一种乙醇和丁二酸的联合发酵方法

专利名称：一种乙醇和丁二酸的联合发酵方法
技术领域：
本发明涉及一种乙醇和丁二酸的生产方法，具体地说，涉及一种 利用生产乙醇和丁二酸的联合发酵方法。
背景技术：
丁二酸又称为琥珀酸，是一种二元有机酸，它是一种重要的Q 平台化合物，可作为合成复杂有机化合物的中间体，广泛应用于制药、 食品加工、合成塑料、橡胶、防护涂料、染料和其它工业中。目前， 已有超过250种以苯为原料的化工产品可以通过丁二酸转化获得，因 此丁二酸的市场需求量不断增加。
生产丁二酸的方法主要有两种化学合成法和微生物发酵法。传 统的化学合成法因使用化石原料、环境污染等原因使丁二酸的生产规 模和应用受到较大限制。微生物发酵法生产丁二酸由于效率高、污染 小等众多优点，正在被广泛深入地研究。根据化学计量式可知，每生 产lmol丁二酸需要固定lmol二氧化碳，即每生产l口屯丁二酸至少需要 消耗037吨二氧化碳。目前丁二酸发酵过程中二氧化碳的补给主要有 两种方法 一是直接通入二氧化碳，二是利用碳酸盐(如碳酸钠、碳 酸钙或碳酸镁等)。两种方法都需要增加额外的生产成本。
乙醇俗称酒精，不仅是一种非常重要的有机化工原料和溶剂，而 且因其可再生和对环境无,污染，被认为是可替代石油类不可再生资源 的最有发展前景的液体燃料，我国燃料乙醇的巿场规模正急剧扩大。 在发酵生产乙醇的过程中，会产生大量的废气，废气中95%以上为温 室气体C02，其对大气环境造成的影响不容忽视。目前主要通过回收 C02生产液态C02、轻质碳酸钙、全降解塑料一一聚碳酸亚丙酯树脂， 但其回收利用的成本较高。

发明内容
本发明的目的是提供一种生产成本低、生产效率高、环境污染小、 辅料消耗少的乙醇和丁 二酸生产方法。
为达到上述目的，本发明提供一种乙醇和丁二酸的联合发酵方 法，其分别在乙醇发酵系统中发酵生产乙醇、在丁二酸发酵系统中发 酵生产丁二酸，并将发酵乙醇过程中产生的气体通入发酵生产丁二酸 的体系中。
所述发酵生产乙醇的微生物可为酵母菌或细菌。
所述发酵生产丁二酸的微生物可为放线杆菌，厌氧螺菌或重组大 肠杆菌等。
所述发酵生产乙醇的底物为淀粉基原料、蔗糖基原料、果糖基原 料中的一种或两种及两种以上的混合物。
所述发酵生产丁二酸的底物为淀粉基原料、蔗糖基原料、果糖基 原料中的一种或两种及两种以上的混合物。
所述发酵乙醇过程中产生的气体经洗涤、过滤除菌和冷冻压缩后 通入发酵生产丁二酸的体系中。
所述洗涤为乙醇发酵尾气经高锰酸钾洗涤收集。
所述经洗涤、过滤除菌和冷冻压缩后的气体99.9。/。以上为C02气 体，以l: (0.1~0.4)的通风比通入发酵生产丁二酸的体系中。
本发明方法将两个重要大宗化学品乙醇和丁二酸的生产体系进
行联合，将乙醇发酵过程中产生的C02尾气用于丁二酸的发酵生产过 程，既有效减少了乙醇发酵过程中C02的排放对环境的影响，降低了
乙醇发酵生产中尾气处理的成本，又为使丁二酸发酵过程中添加碳酸 盐的量大幅度降低，有效降低了丁二酸生产的辅料消耗。
与传统的独立发酵工艺相比，本发明的方法采用联合集成工艺， 具有以下特点
1)两个系统串联，简化了乙醇发酵生产中的C02废气处理方法，
降低了设备投资和生产成本；2) 乙醇发酵过程中产生的二氧化碳应用与丁二酸发酵，作为合 成丁二酸的碳源之一，提高了碳源利用率，降低了丁二酸发酵的原料
成本；
3) C02的回收利用，降低了乙醇发酵过程中温室气体的排放量， 有利于保护环境。
具体实施例方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 实施例中所述的百分含量，如果没有特别说明，均为质量百分含
实施例l建立乙醇发酵体系
乙醇发酵体系的建立，包括如下步骤
(1) 平板培养
平板培养基的组成为葡萄糖3%，酵母膏0.5%，蛋白胨0.5%，琼 脂2%。将酒精酵母菌种接种到该培养基中，33'C培养28小时。
(2) 摇瓶种子培养
摇瓶种子培养基的组成为葡萄糖3%,酵母膏0.5%,蛋白胨0.15%, 玉米浆0.5%,磷酸二氢钾0.05%,硫酸镁0.06%，自来水配制。
将平板培养的酒精酵母菌种接种到上述摇瓶种子培养基中，33 。C培养30小时，摇床转速为200rpm。
(3) 种子罐种子培养
种子罐种子培养基的组成为葡萄糖5%，酵母膏0.5%,蛋白胨 0.05%，玉米浆0.8%，辚酸二氢钾0.05%，硫酸镁0.06%,自来水配制。
将摇瓶培养的酒精酵母菌种接种到上述种子罐种子培养基中，接 种量为10。/。(v/v)， 33'C培养28小时，搅拌转速为220rpm,通风比 为l: 0.5。
(4) 发酵罐培养
发酵罐中发酵培养基的组成为葡萄糖15%，酵母膏0.2%，玉米浆
51%,磷酸氢二钾0.05%，硫酸铵0.05%，磷酸氢二铵0.15%，自来水配 制。
