专利名称：：一种木薯发酵制备丙酮、丁醇、乙醇的方法
技术领域：
：本发明属发酵
技术领域：
，具体涉及以木薯粉为原料的木薯粉培养基以及利用该培养基发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的方法。
背景技术：
：丙酮、丁醇和乙醇都是重要的有机溶剂和化工原料，广泛应用于喷漆、炸药、塑料、制药、植物抽提取及有机玻璃、合成橡胶等工业。丙酮可作为制造醋酸纤维素胶片薄膜、塑料和涂料的溶剂，又可用于生产甲基內烯酸甲酯(MMA)、双粉A、醇醛縮合物等化工产品。丁醇是新一代的生物燃料，与现有的生物燃料相比，丁醇与汽油的混合比更高，无需对车辆进行改造，同时具有显著的环境效益，能降低温室气体的排放，因此，丁醇在未来的运输燃料结构中将会占有重要的比重。乙醇是良好的有机溶剂和消毒剂，其杀菌作用较快，消毒效果可靠，对人刺激性小，无毒，对物品无损害，多用于皮肤消毒以及医疗器械临床的消毒。通常，丙酮、丁醇、乙醇(Acetone-butanol-ethanol，ABE)的生产是利用微生物发酵，然后通过蒸馏分别回收发酵产物，这种发酵称为ABE发酵。用于ABE发酵的菌种主要是梭菌，发酵所用原料为粮食类淀粉质原料，如纯玉米粉、纯小麦粉等，它们营养较为丰富，发酵过程中不需添加任何外源物质，但是玉米、小麦等原料价格较高，用来发酵生产ABE溶剂不仅制约了产品的市场竞争力，也违背我国的粮食安全战略。由于在ABE发酵生产的总成本中，原料成本占有重要比重(约60%)，是影响ABE溶剂生产的关键因素，因此，大力发掘其它廉价替代原料来进行ABE生产，对于提高ABE发酵产业的竞争力、实现资源的可持续利用具有重要意义。木薯(Cawm;a)是一种多年生亚灌木，又叫做树薯、木番薯，地下部结薯，为世界三大薯类(马铃薯、甘薯、木薯)之一，是我国重要的非粮食类经济作物。木薯块根干物质含量3040%，鲜薯含淀粉3235%，蛋白质12%，脂肪0.34.3%，纤维素12%，灰分1%。木薯淀粉含量高，适应性强，耐水、耐旱，在任何土质中都能生长，是一种不与粮食争地的有发展前途的发酵原料。现有的木薯粉培养基用于发酵生产ABE溶剂时，得率远低于玉米粉培养基，这是因为木薯的蛋白质、脂肪等营养物质的含量比较少，不利于微生物的生长，因此不能直接用于ABE溶剂的发酵生产，必须要添加营养物质，但这势必要增加原料成本，难以适应工业生产的需要，所以寻找木薯发酵中的关键因子从而使培养基得到优化是生产ABE溶剂的必要条件。
发明内容本发明目的在于，对现有用于发酵生产丙酮、丁醇、乙醇(Acetone-butanol-ethanol，ABE)的木薯粉培养基进行优化，使其适合用于发酵生产ABE溶剂。本发明的另一个目的就是在上述优化培养基的基础上，提供一种以木薯粉为原料发酵生产ABE溶剂的方法。本发明的优化培养基是在木薯粉培养基中加入乙酸铵。根据本发明，所述培养基中乙酸铵的添加量为0.05—0.40%,优选的为0.15%。根据本发明，所述培养基中木薯粉的含量为8—10%。根据本发明，所述培养基中木薯粉优选采用粒径小于100目的木薯粉。本发明的以木薯粉为原料发酵生产ABE溶剂的方法包括以下步骤(a)以木薯粉为原料配制培养基，并加入乙酸铵，然后煮沸糊化；(b)培养基经灭菌后接入ABE生产菌株，于35—4(TC的条件下培养48—50小时。根据本发明所述的方法，所述乙酸铵的添加量为0.05_0.40%，优选的为0.15%。根据本发明所述的方法，所述木薯粉的含量为8—10%。根据本发明所述的方法，所述木薯粉采用粒径小于100目的木薯粉。根据本发明所述的方法，所述ABE生产菌株为丙酮丁醇梭菌(C/oWnWw肌ac"o&M一函)EA2018(CCTCCM94061)。