一種提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法

專利名稱：：一種提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法
技術領域：
：本發明涉及一種提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法。技術背景丙酮、丁醇和乙醇都是重要的有機溶劑和化工原料，廣泛應用于噴漆、炸藥、塑料、制藥、植物抽提取及有機玻璃、合成橡膠等工業。丙酮可作為制造醋酸纖維素膠片薄膜、塑料和涂料的溶劑，又可用于生產甲基丙烯酸甲酯(MMA)、雙酚A、醇醛縮合物等化工產品。丁醇是新一代的生物燃料，與現有的生物燃料相比，丁醇與汽油的混合比更高，無需對車輛進行改造，同時具有顯著的環境效益，能降低溫室氣體的排放，因此，丁醇在未來的運輸燃料結構中將會占有重要的比重。乙醇是良好的有機溶劑和消毒劑，其殺菌作用較快，消毒效果可靠，對人刺激性小，無毒，對物品無損害，多用于皮膚消毒以及醫療器械臨床的消毒。在二戰時期，丙酮、丁醇、乙醇(Acetone-butanol-ethanol，以下簡稱ABE)主要是利用糧食發酵生產，一直持續到80年代末期和90年代初期，發酵法被日益成熟、成本低廉的石油化工法所取代。ABE的發酵法生產所用菌種主要是梭菌，按ABE比例不同分為3:6:1傳統梭菌和2:7:1高丁醇比梭菌，所得溶劑總量約20g/L，ABE三者比例約3:6:1或2:7:1。所用發酵原料主要是玉米、糖蜜以及玉米和高粱、紅薯等混合物。現在隨著石油資源的日趨減少和環境問題的不斷惡化，利用可再生資源微生物發酵生產ABE重新引起了世界各國的普遍關注，用玉米類糧食為原料發酵ABE，不僅生產成本高，而且也違背了糧食安全戰略。研究人員開始利用玉米和一些淀粉質原料混合發酵，在一定程度上降低了ABE原料成本，也有人在研究利用秸稈類原料發酵生產ABE，但秸稈類原料的預處理技術難度大，產業化周期長。因此，如何在現階段大力發掘廉價、技術上可行的替代原料來進行ABE生產，對于提高ABE發酵產業的競爭力、實現資源的可持續利用具有重要意義。薯類作物是一類淀粉含量非常高的非糧食作物，主要包括木薯、紅薯、馬鈴薯等。在世界各地以及我國均有大量生產，市場價格低于玉米等糧食類原料，目前已經大量用于燃料乙醇的生產，薯類原料和玉米相比，其蛋白質以及脂肪的含量低于后者，直接用薯類原料無法被ABE梭菌利用。我國的研究人員嘗試用玉米和薯類混合發酵，也有人在木薯中添加醋酸銨來發酵，這些工藝的改進在一定程度上降低了發酵原料成本，但仍然缺乏市場競爭力。因此，尋找影響薯類原料發酵的真正原因，從而提高其發酵產率，降低發酵成本，對現階段推動ABE產業化有著非常重要的意義。用單一薯類或其相互混合原料進行發酵，不能夠被ABE梭菌正常的利用。意外地，本案發明人實驗發現，薯類原料中氮源不足是影響薯類原料正常發酵ABE的原因。本案發明人進一步發現，薯類和玉米、高粱等淀粉質原料中的一種或多種混合物發酵時，薯類比例提高后不能正常發酵，通過補充氮源可以明顯提高混合物發酵的溶劑產率。本案發明人基于上述科學發現，完成了本發明。
發明內容本發明的目的在于提供一種提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，以解決現在因薯類原料無法被ABE梭菌有效利用，導致薯類的原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率低、成本高的問題。一種提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，其特制在于向所述薯類原料中補充氮源。所述氮源是有機氮源、無機氮源中的一種或兩種以上的混合，只要保證ABE菌種能夠吸收即可。所述有機氮源包括小麥麩皮、豆粕、米糠、玉米漿、尿素中的一種或其兩種以上的混合。所述無機氮源包括硫酸銨、氯化銨、氨水、硫酸銨、硝酸銨中的一種或其兩種以上的混合。當所述氮源補充后影響發酵液pH變化時，還需向其中補充緩沖pH值的物質。所述緩沖pH值的物質包括碳酸鈣、磷酸鹽等中的一種或兩種以上混合。所述氮源的補充量(以氮元素量計)為發酵糖質量的05.0wt%，優選0.51.5wt%。發酵糖是薯類原料中淀粉轉化成的可用于發酵的糖。