一種以秸稈為原料發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、乙醇、丁醇的方法

專利名稱：一種以秸稈為原料發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、乙醇、丁醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以秸桿為原料發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、乙醇、丁醇的方法，具體涉及在發(fā)酵過程中添加Na2S來制備丙酮、乙醇、丁醇的方法。
背景技術(shù)：
丙酮、乙醇、丁醇(acetone-ethanol-butanol,以下簡(jiǎn)稱ABE)發(fā)酵是一項(xiàng)傳統(tǒng)的大宗發(fā)酵工業(yè)，曾是僅次于酒精發(fā)酵的世界第二大發(fā)酵過程。我國從建國初期開始利用玉米、糖蜜、高粱等進(jìn)行ABE發(fā)酵的工業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)也形成了穩(wěn)定的發(fā)酵工藝。由于石化工業(yè)的發(fā)展，ABE發(fā)酵逐漸衰退。但是隨著石化資源的耗竭和溫室效應(yīng)等環(huán)境問題的日益突出，利用可再生資源生產(chǎn)化工原料和能源物質(zhì)受到高度重視。然而，利用糧食作物生產(chǎn)ABE
引起人們對(duì)糧食安全與環(huán)境影響的憂慮，因此科學(xué)家對(duì)利用秸桿為原料生產(chǎn)ABE產(chǎn)生了濃厚的興趣，與使用玉米和大豆等糧食作為原料的第一代生物燃料相比，秸桿ABE的最大優(yōu)勢(shì)在于避免了“道德風(fēng)險(xiǎn)”，一旦產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，秸桿ABE可以解決“與人爭(zhēng)糧”的問題，還可以變廢為寶。我國可利用的秸桿每年在7X108t左右，這些農(nóng)業(yè)廢棄物是ABE生產(chǎn)的豐富來源。秸桿類生物質(zhì)在發(fā)酵前需要進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后會(huì)生成葡萄糖、木糖等可發(fā)酵性糖，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量鹽類物質(zhì)、酸類物質(zhì)、醛類物質(zhì)和酚類物質(zhì)等抑制物。ABE生產(chǎn)菌對(duì)葡萄糖和木糖都有較高的利用效率，但對(duì)酚類、醛類等抑制物比較敏感，因此以秸桿水解物為底物發(fā)酵時(shí)需要進(jìn)行復(fù)雜脫毒處理。目前常用的脫毒方法有物理法、化學(xué)法和生物法。物理法主要有旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、活性炭吸附、離子交換樹脂等，其中旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)適合乙酸、糠醛等易揮發(fā)性物質(zhì)的去除?；钚蕴课绞侵饕揽课阶饔贸ゲ糠帜举|(zhì)素降解物及其他毒害物質(zhì)，離子交換樹脂既可以除去無機(jī)離子也可除去水解液中大部分糠醛、醋酸等，化學(xué)法是通過化學(xué)沉淀、改變PH及一些抑制物的電離特性從而達(dá)到降低毒性的目的，生物法是用特定的酶或微生物作用于發(fā)酵抑制物，通過改變抑制物的結(jié)構(gòu)而降低毒性。實(shí)際應(yīng)用中單一方法難以滿足發(fā)酵需求，通常是各種方法綜合利用。這些脫毒方法明顯增加了生產(chǎn)成本，限制了利用秸桿生產(chǎn)ABE的產(chǎn)業(yè)化。因此，只有針對(duì)性地開發(fā)廉價(jià)、操作性高的生產(chǎn)工藝，避開脫毒工藝，才能真正實(shí)現(xiàn)以秸桿為原料生產(chǎn)ABE。