经测定，采用本发明所述的方法，在以木薯粉为原料的培养基中添加适量乙酸铵，所得发酵生成的丙酮、丁醇、乙醇总溶剂浓度可由原来的9g/L左右提高至18g/L左右，得率提高约一倍，达到玉米发酵生成溶剂的水平；跟纯玉米粉发酵相比，本发明所述的培养基大大降低了原料成本，且不需对原生产工艺进行任何改变，更易于被大规模工业化生产所采用。具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。根据本发明，所述ABE是指丙酮、丁醇、乙醇(Acetone-butanol-ethanol)的简称。以下实施例中所涉及的百分比浓度，除特别注明外，均为重量百分比浓度(W/W)。实施例1、添加乙酸铵对木薯粉发酵生成ABE溶剂的影响配制200ml木薯粉(中国热带农业科学院提供的华南系列木薯)发酵培养基，培养基组成木薯粉8_10%(木薯粉粒径小于100目)，乙酸铵0.15%。将配制好的木薯粉发酵培养基煮沸糊化0.5h，转入500ml摇瓶中，高压灭菌。待培养基降温至40'C以下，接入经活化24h的丙酮丁醇梭菌(aoW〃Www.ace"6wW'cww)EA2018(CCTCCM94061)菌液，接种量5%，35—4(TC发酵培养。同时以未添加乙酸铵的木薯粉发酵培养基作为对照，在同样条件下进行发酵培养。每隔一段时间对发酵液取样，样品在5000rpm转速下离心10min，收集上清液。对上清液中的ABE溶剂组分进行气相色谱(GC)分析，色谱仪的操作条件如下分离柱AlltechECTM-WAX(3.0mx0.32mmx0.25pm)柱温85°C载气氮气流速5ml/min压力0.07MPa进样量0.5pi检测器氢火焰检测器两组样品经气相色谱(GC)分析，其中丙酮、乙醇、丁醇和总溶剂的测定结果如表l所示。表1添加乙酸铵对木薯粉发酵生成ABE溶剂的影响<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表l结果可知，未添加乙酸铵时，丙酮丁醇梭菌梭菌(C7o欲W/ww.aceto^(y//cww)EA2018发酵木薯粉生成ABE溶剂的速率和产量均较低，发酵50h时的总溶剂浓度为9.8g/l;木薯粉培养基中添加0.15%的乙酸铵后，发酵50h时的总溶剂浓度达到最高为18.1g/l，比未添加乙酸铵时提高约一倍，与现有的以玉米粉为原料发酵生产ABE的得率相当，说明添加乙酸铵对木薯粉发酵生成ABE溶剂有明显的促进作用，可以取代现有的以玉米粉、小麦粉等原料发酵生产ABE的方法，从而大幅降低ABE的生产成本。实施例2、乙酸铵添加量对木薯粉发酵生成ABE溶剂的影响为进一步研究乙酸铵添加量对木薯粉发酵生成ABE溶剂的影响，按实施例1所述的方法配制木薯粉培养基，向其中添加不同重量比的乙酸铵，发酵条件和产物测定同实施例1，实验结果表明发酵时间为50h时溶剂浓度达到最高点，此时丙酮、乙醇、丁醇和总溶剂的测定结果如表2所示。表2乙酸铵添加量对木薯粉发酵生成ABE溶剂的影响乙酸铵添加量(％)指标-0.050.100.150.200.40发酵时间(h)a5050505050丙酮(g/1)3.03.84.14.34.1乙醇(g/1)1.71.51.51.11.0丁醇(g/1)10.111.312.511,410.8总溶剂(g/1)14.816.618.116.815.9a发酵时间指产物溶剂浓度达到最高点所需的时间。由表2结果可知，在乙酸铵添加量为0.050.40%的范围内，木薯粉发酵生成ABE总溶剂的浓度呈现先增长后有所下降的趋势，但在此范围内生成溶剂的浓度均比未添加乙酸铵时生成溶剂的浓度显著提高。综合表2数据，可以看出木薯粉发酵生产ABE溶剂，乙酸铵添加量为0.15%时达到最高，此时，总溶剂浓度可达到18.1g/l，比未添加乙酸铵时提高约一倍。实施例3木薯粉优化培养基和玉米培养基发酵生产ABE溶剂的成本比较采用纯玉米粉为原料发酵生产ABE溶剂，发酵条件和产物测定同实施例1，将发酵生产ABE溶剂产量与以木薯粉(添加乙酸铵)为原料发酵生产ABE溶剂产量作比较，结果如表3所示。