所述薯類原料包括木薯、紅薯、馬鈴薯中的一種或兩種以上的混合，還包括木薯、紅薯、馬鈴薯中的一種或兩種以上與玉米或高粱的混合(薯類所占比例大于30%需要補充氮源)。所述ABE菌種包括EA2018、EA2019系列高丁醇ABE菌種以及8008、8011、8012、8016、8017系列ABE菌種。實驗證明，向薯類原料中補充氮源，可以顯著提高ABE產率。氮源的補充量可以在發酵糖濃度的0—99%范圍變化，在0.5%—1.5%內ABE產率可以達到18g/L以上。發酵過程pH的變化對ABE發酵的影響很大，補充無機氮源時由于其生理酸堿性會引起發酵液pH的波動，需要向發酵液中添加碳酸鈣，磷酸鹽等以緩沖pH變化。將薯類原料作為培養基，使用本發明所述的方法發酵生產丙酮、丁醇、乙醇，可適用的ABE菌種包括EA2018、EA2019系列高丁醇ABE菌種(丁醇丙酮乙醇=7:2:1)，以及8008、8011、8012、8016、8017等傳統ABE菌種(丁醇丙酮乙醇二6:3:1)。玉米發酵和木薯類原料補充部分無機氮源發酵ABE的原料成本對比<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從上表可以看出本發明大大降低了發酵法生產ABE的原料成本，緩解了糧食資源緊張問題，為ABE的發酵法生產起到了極大的推動作用。具體實施方式為使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發明。運用本發明將薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的方法包括以下步驟(1)稱取一定量的薯類原料(單一薯類、或任意兩種薯類混合、或三種薯類混合)或薯類與玉米、高粱等淀粉質原料中的一種或多種混合物，向其中加入一定量的有機氮源，或者無機氮源(引起發酵液pH變化的需要添加緩沖物質)，121—13(TC蒸煮糊化，1一1.5小時。(2)蒸煮后的培養基冷卻到37—4(TC，接ABE菌種發酵，發酵溫度在37—40。C，發酵周期48—60小時。實施例l:玉米原料發酵稱取80克的玉米粉，加水糊化約1小時，定容到1升，然后分裝到500ml的三角瓶中，裝液量60%，裝好后在滅菌鍋中121。C滅菌1.5小時。培養基冷卻至37t:左右，將試管中的EA2018菌種接入培養基中，37。C培養箱中發酵48小時。發酵結束后，將發酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶劑測定結果如表l。表l玉米培養基發酵結果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由表1結果可知，ABE菌種在玉米培養基中可以正常發酵，溶劑產量約20g/L。實施例2:單純薯類原料發酵和補充氮源后的薯類原料發酵比較稱取80克的木薯粉，80克紅薯粉，80克馬鈴薯粉，30克紅薯和50克木薯的混合物，分別加水糊化約1小時，分別定容到1升，然后分裝到500ml的三角瓶中，裝液量60%，裝好后在滅菌鍋中12rC滅菌1.5小時。稱取80克的木薯粉，80克紅薯粉，80克馬鈴薯粉，30克紅薯和50克木薯的混合物，每份添加2.4克硫酸銨，3.6克碳酸鈣，分別加水糊化約1小時，分別定容到1升，然后分裝到500ml的三角瓶中，裝液量60%，裝好后在滅菌鍋中12廠C滅菌1.5小時。培養基冷卻至37'C左右，將試管中的EA2018菌種接入培養基中，37"C培養箱中發酵48小時。發酵結束后，將發酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶劑測定結果如表2。表2單純薯類原料發酵和補充氮源后的薯類原料發酵比較<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>木薯加硫酸銨紅〗紅薯加硫酸銨紅薯加硫酸銨紅薯加硫酸銨馬鈴薯馬鈴薯馬鈴薯馬鈴薯加硫酸銨馬鈴薯加硫酸銨馬鈴薯加硫酸銨木、紅薯混合物木、紅薯混合物木、紅薯混合物木、紅薯混合物加硫酸銨木、紅薯混合物加硫酸銨木、紅薯混合物加硫酸銨4.251.2913.4018.943.691.3411.7616.793.71.2112.3317.243.681.2612.1617.13,851.2914.1919.334.191.2713.8419.34.071.5615.0520.684