将种子罐培养的酒精酵母菌种接种到发酵罐中培养，根据该菌株 在生长、代谢的不同阶段对氧气及不同碳源需求量的差异，进行有氧、 厌氧两段组合多罐连续发酵技术，釆用5L发酵罐，在第一阶段为有氧 发酵阶段，无菌空气以通风比为l: 0.4的通风速率流入发酵罐的发酵 培养基中，搅拌转速为400rpm，维持溶氧浓度(DO)为60~80%, 温度控制在3rc,好氧培养8小时。当细胞浓度即光密度(OD)达到 20时，进入第二阶段厌氧发酵，温度控制在33 38C发酵65小时， 乙醇产率达到10.5%，糖醇转化率大于41.5%。 实施例2与乙醇发酵体系联合的丁二酸发酵体系
丁二酸的生产方法，包括以下步骤
(1) 平板培养将丁二酸生产菌种琥珀酸放线杆菌接种到胰蛋 白胨大豆琼脂培养基中，35。C厌氧培养25小时。
(2) 摇瓶种子培养摇瓶种子培养基的组成为葡萄糖2%，酵母 膏0.4%,蛋白胨0.2%，玉米浆0.3%， Na2CO30.9%, NaH2PO40.7%， K2HPO41.0%， Na2HPO40.2%， NaC10.2%,自来水配制。将平板培养 的丁二酸菌种接种到装有200ml摇瓶种子培养基的血清瓶中摇瓶培 养，35。C培养15小时，摇床转速为180rpm。
(3) 种子罐培养种子罐种子培养基的组成为葡萄糖2%，酵母 膏0.4%,蛋白胨0.2%,玉米浆0.3%， Na2CO30.9%， NaH2PO40.7%, K2HPO41.0%, Na2HPO40.2%, NaC10.2%,自来水配制。将摇瓶培养 的丁二酸菌种接种到上述培养基中，接种量为5。/。(v/v)，在种子罐 中厌氧培养，35。C培养18小时，搅拌转速为300rpm， 二氧化碳通入量 为l: 0.2。
(4) 发酵罐培养
将种子罐培养基培养的丁二酸菌种接种 发酵罐中进行厌氧发酵，发酵培养基的组成为葡萄糖浓度11%,酵母膏浓度1.0%，
NaAcO.1%, NaH2PO40.02°/。 ， K2HPO40.1 ~ 0.5%, Na2HPO40.02%, NaC10.03%， CaCl20.02%， MgCl20.02%，自来水配制。
发酵过程中流加无菌中和剂碳酸镁将pH值控制在6.5 ~ 7.1范围 内，同时将实施例l乙醇发酵过程中产生的气体经高锰酸钾洗涤、 除菌过滤、冷冻压缩后，得99.9。/。以上的C02气体，以通风比为l: 0.2 的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为200rpm，温度控 制在37"C，厌氧培养48小时，丁二酸产率达到6.7%。糖酸转化率为 67%。
实施例3与乙醇发酵体系联合的丁二酸发酵体系
丁二酸的生产方法，包括以下步骤
(1) 平板培养将丁二酸生产菌种琥珀酸放线杆菌接种到胰蛋 白胨大豆琼脂培养基中，35。C厌氧培养27小时。
(2) 摇瓶种子培养摇瓶种子培养基的组成为葡萄糖2%，酵母 膏0.4%,蛋白胨0.2%，玉米浆0.3%， Na2CO30.9%， NaH2PO40.7%, K2HPO41.0%, Na2HPO40.2°/o, NaC10.2%,自来水配制。将平板培养 的丁二酸菌种接种到装有200ml摇瓶种子培养基的血清瓶中摇瓶培 养，35'C培养17小时，摇床转速为180rpm。
(3) 种子罐培养种子罐种子培养基的组成为葡萄糖2%,酵母 膏0.4%,蛋白胨0.20/。，玉米浆0.3%， Na2CO30.9%， NaH2PO40.7%， K2HPO41.0%， Na2HPO40.2°/0， NaC10.2%，自来水配制。将摇瓶培养 的丁二酸菌种接种到上述培养基中，接种量为5。/。(v/v),在种子罐 中厌氧培养，35'C培养20小时，搅拌转速为300rpm， 二氧化碳通入量 为l: 0.2。
(4) 发酵罐培养
将种子罐培养基培养的丁二酸菌种接种到发酵罐中进行厌氧发 酵，发酵培养基的组成为葡萄糖浓度11°/。，酵母膏浓度1.0%，NaAcO.1%, NaH2PO40.02°/。 ， K2HPO40.1 ~ 0.5% ， Na2HPO40.02%, NaC10.03%, CaCl20.02%, MgCl20.02%,自来水配制。
发酵过程中流加无菌中和剂碳酸镁将pH值控制在6.5 ~ 7.1范围 内，同时将实施例l乙醇发酵过程中产生的气体经高锰酸钾洗涤、 除菌过滤、冷冻压缩后，得99.9。/。以上的C02气体，以通风比为l: 0.2 的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为200rpm，温度控 制在37'C，厌氧培养52小时，丁二酸产率达到6.9%。糖酸转化率为 68%。
实施例4与乙醇发酵体系联合的丁二酸发酵体系
丁二酸的生产方法，包括以下步骤
(1) 平板培养将丁二酸生产菌种琥珀酸放线杆菌接种到胰蛋 白胨大豆琼脂培养基中，35。C厌氧培养23小时。