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決秸桿類原料預(yù)處理后需要復(fù)雜脫毒工藝才能用于ABE發(fā)酵的問題，選用一類廉價(jià)的添加物例如Na2S加入秸桿水解液后快速發(fā)酵生成ABE，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，降低ABE生產(chǎn)成本。本發(fā)明的目的是通過如下措施來達(dá)到本發(fā)明以農(nóng)業(yè)廢棄物秸桿為原料，主要包括如下工藝單元秸桿的預(yù)處理、秸桿的酶水解、發(fā)酵培養(yǎng)基的配制、ABE生產(chǎn)微生物種子液的制備、ABE發(fā)酵。具體步驟如下a :秸桿的預(yù)處理將新鮮秸桿曬干后后粉碎過40目篩；
b :秸桿的酶水解將步驟a得到的秸桿干粉與O. 5%硫酸(體積比)按I :6— I :12 (質(zhì)量比)混勻，121°C處理60min后，Ca(OH) 2調(diào)節(jié)pH為4. 8，添加預(yù)處理酶，混勻后55°C處理36—54h。3000r/min離心5min,除去固體物質(zhì),上清即為稻桿酶水解液。c :發(fā)酵培養(yǎng)基的配制向每升步驟b中得到的秸桿酶水解液中加入2gCH3COO(NH4)、0· 6g KH2PO4,0. 4g K2HPO4, MgSO4O. 2g、l. 5g 豆粉；用 Ca(OH)2 調(diào) pH 為 7· O。力口入到厭氧瓶中，向厭氧瓶中 充N2去除02，115°C滅菌20min備用；d =ABE生產(chǎn)微生物種子液的制備將混合均勻的4一6% (質(zhì)量比)玉米粉蒸煮30min,補(bǔ)足蒸發(fā)水分后，充N2去除O2,115°C滅菌20min,即配制成種子培養(yǎng)基；加入5—10% (體積比)菌種孢子液，沸水浴熱擊40— 60s，37°C靜止培養(yǎng)18 — 24h即為微生物種子液；e =ABE發(fā)酵將步驟c中得到的發(fā)酵培養(yǎng)基在無菌條件下接入步驟d中得到的10% (體積比)微生物種子液和1% (體積比)混合維生素液，37°C靜止發(fā)酵18 — 24h時(shí)，添加Na2S 37°C靜止發(fā)酵48— 54h。f :溶劑蒸餾采用常規(guī)工藝蒸餾發(fā)酵醪液制得丙酮、乙醇和丁醇。所述的發(fā)酵過程為在無菌條件下接入10% (體積比)微生物種子液和1% (體積比)混合維生素液，37°C靜止發(fā)酵18 — 24h添加Na2S37°C靜止發(fā)酵48— 54h。所述添加Na2S的量為O. I—lg/L ；所述秸桿為小麥秸桿、水稻秸桿、玉米秸桿中的任意一種或幾種的混合物。所述步驟a中是將新鮮秸桿曬干后粉碎過40目篩；所述秸桿干粉與O. 5% (體積比)硫酸混勻時(shí)按I :6 — I :12(質(zhì)量比)混合。所述預(yù)處理酶為纖維素酶和木聚糖酶，木聚糖酶的標(biāo)準(zhǔn)酶活> I X 108U/ml (酶活定義1ml酶液于50°C、pH5. O條件下，Imin水解I %木聚糖溶液產(chǎn)生I μ g木糖的酶量為一個(gè)木聚糖酶活力單位。)；纖維素的標(biāo)準(zhǔn)酶活(CMC酶活)> lX105u/ml (酶活定義1ml酶液于50°C，pH4. 5條件下，Imin催化CMC水解生成I μ g葡萄糖為一個(gè)纖維素酶CMC活力單位)。所述加入的預(yù)處理酶量為纖維素酶50μ 1/lOOml秸桿水解液和木聚糖酶50 μ I/IOOml稻桿水解液。所述的菌種為丙酮丁醇梭菌(CLostridiumacetobutylicum CICC8012),保存于中國典型培養(yǎng)物保藏中心(CCTCC)，保藏號(hào)為CCTCCM2010148 ;保藏日期2010年6月17日；保藏單位地址中國武漢武漢大學(xué)，郵編430072。