.010.579.8414.423.890.6510.6315.174.090.599.9014.584.310.9413.0918.343.960.5912.9917.544.150.7813.0417.972.682.7911.2016.672.902.2011.6916.792.751.8911.215.843.991.5214.5820.093.891.7814.4220.093.831.7914.5420.16由表2結果可知，ABE菌種在單純薯類培養基中，發酵不能正常進行，溶劑產量低，添加硫酸銨后溶劑產量得到明顯的提高；氮含量低是影響薯類發酵的真正原因。實施例3:薯類和玉米混合發酵和補充氮源后的混合物發酵稱取24克木薯粉和56克玉米粉(混合物1，木薯占30%)兩份，其中一份補充2.4克硫酸銨以及3.6克碳酸鈣。稱取48克木薯粉和32克玉米粉(混合物2，木薯占60%)兩份，其中一份補充2.4克硫酸銨以及3.6克碳酸鈣。稱取32克紅薯粉和48克玉米粉(混合物3，紅薯占40%)兩份，其中一份補充2.4克硫酸銨以及3.6克碳酸鈣。上述6份分別加水糊化約1小時，分別定容到1升，然后分裝到500ml的三角瓶中，裝液量60%，裝好后在滅菌鍋中121。C滅菌1.5小時。培養基冷卻至37'C左右，將試管中的EA2018菌種接入培養基中，37'C培養箱中發酵48小時。發酵結束后，將發酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，測定結果如表3。表3木薯和玉米混合發酵和補充氮源后發酵比較項目丙酮(g/L)乙醇(g/L)丁醇(g/L)總溶劑(g/L)混合物13.221.3411.3115.87混合物l3.151.2311.4515.83混合物13.091.4111.6216.12混合物1補氮4.521.8613.5619.94混合物1補氮4.481.9114.0120.4混合物1補氮4.851.8713.9820.7混合物22.111.058.7211.88混合物22.031.048.5511.62混合物22.201.068.9612.22混合物2補氮4.511.3214.2320.06混合物2補氮4.681.5314.6720.88混合物2補氮4.721.7614.5321.01混合物33.321.2512.8117.38混合物33.361.4913.0717.92混合物33.401.3912.5117.3混合物3補氮4.81.4814.7821.06混合物3補氮4.911.514.9821.39混合物3補氮4.621.3614.9220.9由表3結果可知，當木薯在混合物中所占比例達到30%，紅薯所占比例達到40%，發酵溶劑產量均明顯低于純玉米發酵結果，補充氮源后溶劑產量顯著提高，表明薯類和玉米混合物也是缺氮體系，需要補充氮源才可以正常發酵。實施例4:薯類補充不同氮源發酵實驗稱取80克的木薯粉8份，其中l份作為對照，l份補充氨水，其余6份分別向其中補充20克麩皮；20克豆粕；30克米糠；氯化銨2.4克和碳酸鈣3.6克；尿素2克；硝酸銨2.4克。上述8份分別加水糊化約1小時，分別定容到l升，然后分裝到500ml的三角瓶中，裝液量60%，裝好后在滅菌鍋中12rC滅菌1.5小時。培養基冷卻至37t:左右，將試管中的EA2018菌種接入培養基中，37'C培養箱中發酵48小時。補充氨水的木薯培養基用5%的稀氨水按照2.5%(v/v)補加后按照上述方法接種發酵。發酵結束后，將發酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，測定結果如表4。表4薯類原料補充不同氮源的發酵結果項目丙酮(g/L)乙醇(g/L)丁醇(g/L)總溶劑(g/L)木薯木薯加麩皮木薯加麩皮木薯加麩皮木薯加豆粕木薯加豆粕木薯加豆粕木薯加米糠木薯加米糠木薯加米糠木薯加氯化銨木薯加氯化銨木薯加氯化銨1.81.761.854.414.664.865.365.255.124.524.744.894.544.214.540.650.630.672.011.861.881.811.701.681.831.951.911.621.741.456.456.386.8012.7812.8812.7813.2113.0812.9712.8912.8713.0114.3214.0213.468.908.779.3219.2019.4219.5220.3820.0319.7719.2419.5619.8120.4819.9719.4513<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>由表4可知，薯類發酵ABE可以補充的氮源除了硫酸銨外，還包括麩皮、豆粕、米糠、尿素等有機氮源，另外還有氯化銨、氨水、硝酸銨等無機氮源。