CN102876736B - 一种以秸秆为原料发酵生产丙酮、乙醇、丁醇的方法 - Google Patents

一种以秸秆为原料发酵生产丙酮、乙醇、丁醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种以秸秆为原料发酵生产丙酮、乙醇、丁醇的方法，其特征在于向所述秸秆类原料中添加FeSO4．7H2O。该工艺包括秸秆的预处理，秸秆的酶水解，发酵培养基的配制，丙酮、乙醇、丁醇发酵微生物种子液的制备，发酵等步骤。通过利用秸秆来生产丙酮、乙醇、丁醇，通过单添加FeSO4．7H2O促进发酵，提高了溶剂产量和生产效率，降低了生产成本，简化了生产工艺。

Description

一种以秸秆为原料发酵生产丙酮、乙醇、丁醇的方法
技术领域
本发明涉及一种以秸秆为原料发酵生产丙酮、乙醇、丁醇的方法，具体涉及在发酵过程中添加FeSO4.7H2O来制备丙酮、乙醇、丁醇的方法。
背景技术
丙酮、乙醇、丁醇(acetone-ethanol-butanol，以下简称ABE)发酵是一项传统的大宗发酵工业，曾是仅次于酒精发酵的世界第二大发酵过程。我国从建国初期开始利用玉米、糖蜜、高粱等进行ABE发酵的工业化生产，同时也形成了稳定的发酵工艺。由于石化工业的发展，ABE发酵逐渐衰退。但是随着石化资源的耗竭和温室效应等环境问题的日益突出，利用可再生资源生产化工原料和能源物质受到高度重视。然而，利用粮食作物生产ABE引起人们对粮食安全与环境影响的忧虑，因此科学家对利用秸秆为原料生产ABE产生了浓厚的兴趣，与使用玉米和大豆等粮食作为原料的第一代生物燃料相比，秸秆ABE的最大优势在于避免了“道德风险”，一旦产业化生产，秸秆ABE可以解决“与人争粮”的问题，还可以变废为宝。我国可利用的秸秆每年在7×108t左右，这些农业废弃物是ABE生产的丰富来源。
秸秆类生物质在发酵前需要进行预处理，预处理后会生成葡萄糖、木糖等可发酵性糖，同时会产生大量盐类物质、酸类物质、醛类物质和酚类物质等抑制物。ABE生产菌对葡萄糖和木糖都有较高的利用效率，但对酚类、醛类等抑制物比较敏感，因此以秸秆水解物为底物发酵时需要进行复杂脱毒处理。目前常用的脱毒方法有物理法、化学法和生物法。物理法主要有旋转蒸发、活性炭吸附、离子交换树脂等，其中旋转蒸发适合乙酸、糠醛等易挥发性物质的去除。活性炭吸附是主要依靠吸附作用除去部分木质素降解物及其他毒害物质，离子交换树脂既可以除去无机离子也可除去水解液中大部分糠醛、醋酸等，化学法是通过化学沉淀、改变pH及一些抑制物的电离特性从而达到降低毒性的目的，生物法是用特定的酶或微生物作用于发酵抑制物，通过改变抑制物的结构而降低毒性。实际应用中单一方法难以满足发酵需求，通常是各种方法综合利用。这些脱毒方法明显增加了生产成本，限制了利用秸秆生产ABE的产业化。因此，只有针对性地开发廉价、操作性高的生产工艺，避开脱毒工艺，才能真正实现以秸秆为原料生产ABE。
发明内容
本发明的目的是为了解决秸秆类原料预处理后需要复杂脱毒工艺才能用于ABE发酵的问题，选用一类廉价的添加物加入秸秆水解液后快速发酵生成ABE，简化生产工艺，降低ABE生产成本。
本发明的目的是通过如下措施来达到：
本发明以农业废弃物秸秆为原料，主要包括如下工艺单元：秸秆的预处理、秸秆的酶水解、发酵培养基的配制、ABE生产微生物种子液的制备、ABE发酵、溶剂蒸馏。具体步骤如下：
a：秸秆的预处理：将新鲜秸秆晒干后后粉碎过筛；
b：秸秆的酶水解：将步骤a得到的秸秆干粉与0.5％(体积比)硫酸混匀，121℃处理60min后，Ca(OH)2调节pH为4.8，添加预处理酶，混匀后55℃处理36-54h。3000r/min离心5min，除去固体物质，上清即为秸秆水解液。
