CN103409470B - 一种利用含有戊糖和己糖的混合糖分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用含有戊糖和己糖的混合糖分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法。本发明以含有戊糖和己糖的混合糖为原料利用酿酒酵母与丙酮丁醇梭菌分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮，解决了传统纤维素燃料乙醇所面临的五碳糖发酵问题以及采用丙酮丁醇梭菌戊糖和己糖共发酵生产总溶剂转化率比较低的问题，总溶剂的转化率提高5～50%，既可实现农林废弃物综合利用，减少环境污染，也对于促进我国能源结构多元化、保障我国液体燃料安全具有积极的意义。
Description
技术领域：
本发明涉及一种发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法，具体涉及一种利用含有戊糖和己糖的混合糖分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法。
背景技术：
随着全球社会和经济的高速发展，能源的消费量日益增加，能源消费总量将从目前的100多亿吨油增加到2025年的162亿吨油，增长率超过50%，CO2的排放量也将随之快速增加。另一方面，据最新的数据表明全世界己探明的可开采石油、煤炭和天然气的储量分别为1770亿吨、9827亿吨和118×106亿m3。以目前的开采和消耗速度估算，石油仅能维持生产40年，天然气和煤炭分别可以供应65年和162年。因此，资源和环境方面的压力迫使人类越来越多地关注自然和社会的可持续性发展，发展新型的可再生材料、原料和能源已成为全球的共识，可再生能源成为各国主要发展措施。
生物乙醇、生物丁醇作为可再生的、环境友好型能源，受到越来越多的关注，而且对于减轻当前的石油的损耗和生物环境的恶化相当重要。木质纤维素生物质可再生，资源丰富。在过去的几十年，将这类物质通过水解转化为己糖、戊糖等可发酵性糖，被认为是乙醇、丁醇生产中很具吸引力的一个途径。木质纤维素类生物质包括农业生产的废弃物和剩余物（如农作物秸秆、谷壳、麸皮、蔗渣等)、林木（软木和硬木）及林业加工废弃物、草类等，将其水解（用酸法或者酶法），可生成葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖等成分，然后利用酵母菌或基因工程菌发酵得到乙醇，这就是我们熟知的传统纤维素乙醇生产工艺。以己糖（葡萄糖）为碳源的乙醇发酵菌种酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae已经在工业上得到了广泛的应用，但有效利用以戊糖或利用己糖和戊糖进行共发酵的工业菌株尚不成熟。这样占原料30%的半纤维素水解得到的糖类就不能转化成燃料乙醇，造成产品产率低、成本高，严重地制约 着纤维燃料乙醇的产业化进程。木质纤维素类生物质是最具前景的液体燃料生产原料，传统纤维素燃料乙醇所面临的直接技术障碍就是五碳糖的发酵问题。而丙酮丁醇梭菌能同时利用五碳糖和六碳糖，若将秸秆类生物质水解生成纤维二糖、葡萄糖和木糖等，然后利用丙酮丁醇梭菌发酵生产丁醇，可有效解决传统纤维素燃料乙醇所面临的直接技术障碍五碳糖不能发酵的问题。发明专利CN101440381B公开了一种以戊糖和己糖共发酵生产丙酮丁醇的方法，解决了戊糖发酵的问题，但是丙酮丁醇梭菌发酵生产丙酮、丁醇和乙醇总的溶剂转化率只有35%左右，远低于酿酒酵母生产乙醇的50%。若能利用丙酮丁醇梭菌利用戊糖发酵产丙酮和丁醇的特性、酿酒酵母利用己糖发酵产乙醇较高转化率的特性，以及酿酒酵母可以利用丙酮丁醇梭菌中间代谢产物发酵生产乙醇的特性，将木质纤维素水解液通过两种菌分段、混菌发酵，生产乙醇、丁醇和丙酮，不仅能有效解决传统纤维素燃料乙醇所面临的五碳糖发酵问题，而且还能提高总溶剂的转化率。
目前尚无报道以含有戊糖和己糖的混合糖为原料通过采用酿酒酵母与丙酮丁醇梭菌分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法
发明内容：
本发明的目的是提供一种以含有戊糖和己糖的混合糖为原料分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种利用含有戊糖和己糖的混合糖分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法，包括以下步骤：
1）将含有戊糖和己糖的混合糖配成总糖浓度为20g/l～100g/l，且戊糖占总糖的质量百分比为5～65%，优选为10～60%，再加入氮源和磷源得到发酵培养基，然后将发酵培养基蒸煮灭菌得到蒸煮醪液；
2）待蒸煮醪液冷却到42℃以下进行分段、混菌发酵，首先接入酿酒酵母或丙酮丁醇梭菌中的一种，待发酵4～72小时后接入两种菌株之中的另外一种菌株，继续发酵得到发酵醪液；所述发酵为厌氧发酵，发酵温度为25～41℃，总发酵时间30～168h；
3）将发酵醪液过滤，蒸馏，精馏得到最终的乙醇、丁醇、丙酮产品。
所述氮源或磷源选自以下原料之一或者其混合：玉米浆、玉米粉、麸皮、米糠、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、酵母粉、豆饼、硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、磷酸氢钾、磷酸氢钠。