實施例5:補充不同比例氮源后薯類發酵實驗稱取80克的木薯粉7份，向7份中分別補充0.86克，1.43克，2.86克，4.29克，5.71克，8.49克，14.15克的硫酸銨以及6.0克的碳酸銬，折算成氮對初始總糖(約6%)的百分含量分別為0.3%，0.5%,1.0%,1.5%，2.0%,3.0%，5.0%，將上述7份原料分別加水糊化約1小時，每份都定容到l升，然后分裝到500ml的三角瓶中，裝液量60%，裝好后在滅菌鍋中121。C滅菌1.5小時。培養基冷卻至37。C左右，將試管中的EA2018菌種接入培養基中，37。C培養箱中發酵48小時。發酵結束后，將發酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶劑測定結果如表5。表5補充不同比例氮源后發酵結果項目丙酮(g/L)乙醇(g/L)丁醇(g/L)總溶劑(g/L)補氮量0.3%3.850.8312.1316.81補氮量0..3%3.720.9111.8916.52補氮量0.3%3.910.9511.9716.83補氮量0.5%4.031.0112.7718.01補氮量0.5%3.991.0512.9418.04補氮量0.5%4.011.0912.6118.03補氮量1.0%4.591.03l楊19.68補氮量1.0%4.65U13.7919.54補氮量1.0%4.82U213.919.84補氮量1.5%4.190.8612.9417.99補氮量1.5%4.440.8612.9818.28補氮量1.5%4.581.0113.3718.96補氮量2.0%3.970.8711.9516.79補氮量2.0%楊0.8112.0116.83補氮量2.0%4.210.8312.5417.58補氮量3.0%3.130.8211.3115.26補氮量3.0%3.010.7511.1214.88補氮量3.0%2.980.7410.9514.67補氮量5.0%2.010.657.319.97補氮量5.0%1.980.567.019.55補氮量5.0%1.860.636.959.44由表5結果可知，在木薯中補充氮源，比單純木薯發酵產溶劑要高，當補充的氮含量較低時，溶劑產量相對要低些，這主要是補充的氮源量還不能夠完全滿足發酵需要，隨著氮源量的增加溶劑產量呈增加趨勢，當補氮量過高后溶劑產量出現下降，這可能是碳氮比變小影響發酵正常進行，氮補充量控制在0.5%—1.5%,ABE產量可以達到18g/L以上。實施例6:發酵過程pH變化對發酵的影響稱取80克木薯粉和2.4克硫酸銨3份，一份作為對照，一份中添加3.6克碳酸鈣；另一份用pH6.0的磷酸鹽緩沖溶液來配培養基。將上述3份糊化約1小時，定容到1升，然后分裝到500ml的三角瓶中，裝液量60%，另外以不添加硫酸銨的同樣比例混合原料作對照，裝好后在滅菌鍋中12rC滅菌1.5小時。培養基冷卻至37'C左右，將試管中的EA2018菌種接入培養基中，37'C培養箱中發酵48小時。發酵結束后，將發酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶劑測定結果如表6。表6發酵過程pH變化對發酵的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>由表6結果可知，硫酸銨是生理酸性鹽，發酵過程會引起發酵液pH波動大，影響了正常的發酵，當通過采取緩沖手段來控制發酵液的pH變化后，發酵趨于正常，溶劑產量顯著提高。實施例7:8011、8016、8017等其它ABE菌種對木薯中添加硫酸銨的培養基發酵驗證稱取80克的木薯粉和2.4克的硫酸銨以及3.6克的碳酸銬混合物4份，分別加水糊化約1小時，分別定容到1升，然后分裝到500ml的三角瓶中，裝液量60%，裝好后在滅菌鍋中12rC滅菌1.5小時。培養基冷卻至37"C左右，將80U、8016、8017以及EA2018系列ABE菌種接入培養基中，37。