专利名称：：一种生产生物丁醇的方法
技术领域：
：本发明涉及发酵
技术领域：
，具体地涉及一种生产生物丁醇的方法。技术背景丙酮、丁醇、乙醇统称为丙丁总溶剂，是医药、农药、塑料、油漆、国防及轻工业的重要的化工材料单体。丁醇广泛用于各种塑料和橡胶制品的生产。此外，丁醇作为替代汽油的生物燃料也得到国际上很大的重视。与乙醇相比，丁醇能与汽油以更高的比例混和，更适合在现有的燃料供应和分销系统中使用。在制药工业中，特别是在青霉素等抗生素的提炼过程中必须大量使用丁醇而得到丁酯类溶剂。丁醇可由石油化工合成技术取得，但在只要工业中优先采用由生物发酵生产的丁醇。与石油燃料相比，生物丁醇的经济性更高，能提高车辆的燃油效率和行驶里程；而且生物丁醇产生是以可再生资源为原料，具有显著的环境效益。丙酮在工业上主要作为溶剂用于炸药、塑料、橡胶、纤维、制革、油脂、喷漆等行业中，也可作为合成烯酮、醋酐、碘仿、聚异戊二烯橡胶、甲基丙烯酸、甲酯、氯仿、环氧树脂等物质的重要原料。丙酮、丁醇的生产方法有生物法和化学法。我国最早是利用丙丁菌对玉米进行发酵生产，二十世纪九十年代中期，由于石油价格低廉，以石油为原料生产丙丁总溶剂的工艺逐渐取代了生物发酵法。化学法生产丁醇的原材料为石化下游产品丙烯，而丙烯主要来自于石油炼化产品。预计到2010年，中国对丙烯的当量需求将达到1905万吨，供需缺口将达到825万吨；对于丁醇供需矛盾则更为十分突出，进口量占消费量的50%以上2005年中国丁醇产量24万吨，进口29万吨。进入二十一世纪，随着世界经济的发展，对石油的需求迅速扩大，石油作为战略物资和不可再生的能源，其价格不断上涨，带动丙酮、丁醇的价格上升，使生物发酵法生产丙丁总溶剂重新具有了市场竞争优势，其经济效益可观，发展前景良好。世界上许多化学公司已经开始进行重大的战略转向，用生物资源代替石油资源，用生物技术路线取代化学技术路线进行生物燃料及化学品的生产。而传统发酵法生产丙酮、丁醇其技术水平相对落后，发酵液中溶剂含量18-20g/L;丁醇在溶剂中的比例低，'约为60%。这使得发酵法生产丁醇的成本高于化学法的成本，然而现代生物技术的发展使降低发酵法生产丁醇的成本成为可能。近年来，国内对丙酮丁醇发酵的研究很多，主要围绕着菌种诱变、发酵工艺条件优化、溶剂提取等方面进行研究。1995年颜叙秀报道利用紫外诱变丙酮丁醇梭菌提高代谢产物；1999年马光庭等进行了对糖蜜发酵生产丙酮丁醇菌种筛选及对小试发酵条件的选择进行了研究；1996焦瑞身等对高丁醇比丙酮丁醇梭菌进行选育，他们通过化学试剂诱变，实现总溶剂在20g/L左右，丁醇产量为总溶剂的70%;2001年，县永平对丙酮丁醇梭菌固定化技术进行了研究；1998年，陈守文等研究了稻草酶法水解液的丙酮丁醇发酵，研究将纤维资源用于丙酮丁醇发酵。国外对丙酮丁醇发酵的研究主要包括通过传统诱变和利用基因工程的手段提高菌株的代谢性能；采用新型的提取工艺解除底物对菌体的毒害作用。比较有代表性的是美国Illinois大学所做的工作。他们用膜渗透汽化与发酵耦联进行ABE发酵的研究、利用gas-stripping和发酵耦联工艺进行ABE发酵的研究。2005年，美国专利US2005/0089979A1报道了利用gas-stripping和连续发酵耦联来生'产丙酮丁醇，这些实验一般在1L罐的水平上，而且采用的原料多为葡萄糖，并且丁醇比停留在60-70%之间。
发明内容本发明所要解决的技术问题在于开发一条全新的利用农副产品或其下脚料为原料生物法生产丙酮、丁醇的工艺。以农副产品下脚料來做生物丁醇，避免了与人争粮，与地争粮，同时提高了农副产品下脚料的附加值。本发明所要解决的技术问题可以通过以下方案來实现本发明根据丙酮、丁醇生产菌的特点，以农副产品或其下脚料，如红薯渣，马铃薯渣、甘蔗渣、木薯渣为原料生物法生产丙酮丁醇的新工艺。该工艺包括如下工艺单元原料的预处理工艺，主要是薯渣的生物催化剂预处理；发酵工艺优化，主要是培养基碳氮比的优化；发酵液废醪的回用发酵。本发明公开了一种生产生物丁醇的方法，包括原料的预处理和发酵步骤，其特征在于所述原料的预处理歩骤为对农副产品或其下脚料原料进行酶催化预处理，其中所述酶为淀粉酶和/或纤维素酶。在实施方式里，所述农副产品或其下脚料为马铃薯、木薯、红薯、高粱、红薯渣，马铃薯渣、甘蔗渣、或木薯渣中之一或它们的任何组合，其中优选为红薯渣。在实施方式里，所述酶催化预处理歩骤的具体过程为将己捣碎的农副产品或其下脚料加水稀释，加入高温a淀粉酶，酶的量为l-30IU/g淀粉，搅拌、调匀，升温到70-105'C，反应10-50min，然后向液体加入1%-2%(W/V)的纤维素酶，50°C，酶解24-30h，再水稀释调整总糖含量为4-10%，得到发酵培养基。在一些实施方式里，在所述酶催化预处理歩骤与发酵步骤之间增加碳氮比优化步骤，所述碳氮比优化歩骤为按照碳氮比为20-200:1，添加氮源于上述发酵培养基中，然后加水，使培养基的总糖含量在3.5-10%，调节pH4.0-7.0，在121-123。C下，高温蒸汽灭菌20-30min灭囷。在实施方式里，所述氮源为有机氮源或无机氮源，包括但不限于硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、玉米浆、玉米浆粉、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、或酵母粉等中之一或它们的任何组合。