所述的維生素混合液包括肌醇、維生素BI、維生素B6、煙酸、生物素，其在混合液中的終濃度為(mg/L):肌醇200，維生素B180，維生素B6 80，煙酸80，生物素I。蒸餾水配制后過濾除囷，4 C保存?zhèn)溆?。其中，步驟e中發(fā)酵液中的ABE含量可以用氣相色譜法測(cè)定。發(fā)酵結(jié)束后氣相色譜測(cè)定發(fā)酵醪液中溶劑濃度，其中乙醇含量O. 89g/L，丙酮含量3. 94g/L，丁醇含量 7. 18g/L，總?cè)軇┖?12. 01g/L。本發(fā)明的有益效果I.本發(fā)明利用秸桿進(jìn)行微生物ABE轉(zhuǎn)化，在生產(chǎn)ABE的同時(shí)，解決秸桿不能被合理利用對(duì)環(huán)境造成的壓力。
2.秸桿預(yù)處理后直接發(fā)酵，發(fā)酵過程中添加Na2S繼續(xù)靜止發(fā)酵，避開了復(fù)雜的脫毒工藝，降低了生產(chǎn)成本。
具體實(shí)施例方式以下以具體實(shí)施例來說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但并非是對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，依然可以對(duì)發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。對(duì)照例I新鮮玉米秸桿曬干后粉碎過40目篩，取20g秸桿干粉放入500ml三角瓶，加入200ml0. 5%稀硫酸，121°C處理60min后，Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH為4. 8，添加100 μ I纖維素酶和100 μ I木聚糖酶，混勻后55°C處理48h。3000r/min離心5min，除去固體物質(zhì)，上清即為
水解液。取上清液 50ml，加入 CH3COO(NH4)O. lg、KH2PO4O. 03g、MgSO4O. 01g、0. 075g 豆粉，用Ca (OH) 2調(diào)pH為7. 0，轉(zhuǎn)入IOOml厭氧瓶中，充N2除O2后115°C滅菌20min作為發(fā)酵培養(yǎng)基備用。發(fā)酵培養(yǎng)基接入5ml種子液，同時(shí)加入O. 5ml維生素混合液，37°C靜止培養(yǎng)72h，氣相色譜測(cè)定發(fā)酵液中乙醇含量O. 78g/L,丙酮含量I. 72g/L, 丁醇含量3. 92g/L,總?cè)軇┖?. 42g/L。其中，通過采用常規(guī)工藝蒸餾發(fā)酵醪液制得丙酮、乙醇和丁醇，以下對(duì)照例和實(shí)施例也可照此常規(guī)工藝蒸餾發(fā)酵醪液制得丙酮、乙醇和丁醇。其中微生物種子液的制備是按發(fā)明內(nèi)容部分所述的方法，即將混合均勻的4一6% (質(zhì)量比)玉米粉蒸煮30min，補(bǔ)足蒸發(fā)水分后，充N2去除02，115°C滅菌20min，即配制成種子培養(yǎng)基；加入5 —10% (體積比)菌種孢子液，沸水浴熱擊40— 60s，37°C靜止培養(yǎng)18—24h即為微生物種子液。下面的對(duì)照例和實(shí)施例中的微生物種子液的制備均按上述方法操作。對(duì)照例2新鮮小麥秸桿處理及發(fā)酵培養(yǎng)基配制同對(duì)照例I。發(fā)酵培養(yǎng)基接入5ml微生物種子液，同時(shí)加入O. 5ml維生素混合液，37°C靜止培養(yǎng)72h，氣相色譜測(cè)定發(fā)酵液中乙醇含量O. 44g/L,丙酮含量I. 45g/L, 丁醇含量4. 22g/L,總?cè)軇┖?. I lg/L。對(duì)照例3新鮮水稻秸桿處理及發(fā)酵培養(yǎng)基配制同對(duì)照例I。發(fā)酵培養(yǎng)基接入5ml微生物種子液，同時(shí)加入O. 5ml維生素混合液，37°C靜止培養(yǎng)72h,發(fā)酵液中乙醇含量I. 47g/L，丙酮含量2. 08g/L, 丁醇含量3. 14g/L，總?cè)軇┖?. 