓度均为15%(w/v)，油醇萃取发酵玉米粉浓度为30%(w/v)，通过添加液化酶(8u/g淀粉，沸水浴下液化45min)和糖化酶(120u/g淀粉，62℃下糖化60min)制备，pH自然，121℃灭菌30min。

发酵方法：为了保证发酵罐内的厌氧环境，接种前向装有玉米发酵培养基（传统发酵2.5L，萃取发酵2L）的7L发酵罐中持续通入氮气15min，接种量体积分数为10%，使用循环水浴槽和发酵罐的内盘管将温度控制在37℃下静态培养。当需要添加生物柴油或油醇进行萃取发酵时，先通入氮气15min以驱除生物柴油或油醇中的溶解氧，再以油水比1:1的比例（v/v）直接添加到接种好的发酵培养基上方。将发酵罐中的压力维持的0.04Mp，并定时测量产气量和记录pH变化，结果见表1，表2。

pH的测定：使用配置于发酵罐上的pH电极在线测定。

产气量的测定方法：丙酮丁醇梭菌发酵主要生成丙酮、丁醇，还生成CO₂、H₂，为了测定发酵过程中产气量，我们利用排水法测定气体体积，忽略CO₂在水中的溶解度。量筒是气体的收集与测量装置，气体通过硅胶管导入量筒中。

实施例2（木薯丁醇发酵）

菌种：丙酮丁醇梭状芽孢杆菌（Clostridium acetobutylicum）ATCC824，适宜发酵淀粉质原料，于5%(w/v)的玉米醪中培养成孢子液，4℃冰箱保存。

种子培养基：活化和保藏菌种均采用玉米醪培养基，市售黄玉米粉40目过筛。活化、保藏菌种均采用5%(w/v)的玉米醪培养基，通过高温糊化60min制备，pH自然，121℃灭菌50min。

菌种活化方法：将保藏于4℃冰箱中的菌种在厌氧培养箱中接入装有40mL活化培养基的厌氧瓶中，接种量体积分数为10%。抽真空2min以驱除培养基中的溶解氧，于沸水中热处理1min，于冰水中冷处理1min，最后置于37℃水浴锅中培养，培养24h后作为发酵菌种。

木薯发酵培养基：传统和生物柴油萃取发酵培养基木薯粉浓度均为15%(w/v)，油醇萃取发酵木薯粉浓度为25%(w/v)，通过添加液化酶(8u/g淀粉，沸水浴下液化45min)和糖化酶(120u/g淀粉，62℃下糖化60min)制备，pH自然，121℃灭菌30min。

发酵方法：为了保证发酵罐内的厌氧环境，接种前向装有木薯发酵培养基（传统发酵2.5L，萃取发酵2L）的7L发酵罐中持续通入氮气15min，接种量体积分数为10%，使用循环水浴槽和发酵罐的内盘管将温度控制在37℃下静态培养。当需要添加生物柴油或油醇进行萃取发酵时，先通入氮气15min以驱除生物柴油或油醇中的溶解氧，再以油水比1:1的比例（v/v）直接添加到接种好的发酵培养基上方。酵母浸粉添加量，使发酵液中酵母浸粉的终浓度达到2.5g/L-发酵液。将其配成适当体积溶液，115℃灭菌15min后按需要在发酵过程中通过蠕动泵打入发酵液内。将发酵罐中的压力维持的0.04Mp，并定时测量产气量和记录pH变化，结果见表1，表2。

pH的测定：使用配置于发酵罐上的pH电极在线测定。

产气量的测定方法：丙酮丁醇梭菌发酵主要生成丙酮、丁醇，还生成CO₂、H₂，为了测定发酵过程中产气量，我们利用排水法测定气体体积，忽略CO₂在水中的溶解度。量筒是气体的收集与测量装置，气体通过硅胶管导入量筒中。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

表1.不同发酵方式下，以玉米或木薯为培养基的丁醇发酵的性能比较

T：传统发酵；E-OA：油醇萃取发酵；E-BD：生物柴油萃取发酵。

T1：玉米培养基；T2：木薯培养基（21h时添加酵母浸粉）；E-OA1和E-BD1：玉米培养基；E-OA2和E-BD2：木薯培养基（分别在39h和28h添加酵母浸粉）。

*:萃取剂中丁醇的浓度

由表1中的实验结果可以看出，以木薯为培养基并适时添加酵母浸粉的丁醇发酵批次与相应以玉米为培养基的发酵批次相比，丁醇的生产效率相当甚至有所提高。而丁醇/丙酮比例在传统发酵、油醇萃取发酵和生物柴油萃取发酵中以木薯为原料批次与以玉米为原料批次相比分别提高了12.9%，61%和6.7%

表2.不同发酵方式下，适时添加酵母浸粉的木薯发酵与单纯木薯发酵的性能比较

T：传统发酵；E-OA：油醇萃取发酵；E-BD：生物柴油萃取发酵。

T1：木薯培养基；T2：木薯培养基（21h时添加酵母浸粉）；E-OA1和E-BD1：木薯培养基；E-OA2和E-BD2：木薯培养基（分别在39h和28h添加酵母浸粉）。

*：萃取剂中丁醇的浓度。

由表2中的实验结果可以看出，在传统发酵、油醇萃取发酵和生物柴油萃取发酵中，以木薯为原料并适时添加酵母浸粉的发酵与单纯木薯发酵相比，相应发酵方式的生产效率均大幅提高，分别提高了80.4%，79.8%和22%，丁醇/丙酮比例分别提高了11%，21.2%和14.1%。

Claims (5)

1.一种利用木薯原料提高丁醇发酵生产效率和丁醇/丙酮比的工艺方法，其特征在于：首先制备木薯发酵培养基，木薯粉浓度视发酵方式而定；传统发酵和生物柴油萃取发酵为15%，油醇萃取发酵为25%，所述百分比为质量体积比，在培养基中加入液化酶8U/g淀粉，沸水浴下液化45min，加入糖化酶120U/g淀粉，62℃水浴下糖化60min，装罐后121℃灭菌30min，接种前向装有发酵培养基的发酵罐中持续通入氮气15min，创造无氧环境；然后将活化后的丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）ATCC824按体积分数10%接种；进行萃取发酵需要添加生物柴油或油醇时，先通入氮气15min以驱除生物柴油或油醇中的溶解氧，再以油水比1:1的比例（v/v）直接添加到接种好的发酵培养基上方；温度控制在37℃静态培养，当发酵液pH在谷底徘徊没有明显回升，产气停滞10h左右时，向发酵液中添加酵母浸粉。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于所述酵母浸粉添加量为终浓度2.5g/L-发酵液。

3.权利要求1所述的方法，其特征在于所述pH的监测方法是：在发酵体系中放入pH电极，将发酵液初始pH调节到6.0并实时监测。

4.权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于所述pH在谷底徘徊没有明显回升标准是：发酵前期pH下降到某值后连续4-5h没有变化或在其上下0.02范围内波动。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述产气停滞的标准是：每小时所测量到的产气为0.5-0.6L。