C培養箱中發酵48小時。發酵結束后，將發酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶劑測定結果如表7。表7不同ABE菌種對木薯培養基的發酵情況項目丙酮(g/L)乙醇(g/L)丁醇(g/L)總溶劑(g/L)EA20184.371.4712.918.74EA20184.181.3113.5919.08EA20184.251.2913.4018.9480116.232.2111.5419.9880115.512.3411.6319.4880115.412.2811.5219.2180165.652.0111.7219.3880165.981.7812.019.7680166.011.8311.8219.6680175.671.9311.2318.8380175.802.1412.0319.9780176.032.2111.4519.69由表7結果可知，本發明的培養基同樣適用于其它ABE菌種發酵，發酵ABE產量可以達到在玉米培養基的產量。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。權利要求1.一種提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，其特制在于向所述薯類原料中補充氮源。2.根據權利要求1所述的提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，其特征在于所述氮源是有機氮源、無機氮源中的一種或兩種以上的混合。3.根據權利要求2所述的提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，其特征在于所述有機氮源包括小麥麩皮、豆粕、米糠、玉米漿、尿素的一種或兩種以上的混合。4.根據權利要求2所述的提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，其特征在于所述無機氮源包括硫酸銨、氯化銨、氨水、硫酸銨、硝酸銨的一種或兩種以上的混合。5.根據權利要求2所述的提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，其特征在于當所述氮源補充后影響發酵液pH變化時，還向所述含薯類的原料中補充緩沖pH值的物質。6.根據權利要求2所述的提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，其特征在于所述緩沖pH的物質包括碳酸鈣、磷酸鹽等中的一種或兩種以上的混合。7.根據權利要求1所述的提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，其特征在于所述氮源的補充量以氮元素量計為發酵糖質量的0—5.0wt%。8.根據權利要求1所述的提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，其特征在于所述氮源的補充量以氮元素量計為發酵糖質量的0.51.5wt%。9.根據權利要求1所述的提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，其特征在于所述薯類原料包括木薯、紅薯、馬鈴薯中的一種或兩種以上的混合，還包括木薯、紅薯、馬鈴薯中的一種或兩種以上與玉米或高粱的混合。10.根據權利要求1所述的提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法，其特征在于所述ABE菌種包括EA2018、EA2019系列高丁醇ABE菌種以及8008、8011、8012、8016、8017系列ABE菌種。全文摘要本發明涉及一種提高薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產率的方法。其特制在于向所述薯類原料中補充氮源。本發明解決現在因薯類原料無法被ABE梭菌有效利用，導致薯類原料發酵生產丙酮、丁醇、乙醇的產量低、成本高的問題。文檔編號C12R1/01GK101250562SQ20081003579公開日2008年8月27日申請日期2008年4月9日優先權日2008年4月9日發明者史吉平,孫沛勇,杜風光,沈兆兵,王文博,謝小勇,陳偉紅申請人:上海天之冠可再生能源有限公司