所述氮源和磷源的质量为发酵培养基中总糖质量的10～50w%。
所述蒸煮灭菌，灭菌温度为101～135℃，灭菌时间为20～150min。
所述混菌发酵优选为：先接入丙酮丁醇梭菌菌株，待发酵4～72小时后接入另外一种菌株酿酒酵母，继续发酵。
所述的酿酒酵母包括但不限于Saccharomyces cerevisiae CICC1001、CICC1023、CICC1027、CICC1029、CICC1211、CICC1250或美国典型微生物菌种保藏中心ATCC所保藏的Saccharomyces cerevisiae ATCC22575、ATCC87276、ATCC87281、ATCC87288、ATCC36859、ATCC GSA-5。
所述的丙酮丁醇梭菌包括但不限于Clostridium acetobutylicum CICC8008、CICC8011、CICC8012、CICC8016、CICC8017和美国典型微生物菌种保藏中心ATCC所保藏的丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum或Clostridium saccharobutylacetonicum或Clostridium beijerinkii)ATCC824、ATCC3625、ATCC4259、ATCC8529、ATCC10132、ATCC25752、ATCC27021、ATCC35702、ATCC39057、ATCC39058、ATCC39236、ATCC43084、ATCC51743、ATCC55025、ATCC824D-5、BAA-117。
本发明的有益效果如下：
本发明是以含有戊糖和己糖的混合糖为原料利用酿酒酵母与丙酮丁醇梭菌分段、混菌发 酵生产乙醇、丁醇和丙酮，解决了传统纤维素燃料乙醇所面临的五碳糖发酵问题以及采用丙酮丁醇梭菌戊糖和己糖共发酵生产总溶剂转化率比较低的问题，总溶剂的转化率提高5～50%，既可实现农林废弃物综合利用，减少环境污染，也对于促进我国能源结构多元化、保障我国液体燃料安全具有积极的意义。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：选用玉米秸秆水解液分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮
发酵培养基为：总糖为70g/l，其中戊糖为30g/l（占总糖42.8%），加入有机添加物(多种农副产品混合配制，富含磷、氮，包括麸皮、米糠、豆饼粉和豆饼等)7g/l（所述氮源和磷源的质量为水解液中总糖质量的10%）。混匀，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中135℃灭菌20分钟。灭菌后冷却到37℃，接入丙酮丁醇梭菌，在37℃厌氧发酵4小时、24小时、48小时、72小时后分别接入酿酒酵母在28℃继续厌氧发酵至总发酵时间144小时。发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表1。发酵结果表明，丙酮丁醇梭菌、酿酒酵母在该培养基中分段、混菌发酵生长较好，不仅能利用水解液中的戊糖，而且总溶剂均比单独接入丙酮丁醇梭菌亚提高了8%～14%。
表1玉米秸秆水解液分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮（先接入丙酮丁醇梭菌）
实施例2：选用玉米秸秆水解液分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮
发酵培养基为：总糖为70g/l，其中戊糖为35g/l（占总糖50%），加入麸皮35g/l（所述氮源和磷源的质量为水解液中总糖质量的50%）。混匀，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中115℃灭菌60分钟。灭菌后冷却到28℃，接入酿酒酵母，在28℃厌氧发酵4小时、24小时、48小时、72小时后分别接入丙酮丁醇梭菌在37℃继续厌氧发酵至总发酵时间168小时。发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表2。发酵结果表明，丙酮丁醇梭菌、酿酒酵母在该培养基中分段、混菌发酵生长也较好，较高提高了水解液中的戊糖的利用率，同时总溶剂均比单独接入酵母提高了5%～50%。
表2玉米秸秆水解液分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮（先接入酿酒酵母）
实施例3：选用玉米秸秆水解液分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮
发酵培养基为：总糖为70g/l，其中戊糖为30g/l（占总糖42.8%），加入豆饼粉14g/l（所 述氮源和磷源的质量为水解液中总糖质量的20%）。混匀，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中115℃灭菌60分钟。灭菌后冷却到37℃，接入丙酮丁醇梭菌，在37℃厌氧发酵18小时后接入酿酒酵母在28℃继续厌氧发酵至30h、48小时、72小时、96小时、120小时、144小时、168小时。发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表3。
表3玉米秸秆水解液分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮（先接入梭菌）