c：发酵培养基的配制：向每升步骤b中得到的秸秆水解液中加入2g CH3COO(NH4)、0.6g KH2PO4，0.4g K2HPO4、MgSO40.2g、1.5g豆粉；用Ca(OH)2调pH为7.0。加入到厌氧瓶中，向厌氧瓶中充N2去除O2，115℃灭菌20min备用；
d：ABE生产微生物种子液的制备：将混合均匀的4-6％(质量比)玉米粉蒸煮30min，补足蒸发水分后，充N2去除O2，115℃灭菌20min，即配制成种子培养基；加入5-10％(体积比)菌种孢子液，沸水浴热击40-60s，37℃静止培养18-24h即为微生物种子液；
e：ABE发酵：将步骤c中得到的发酵培养基在无菌条件下接入步骤d中得到的10％(体积比)微生物种子液和1％(体积比)混合维生素液，37℃静止发酵18-24h时，添加FeSO4.7H2O，37℃静止发酵48-54h。
f：溶剂蒸馏：采用常规工艺蒸馏发酵醪液制得丙酮、乙醇和丁醇。
所述的发酵过程为在无菌条件下接入10％(体积比)微生物种子液和1％(体积比)混合维生素液，37℃静止发酵18-24h时添加
FeSO4.7H2O，37℃继续静止发48-54h；
所述FeSO4.7H2O加入量为0.1-1g/L；
所述秸秆为小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆中的任意一种或几种的混合物。
所述步骤a中是将新鲜秸秆晒干后粉碎过40目筛；
所述秸秆干粉与0.5％(体积比)硫酸混匀时按1∶6-1∶12(质量比)混合。
所述预处理酶为纤维素酶和木聚糖酶，木聚糖酶的标准酶活＞1×108U/ml(酶活定义：1ml酶液于50℃、pH 5.0条件下，1min水解1％木聚糖溶液产生1μg木糖的酶量为一个木聚糖酶活力单位。)；纤维素的标准酶活(CMC酶活)＞1×105u/ml(酶活定义：1ml酶液于50℃，pH 4.5条件下，1min催化CMC水解生成1μg葡萄糖为一个纤维素酶CMC活力单位)。
所述加入的预处理酶量为纤维素酶50μl/100ml秸秆水解液和木聚糖酶50μl/100ml秸秆水解液。
所述的菌种为丙酮丁醇梭菌(CLostridium acetobutylicum CICC8012)，保存于中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，保藏号为CCTCCM 2010148；保藏日期：2010年6月17日；保藏单位地址：中国武汉武汉大学，邮编430072。
所述的维生素混合液包括肌醇、维生素B1、维生素B6、烟酸、生物素，其在混合液中的终浓度为(mg/L)：肌醇200，维生素B180，维生素B680，烟酸80，生物素1。蒸馏水配制后过滤除菌，4℃保存备用。
其中，步骤e中发酵液中的ABE含量可以用气相色谱法测定。
发酵结束后气相色谱测定发酵醪液中溶剂浓度，其中乙醇含量0.79g/L，丙酮含量3.71g/L，丁醇含量6.59g/L，总溶剂含量11.09g/L。
本发明的有益效果：
1.本发明利用秸秆进行微生物ABE转化，在生产ABE的同时，解决秸秆不能被合理利用对环境造成的压力。
2.秸秆预处理后直接发酵，发酵过程中添加FeSO4.7H2O继续静止发酵，避开了复杂的脱毒工艺，降低了生产成本。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但并非是对本发明的技术方案的限制，本领域技术人员应该理解，依然可以对发明进行修改或等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的保护范围之中。
对照例1