在实施方式里，所述发酵是指将成熟的丙酮丁醇菌种子液接到上述灭过菌的发酵培养基中，接种量为发酵培养基量的5-30%,培养温度38-4(TC，厌氧培养70-100hr，蒸馏获得含有丙酮和丁醇的溶剂和发酵废醪。本发明所述的丙酮丁醇菌种子液优选为丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum或Clostridiumsaccharobutylacetonicum)禾中子液。本发明发酵的方式可以为批式、连续、半连续、流加-批式、或补加-批式。在一些实施方式里，还可将所述发酵废醪的回收利用为直接将发酵废醪和水按重量比1:0.2-1比例混合用于发酵培养基的调配。或者将该废醪通过膜过滤，将膜清液用于发酵培养基的配制。这样最大限度利用了原料，减少了废醪的排放量，减少了污水的处理量，节约成本，实现了循环生产。本发明所述膜包括超滤膜或微滤膜，膜材料为有机膜或无机膜。该发酵废醪膜过滤时的操作温度为40-110°C，操作压力0.1-0.4MPa。本发明开发出了一条全新的利用农副产品或其下脚料为原料生物法生产丙酮、丁醇的工艺，避免了与人争粮，与地争粮，同时提高了农副产品下脚料的附加值。本发明的方法所得溶剂产量10-15g/L,丁醇比70-78%。具体实施方式以下结合具体实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。比例和百分比基于重量，除非特别说明。实施例l不同薯渣的预处理结果取红薯渣，马铃薯渣、甘蔗渣、木薯渣各100g分别加一定量的500ml水和高温a淀粉酶，搅拌、调匀，升温到70-105。C，高温a淀粉酶酶活单位在20000-40000IU/ml，加入酶的量为10-201U/g薯渣，反应5-50min，然后加入1%-2%的纤维素酶，50°C，酶解24h，定容至1L，测定溶液中的总糖含量，结果见表l.表1.<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>实施例2IOL发酵罐发酵取1支丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)CCTCCNO:207199的甘油管菌种，接种于装有25mL培养基(土豆30%，蔗糖5%，磷酸二氢钾1.0%，pH自然)的试管中，IO(TC，热激1.5-2min，3840°C，恒温培养箱中培养2448小时，得到一级种子液。将25ml—级种子液接种于10L发酵罐中进行发酵，发酵罐装液量6L，发酵培养基碳源为经过实施例1处理的各种下脚料，总糖含量组成见下表，同时添加一定浓度的玉米浆和硫酸铵，控制碳氮比在20-200:l，然后在121423。C下，高温蒸汽灭菌20-30min，冷却至38-40°C下，接种发酵。发酵温度38-4(TC，发酵周期90小时，溶剂产量5-16g/L，丁醇比70-78%，糖到溶剂转化率33-40%。结果见表2:表2.<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>实施例35000L发酵罐发酵按照实施例2的所述的种子制备方法，得到培养成熟的种子液6L。将培养成熟的6L培养基接种于500L种子罐中，500L种子罐培养基组成为总糖含量为5-8%的红薯渣，同时添加合适的氮源，控制碳氮比在20-200:1，种子罐装液量300L，pH值5.0-6.5，38-40。C下，培养20-30h,得到三级种下液。将300L种子液接种丁-5000L发酵罐中进行发酵，发酵罐装液量3000L，发酵培养基组成总糖含量为5-8%的红薯渣，pH自然。红薯渣的预处理方式同前，加入高温淀粉酶的量为10-20IU/g薯渣，加入1%-2%的纤维素酶,混合的物料在121-123。C下，高温蒸汽灭菌20-30min，冷却至38-40。C下，接种发酵。发酵结果如下表3c表3.<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>'义施例4废醪回用发酵试验将实施例3中的发酵结束得到的1000L-3000L发酵液经过蒸馏去除溶剂，使发酵液中残余的溶剂在0—0.5%左右，然后定容至3000L，此时该醪液的COD在20000-30000mg/L，从其中取2700L并添加红薯渣处理液，红薯渣处理方式同前，即加入高温a淀粉酶，纤维素酶，控制培养基总糖含量6.0%，添加1.0%的酵母膏，混合的物料在121-123。C下，高温蒸汽灭菌20-30min，冷却至30-40'C下，将实施例3所述的3001三级种子液接种发酵。温度38-40'C培养，发酵结果如下表4。表4.<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>实施例5废醪回用发酵试验将实施例3中的发酵结束得到的1000L-3000L发酵液经过蒸馏去除溶剂，使发酵液中残余的溶剂在0—0.5%左右，通过膜过滤装置过滤该蒸煮过的发酵废醪，膜的操作温度50-100°C，操作压力0.1-0.4Mpa，得到膜清液定容的COD在12000-16000mg/L，从其中取不同量的清液并入红薯渣处理液，红薯渣处理方式同前，即加入高温a淀粉酶，纤维素酶，控制培养基总糖含量6.0%，添加的氮源为1.0%的玉米浆，混合的物料在121-12VC下，高温蒸汽灭菌20-30min，冷却至30-40。