实施例4：选用玉米芯水解液分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮
发酵培养基为：总糖为100g/l，其中戊糖为65g/l（占总糖65%），加入麸皮、米糠、豆饼粉和豆饼混合物20g/l（所述氮源和磷源的质量为水解液中总糖质量的20%）。混匀，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中115℃灭菌60分钟。灭菌后冷却到25℃，接入酿酒酵母，在25℃厌氧发酵24小时后接入丙酮丁醇梭菌在37℃继续厌氧发酵至总发酵时间168小时。发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。其中丁醇、丙酮和乙醇分别为8.4g/L、5.3g/L和27.8g/L，残糖2.11g/L，总溶剂为41.5g/L，发酵效果较好。
实施例5：选用小麦秆水解液分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮
发酵培养基为：总糖为50g/l，其中戊糖为2.5g/l（占总糖5%），分别加入玉米粉25g/l（（所述氮源和磷源的质量为水解液中总糖的50%）、玉米粉15g/l（（所述氮源和磷源的质量为水解液中总糖的30%）、酵母粉5g/l（（所述氮源和磷源的质量为水解液中总糖的10%）。混匀，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中101℃灭菌135分钟。灭菌后冷却到42℃，接入丙酮丁醇梭菌，在37℃厌氧发酵30小时后接入酿酒酵母在28℃继续厌氧发酵至总发酵时间168小时。发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。结果见表4。
表4小麦秆水解液分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮（先接入酿酒酵母）
实施例6：选用稻草水解液分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮
发酵培养基为：总糖为20g/l，其中戊糖为5g/l（占总糖25%），加入玉米粉5g/l（所述氮源和磷源的质量为水解液中总糖的25%）、混匀，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中101℃灭菌150分钟。灭菌后冷却到42℃，接入丙酮丁醇梭菌，在41℃厌氧发酵24小时后接入酿酒酵母在25℃继续厌氧发酵至总发酵时间168小时。发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。其中丁醇、丙酮和乙醇含量分别为5.4g/l、3.2g/l和6.00gg/l，总溶剂为14.60g/l，残糖为1.11g/l。
Claims (5)
1.一种利用含有戊糖和己糖的混合糖分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法，其特征在于包括以下步骤：
a、将含有戊糖和己糖的混合糖配成总糖浓度为20g/l～100g/l，且戊糖占总糖的质量百分比为5～65％，再加入氮源和磷源得到发酵培养基，所述氮源和磷源的质量为发酵培养基中总糖质量的10～50％，然后将发酵培养基蒸煮灭菌得到蒸煮醪液；
b、待蒸煮醪液冷却到42℃以下进行分段、混菌发酵，首先接入酿酒酵母或丙酮丁醇梭菌中的一种，待发酵4～72小时后接入两种菌株之中的另外一种菌株，继续发酵得到发酵醪液；所述发酵为厌氧发酵，发酵温度为25～41℃，总发酵时间30～168h；
c、将发酵醪液过滤，蒸馏，精馏得到最终的乙醇、丁醇、丙酮产品。
2.根据权利要求1所述的利用含有戊糖和己糖的混合糖分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法，其特征在于，戊糖占总糖的质量百分比为10～60％。
3.根据权利要求1所述的利用含有戊糖和己糖的混合糖分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法，其特征在于，所述氮源选自以下原料之一或者其混合：玉米浆、玉米粉、麸皮、米糠、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、酵母粉、豆饼、硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵；所述磷源选自以下原料之一或者其混合：玉米浆、玉米粉、麸皮、米糠、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、酵母粉、豆饼、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、磷酸氢钾、磷酸氢钠。
4.根据权利要求1所述的利用含有戊糖和己糖的混合糖分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法，其特征在于，所述蒸煮灭菌，灭菌温度为101～135℃，灭菌时间为20～150min。
5.根据权利要求1所述的利用含有戊糖和己糖的混合糖分段、混菌发酵生产乙醇、丁醇和丙酮的方法，其特征在于，所述混菌发酵为：先接入丙酮丁醇梭菌菌株，待发酵4～72小时后接入酿酒酵母，继续发酵。
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