新鲜玉米秸秆晒干后粉碎过40目筛，取20g秸秆干粉放入500ml三角瓶，加入200ml0.5％稀硫酸，121℃处理60min后，Ca(OH)2调节pH为4.8，同时添加100μl纤维素酶和100μl木聚糖酶，混匀后55℃处理48h。3000r/min离心5min，除去固体物质，上清即为水解液。取上清液50ml，加入CH3COO(NH4)0.1g、KH2PO40.03g、MgSO40.01g、0.075g豆粉，用Ca(OH)2调pH为7.0，转入100ml厌氧瓶中，充N2去除O2后115℃灭菌20min作为发酵培养基备用。
发酵培养基接入5ml微生物种子液，同时加入0.5ml维生素混合液，37℃静止培养72h，气相色谱测定发酵液中乙醇含量0.78g/L，丙酮含量1.72g/L，丁醇含量3.92g/L，总溶剂含量6.42g/L。其中，通过采用常规工艺蒸馏发酵醪液制得丙酮、乙醇和丁醇，以下对照例和实施例也可照此常规工艺蒸馏发酵醪液制得丙酮、乙醇和丁醇。
其中微生物种子液的制备是按发明内容部分所述的方法，即将混合均匀的4-6％(质量比)玉米粉蒸煮30min，补足蒸发水分后，充N2去除O2，115℃灭菌20min，即配制成种子培养基；加入5-10％(体积比)菌种孢子液，沸水浴热击40-60s，37℃静止培养18-24h即为微生物种子液。
下面的对照例和实施例中的微生物种子液的制备均按上述方法操作。
对照例2
新鲜小麦秸秆处理及发酵培养基配制同对照例1。
发酵培养基接入5ml微生物种子液，同时加入0.5ml维生素混合液，37℃静止培养72h，气相色谱测定发酵液中乙醇含量0.44g/L，丙酮含量1.45g/L，丁醇含量4.22g/L，总溶剂含量6.11g/L。
对照例3
新鲜水稻秸秆处理及发酵培养基配制同对照例1。
发酵培养基接入5ml微生物种子液，同时加入0.5ml维生素混合液，37℃静止培养72h，发酵液中乙醇含量1.47g/L，丙酮含量2.08g/L，丁醇含量3.14g/L，总溶剂含量6.69g/L。
对照例4
河南省南阳市天冠集团有限公司提供玉米秸秆气爆水解液，检测水解液单糖为葡萄糖，含量为7.49％。3000r/min离心5min，除去固体物质，取上清液稀释糖浓度为5.5％，取稀释液50ml，加入CH3COO(NH4)0.1g、KH2PO40.03g、MgSO40.01g、0.075g豆粉，用Ca(OH)2调pH为7.0，转入100ml厌氧瓶中，充N2去除O2后115℃灭菌20min作为发酵培养备用。
发酵培养基接入5ml微生物种子液，同时加入0.5ml维生素混合液，37℃静止培养72h，气相色谱测定发酵液中乙醇含量1.27g/L，丙酮含量2.69g/L，丁醇含量7.55g/L，总溶剂含量11.31g/L。
实施例1
新鲜玉米秸秆处理及发酵培养基配制同对照例1。
发酵培养基接入5ml微生物种子液，同时加入0.5ml维生素混合液，37℃静止培养24h，添加0.01g FeSO4.7H2O后继续静止发酵48h，气相色谱测定发酵液中乙醇含量0.79g/L，丙酮含量3.71g/L，丁醇含量6.59g/L，总溶剂含量11.09g/L。
实施例2
新鲜小麦秸秆处理及发酵培养基配制同对照例1。
发酵培养基接入5ml微生物种子液，同时加入0.5ml维生素混合液，37℃静止培养24h，添加0.02g FeSO4.7H2O后继续静止发酵48h，气相色谱测定发酵液中乙醇含量0.66g/L，丙酮含量3.64g/L，丁醇含量6.12g/L，总溶剂含量10.42g/L。
实施例3
新鲜水稻秸秆处理及发酵培养基配制同对照例1。
发酵培养基接入5ml微生物种子液，同时加入0.5ml维生素混合液，37℃静止培养24h，添加0.03gFeSO4.7H2O后继续静止发酵48h，发酵液中乙醇含量0.72g/L，丙酮含量3.75g/L，丁醇含量6.21g/L，总溶剂含量10.68g/L。