69g/L0對(duì)照例4河南省南陽市天冠集團(tuán)有限公司提供玉米秸桿氣爆水解液，檢測(cè)水解液?jiǎn)翁菫槠咸烟?，含量?. 49%。3000r/min離心5min，除去固體物質(zhì)，取上清液稀釋糖濃度為5. 5%，取稀釋液 50ml，加入0130)0(順4)0· Ig^KH2PO4O. 03g,MgSO4O. 01g、0. 075g 豆粉，用 Ca (OH) 2 調(diào)pH為7.0，轉(zhuǎn)入IOOml厭氧瓶中，充N2除02后115°C滅菌20min作為發(fā)酵培養(yǎng)基備用。發(fā)酵培養(yǎng)基接入5ml微生物種子液，同時(shí)加入O. 5ml維生素混合液，37°C靜止培養(yǎng)72h,氣相色譜測(cè)定發(fā)酵液中乙醇含量I. 27g/L，丙酮含量2. 69g/L，丁醇含量7. 55g/L，總?cè)軇┖?1.31g/L。實(shí)施例I新鮮玉米秸桿處理及 發(fā)酵培養(yǎng)基配制同對(duì)照例I。發(fā)酵培養(yǎng)基接入5ml微生物種子液，同時(shí)加入O. 5ml維生素混合液，37°C靜止培養(yǎng)24h,添加O. Olg Na2S后繼續(xù)靜止發(fā)酵48h，氣相色譜測(cè)定發(fā)酵液中乙醇含量I. 02g/L,丙酮含量4. 13g/L，丁醇含量6. 83g/L，總?cè)軇┖?1. 98g/L。實(shí)施例2新鮮小麥秸桿處理及發(fā)酵培養(yǎng)基配制同對(duì)照例I。發(fā)酵培養(yǎng)基接入5ml微生物種子液，同時(shí)加入O. 5ml維生素混合液，37°C靜止培養(yǎng)24h,添加O. 02g Na2S后繼續(xù)靜止發(fā)酵48h，氣相色譜測(cè)定發(fā)酵液中乙醇含量O. 89g/L,丙酮含量3. 94g/L，丁醇含量7. 18g/L，總?cè)軇┖?2. 01g/L。實(shí)施例3新鮮水稻秸桿處理及發(fā)酵培養(yǎng)基配制同對(duì)照例I。發(fā)酵培養(yǎng)基接入5ml微生物種子液，同時(shí)加入O. 5ml維生素混合液，37°C靜止培養(yǎng)24h，添加O. 03g Na2S后繼續(xù)靜止發(fā)酵48h，氣相色譜測(cè)定發(fā)酵液中乙醇含量O. 79g/L，丙酮含量3. llg/L，丁醇含量6. 22g/L，總?cè)軇┖?0. 12g/L。實(shí)施例4玉米秸桿氣爆水解液處理及發(fā)酵培養(yǎng)基配制同對(duì)照例4。發(fā)酵培養(yǎng)基接入5ml微生物種子液，同時(shí)加入O. 5ml維生素混合液，37°C靜止培養(yǎng)24h,添加O. 02g Na2S后繼續(xù)靜止發(fā)酵48h，氣相色譜測(cè)定發(fā)酵液中乙醇含量I. 44g/L,丙酮含量4. 42g/L，丁醇含量10. 82g/L，總?cè)軇┖?6. 68g/L。結(jié)果顯示，本發(fā)明所述的以秸桿為原料生產(chǎn)ABE的方法工藝簡(jiǎn)單，避免了常用的脫毒工藝,添加Na2S,發(fā)酵終止時(shí)，發(fā)酵液中乙醇含量達(dá)O. 89g/L,丙酮含量達(dá)3. 94g/L, 丁醇含量達(dá)7. 18g/L，總?cè)軇┖窟_(dá)12. 01g/L。
權(quán)利要求
1.一種以秸桿為原料發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、乙醇、丁醇的方法，其特征在于包含以下步驟 a :秸桿的預(yù)處理將新鮮秸桿曬干后粉碎過篩； b :秸桿的酶水解將步驟a得到的秸桿干粉與O. 5% (體積比)硫酸混勻，121°C處理60min后，Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH為4. 8，添加預(yù)處理酶，混勻后55°C處理36— 54h ；3000r/min離心5min，除去固體物質(zhì)，上清即為秸桿酶水解液； c :發(fā)酵培養(yǎng)基的配制向每升步驟b中得到的秸桿酶水解液中加入2gCH3C00(NH4)、O.6g KH2PO4,0. 