(2) 摇瓶种子培养摇瓶种子培养基的组成为葡萄糖2%，酵母 膏0.4%,蛋白胨0.2%，玉米浆0.3%， Na2CO30.9%, NaH2PO40.7%, K2HPO41.0%, Na2HPO40.2%， NaC10.2%，自来水配制。将平板培养 的丁二酸菌种接种到装有200ml摇瓶种子培养基的血清瓶中摇瓶培 养，35'C培养16小时，摇床转速为180rpm。
(3) 种子罐培养种子罐种子培养基的组成为葡萄糖2%，酵母 膏0.4%，蛋白胨0.2%，玉米浆03%， Na2CO30.9%, NaH2PO40,7%, K2HPO41.0%， Na2HPO40.2%， NaC10.2%，自来水配制。将摇瓶培养 的丁二酸菌种接种到上述培养基中，接种量为5。/。(v/v),在种子罐 中厌氧培养，35X:培养17小时，搅拌转速为300rpm, 二氧化碳通入量 为l: 0.2。
(4) 发酵罐培养
将种子罐培养基培养的丁二酸菌种接种到发酵罐中进行厌氧发 酵，发酵培养基的组成为葡萄糖浓度11%，酵母膏浓度1.0%， NaAc0.1%， NaH2PO40.02o/o ， K2HPO40.1 ~ 0,5% ， Na2HPO40.02% ，
802%,自来水配制。
发酵过程中流加无菌中和剂碳酸镁将pH值控制在6.5 ~ 7.1范围 内，同时将实施例l乙醇发酵过程中产生的气体经高锰酸钾洗涤、 除菌过滤、冷冻压缩后，得99.9。/。以上的C02气体，以通风比为l: 0.2 的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为200rpm，温度控 制在37。C,厌氧培养53小时，丁二酸产率达到6.9%。糖酸转化率为 68.5%。
注本发明中所采用的纤维素酶、木聚糖酶、酒精酵母菌种、酒 精细菌菌种、琥珀酸放线菌种、琥珀酸厌氧螺菌或重组大肠杆菌等均 为常规使用的产品，可巿售获得。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详 尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本 领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础 上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
权利要求
1、一种乙醇和丁二酸的联合发酵方法，其分别在乙醇发酵系统中发酵生产乙醇、在丁二酸发酵系统中发酵生产丁二酸，并将发酵乙醇过程中产生的气体通入发酵生产丁二酸的体系中。
2、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述发酵生产乙醇 的微生物为酵母菌或细菌。
3、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵生产丁二 酸的微生物为放线杆菌、厌氧螺菌或重组大肠杆菌。
4、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述发酵生产乙醇 的底物为淀粉基原料、蔗糖基原料、果糖基原料中的一种或两种及两 种以上的混合物。
5、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述发酵生产丁二酸 的底物为淀粉基原料、蔗糖基原料、果糖基原料中的一种或两种及两 种以上的混合物。
6、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述发酵乙醇过程中 产生的气体经洗涤、过滤除菌和冷冻压缩后通入发酵生产丁二酸的体 系中。
7、 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述洗涤为乙醇发 酵尾气经高锰酸钾洗涤收集。
8、 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述经洗涤、过滤除 菌和冷冻压缩后的气体以l: (0.1~0.4)的通风比通入发酵生产丁二 酸的体系中。
全文摘要
本发明涉及一种乙醇和丁二酸的联合发酵方法，其分别在乙醇发酵系统中发酵生产乙醇、在丁二酸发酵系统中发酵生产丁二酸，并将发酵乙醇过程中产生的气体经过处理后，通入发酵生产丁二酸的体系中。本发明方法将乙醇发酵过程中产生的CO₂尾气用于丁二酸的发酵生产过程，既有效减少了乙醇发酵过程中CO₂的排放对环境的影响，降低了乙醇发酵生产中尾气处理的成本，又使丁二酸发酵过程中添加碳酸盐的量大幅度降低，有效降低了丁二酸生产的辅料消耗。
文档编号C12P7/06GK101613720SQ20091009018
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者岷 姜, 尚海涛, 李荣杰, 欧阳平凯, 薛培俭 申请人:安徽丰原发酵技术工程研究有限公司