C下，将实施例3所述的3001三级种子液接种发酵。温度38-4(TC培养，发酵结果如表5。表5.<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>以下结合具体实施例对本发明作进一歩描述。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定'权利要求1、一种生产生物丁醇的方法，包括原料的预处理和发酵步骤，其特征在于所述原料的预处理步骤为对农副产品或其下脚料的原料进行酶催化预处理。2、根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述酶为淀粉酶和/或纤维素酶。3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述农副产品或其下脚料为马铃薯、木薯、红薯、高粱、红薯渣，马铃薯渣、甘蔗渣、或木薯渣中之一或它们的任何组合。4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述农副产品的下脚料为红薯渣。5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述酶催化预处理歩骤的具体过程为将巳捣碎的农副产品或其下脚料加水稀释，加入高温a淀粉酶，酶量为l-30IU/g淀粉，搅拌、调匀，升温到70-105°C，反应10-50min，然后向液体加入1%-2%(W/V)的纤维素酶，50°C，酶解24-30h，再水稀释调整总糖含量为4-10%，得到发酵培养基。6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述酶催化预处理歩骤与发酵歩骤之间增加碳氮比优化歩骤，所述碳氮比优化步骤为按照碳氮比为20-200:1，添加氮源于上述发酵培养基中，然后加水，使培养基的总糖含量在3.5-10%，调节pH4.0-7.0，灭菌。7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述氮源为有机氮源或无机氮源。8、根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述氮源选自硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、玉米浆、玉米浆粉、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、或酵母粉等中之一或它们的任何组合。9、根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述发酵是指将成熟的丙酮丁醇菌种子液接到已灭菌的发酵培养基中，接种量为发酵培养基量的5-30%，培养温度38-4(TC，厌氧培养70-100hr，然后蒸馏获得含有丙酮和丁醇的溶剂和发酵废醪。10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述的丙酮丁醇菌种子液优选为丙酮丁醇梭菌种子液。11、根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述发酵的方式可以为批式、连续、半连续、流加-批式、或补加-批式。12、根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述发酵废醪进行回收利用直接将发酵废醪和水按重量比1:0.2-1比例混合用于发酵培养基的调配或者将该废醪通过膜过滤，将膜清液用于发酵培养基的配制。13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述膜包括超滤膜或微滤膜，膜材料为有机膜或无机膜。14、根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述发酵废醪膜过滤时，操作温度为40-110°C，操作压力0.1-0.4MPa。全文摘要本发明涉及发酵
技术领域：
，具体地涉及一种生产生物丁醇的方法。本发明公开了一种生产生物丁醇的方法，包括原料的预处理和发酵步骤，其特征在于所述原料的预处理步骤为对农副产品或其下脚料的原料进行酶催化预处理。本发明开发出了一条全新的利用农副产品的下脚料为原料生物法生产丙酮、丁醇的工艺，避免了与人争粮，与地争粮，同时提高了农副产品或其下脚料的附加值。本发明的方法所得溶剂产量10-15g/L，丁醇比70-78％。文档编号C12R1/145GK101333545SQ20081004140公开日2008年12月31日申请日期2008年8月5日优先权日2008年8月5日发明者李乃强,石孔泉,邱勇隽申请人:上海凯赛生物技术研发中心有限公司;上海凯赛生物科技有限公司;凯赛生物产业有限公司