4g K2HPO4^MgSO4O. 2g、I. 5g 豆粉，用 Ca (OH) 2 調(diào) pH 為 7. 0 ;加入到厭氧瓶中，向厭氧瓶中充N2去除O2,115°C滅菌20min備用； d:丙酮、乙醇、丁醇發(fā)酵微生物種子液的制備將混合均勻的4一6% (質(zhì)量比)玉米粉蒸煮30min,補(bǔ)足蒸發(fā)水分后,充N2去除O2,115°C滅菌20min,即配制成種子培養(yǎng)基；加入5—10% (體積比)菌種孢子液，沸水浴熱擊40— 60s，37°C靜止培養(yǎng)18 — 24h即為微生物種子液； e :丙酮、乙醇、丁醇發(fā)酵將步驟c中得到的發(fā)酵培養(yǎng)基在無菌條件下接入步驟d所述的10% (體積比)的微生物種子液和I % (體積比)混合維生素液，37°C靜止發(fā)酵18—24h時(shí)，單獨(dú)添加Na2S, 37 °C靜止發(fā)酵48— 54h ； f :溶劑蒸餾采用常規(guī)工藝蒸餾發(fā)酵醪液制得丙酮、乙醇和丁醇。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，步驟a中是將新鮮秸桿曬干后粉碎過40目篩。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征在單添加Na2S量為O.I — lg/L。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，秸桿為小麥秸桿、水稻秸桿、玉米秸桿中的任意一種或幾種的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征在于秸桿干粉與O.5% (體積比)硫酸按I :6—I :12(質(zhì)量比)混勻。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征在于步驟b中加入的預(yù)處理酶是纖維素酶和木聚糖酶的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或6所述方法，其特征在于加入的預(yù)處理酶量為纖維素酶50 μ l/100ml秸桿水解液、木聚糖酶50 μ l/100ml秸桿水解液。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，所述的菌種為丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)CICC 8012，保藏號(hào)為 CCTCC M2010148。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征在于混合維生素液成分為mg/L:肌醇200mg/L，維生素 BI 80mg/L，維生素 B6 80mg/L，煙酸 80mg/L，生物素 lmg/L。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以秸稈為原料發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、乙醇、丁醇的方法，其特征在于向所述秸稈類原料中添加Na2S。該工藝包括秸稈的預(yù)處理，秸稈的酶水解，發(fā)酵培養(yǎng)基的配制，丙酮、乙醇、丁醇發(fā)酵微生物種子液的制備，發(fā)酵等步驟。通過利用秸稈來生產(chǎn)丙酮、乙醇、丁醇，通過單添加Na2S促進(jìn)發(fā)酵，提高了溶劑產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。
文檔編號(hào)C12P7/16GK102876735SQ20121026001
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者趙海, 靳艷玲, 方揚(yáng), 郜曉峰 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院成都生物研究所