表3、木薯粉优化培养基和玉米粉培养基发酵生产ABE溶剂的产量比较<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>发酵时间指产物溶剂浓度达到最高点所需的时间。由表3结果可知，在木薯粉培养基中添加乙酸铵后，发酵生成ABE总溶剂的浓度与采用以纯玉米粉培养基发酵所得溶剂的浓度基本持平，均在18g/I左右，其中三种主要成分丙酮、乙醇和丁醇的比例也接近。因此，木薯粉和玉米粉发酵生产ABE溶剂的差别主要在于培养基原料的成本，比较两种培养基原料的价格，结果如表4所示。表4、每吨溶剂所需木薯和玉米培养基的成本比较<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表4结果可知，采用木薯粉为发酵原料，在添加乙酸铵的情况下，成本要比目前的以纯玉米粉为发酵原料约低600元/吨溶剂，大大降低了原料成本。总之，本发明只需在木薯粉培养基中添加重量比为0.05—0.40%的乙酸铵，即可将发酵产物的溶剂浓度提高一倍，达到以纯玉米粉为原料的发酵水平。采用这种方法，在保持产物溶剂总量和产物比例的情况下，不仅大大降低了原料成本，而且不需对原生产工艺进行任何改变，更加适于发酵法生产丙酮、乙醇、丁醇的工业化应用。权利要求1、一种木薯粉培养基，用于发酵生产丙酮、丁醇、乙醇，其特征在于，木薯粉培养基中添加了乙酸铵。2、如权利要求1所述的培养基，其特征在于，所述乙酸铵的含量为0.05—0.40%。3、如权利要求2所述的培养基，其特征在于，所述乙酸铵的含量为0.15%。4、如权利要求1所述的培养基，其特征在于，所述木薯粉的含量为8—10%。5、如权利要求1所述的培养基，其特征在于，所述木薯粉粉粒径小于100目。6、一种发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，该方法主要步骤包括(a)以木薯粉为原料配制培养基，并加入乙酸铵，然后煮沸糊化；(b)培养基经灭菌后接入ABE生产菌株，于35—4(TC的条件下培养48—50小时。7、如权利要求6所述发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，所述乙酸铵的含量为0.05—0.40%。8、如权利要求7所述发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，所述乙酸铵的含量为0.15%。9、如权利要求6所述发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，所述木薯粉的含量为8—10%。10、如权利要求6所述发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，所述木薯粉粉粒径小于100目。11、如权利要求6所述发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，所述ABE生产菌株为丙酮丁醇梭菌(C7o^rWw/w.v4cetoZm(y/z'cw附)EA2018。全文摘要本发明公开了一种木薯粉培养基以及发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的方法。本发明所述培养基在木薯粉中添加乙酸铵。采用本发明所述培养基及其发酵方法，可将产物的总溶剂浓度提高一倍以上，达到以纯玉米粉为原料的发酵水平，在保持产物溶剂总量和比例的情况下，不仅大大降低了原料成本，且不需对原生产工艺进行任何改变，更加适于发酵法生产丙酮、乙醇、丁醇的工业化应用。文档编号C12P7/28GK101311272SQ20071004121公开日2008年11月26日申请日期2007年5月24日优先权日2007年5月24日发明者姜卫红,晟杨,杨蕴刘,胡世元,邵丽君,军陈,阳顾申请人:中国科学院上海生命科学研究院