实施例4
玉米秸秆气爆水解液处理及发酵培养基配制同对照例4。
发酵培养基接入5ml微生物种子液，同时加入0.5ml维生素混合液，37℃静止培养24h，添加0.02gFeSO4.7H2O后继续静止发酵48h，气相色谱测定发酵液中乙醇含量1.42g/L，丙酮含量4.12g/L，丁醇含量9.11g/L，总溶剂含量15.65g/L。
结果显示，本发明所述的以秸秆为原料生产ABE的方法工艺简单，避免了常用的脱毒工艺，添加FeSO4.7H2O后，发酵终止时发酵液中乙醇含量0.79g/L，丙酮含量3.71g/L，丁醇含量6.59g/L，总溶剂含量11.09g/L。

Claims (6)

1.一种以秸秆为原料发酵生产丙酮、乙醇、丁醇的方法，其特征在于包含以下步骤： 
a：秸秆的预处理：将新鲜秸秆晒干后粉碎过筛； 
b：秸秆的酶水解：将步骤a得到的秸秆干粉与体积比为0.5%的硫酸混匀，121℃处理60min后，Ca(OH)2调节pH为4.8，添加预处理酶，混匀后55℃处理36-54h；3000r/min离心5min，除去固体物质，上清即为秸秆酶水解液； 
c：发酵培养基的配制：向每升步骤b中得到的秸秆酶水解液中加入2gCH3COO(NH4)、0.6g KH2PO4，0.4g K2HPO4、MgSO40.2g、1.5g豆粉，用Ca(OH)2调pH为7.0；加入到厌氧瓶中，向厌氧瓶中充N2去除O2，115℃灭菌20min备用； 
d：丙酮、乙醇、丁醇发酵微生物种子液的制备：将混合均匀的质量比为4—6%的玉米粉蒸煮30min，补足蒸发水分后，充N2去除O2，115℃灭菌20min，即配制成种子培养基；加入体积比为5—10%的菌种孢子液，沸水浴热击40—60s，37℃静止培养18—24h即为微生物种子液； 
e：丙酮、乙醇、丁醇发酵：将步骤c中得到的发酵培养基在无菌条件下接入步骤d所述的体积比为10%的微生物种子液和体积比为1%的混合维生素液，37℃静止发酵18—24h时，添加FeSO4.7H2O，37℃静止发酵48—54h； 
f:溶剂蒸馏：采用常规工艺蒸馏发酵醪液制得丙酮、乙醇和丁醇； 
其中，添加FeSO4.7H2O的量为0.1—1g/L；步骤b中加入的预处理酶是纤维素酶和木聚糖酶的混合物；所述的菌种为丙酮丁醇梭菌 （Clostridium acetobutylicum）CICC8012，保藏号为CCTCC M2010148。 
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤a中是将新鲜秸秆晒干后粉碎过40目筛。 
3.根据权利要求1所述方法，秸秆为小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆中的任意一种或几种的混合物。 
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于秸秆干粉与体积比为0.5%的硫酸按质量比1:6—1:12进行混匀。 
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于加入的预处理酶量为纤维素酶50μl/100ml秸秆水解液、木聚糖酶50μl/100ml秸秆水解液。 
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于混合维生素液成分为mg/L：肌醇200mg/L，维生素B180mg/L，维生素B680mg/L，烟酸80mg/L，生物素1mg/L。 
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