专利名称：：一种提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法
技术领域：
：本发明涉及一种提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法。技术背景丙酮、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，又可用于生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)、双酚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。在二战时期，丙酮、丁醇、乙醇(Acetone-butanol-ethanol，以下简称ABE)主要是利用粮食发酵生产，一直持续到80年代末期和90年代初期，发酵法被日益成熟、成本低廉的石油化工法所取代。ABE的发酵法生产所用菌种主要是梭菌，按ABE比例不同分为3:6:1传统梭菌和2:7:1高丁醇比梭菌，所得溶剂总量约20g/L，ABE三者比例约3:6:1或2:7:1。所用发酵原料主要是玉米、糖蜜以及玉米和高粱、红薯等混合物。现在随着石油资源的日趋减少和环境问题的不断恶化，利用可再生资源微生物发酵生产ABE重新引起了世界各国的普遍关注，用玉米类粮食为原料发酵ABE，不仅生产成本高，而且也违背了粮食安全战略。研究人员开始利用玉米和一些淀粉质原料混合发酵，在一定程度上降低了ABE原料成本，也有人在研究利用秸秆类原料发酵生产ABE，但秸秆类原料的预处理技术难度大，产业化周期长。因此，如何在现阶段大力发掘廉价、技术上可行的替代原料来进行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。薯类作物是一类淀粉含量非常高的非粮食作物，主要包括木薯、红薯、马铃薯等。在世界各地以及我国均有大量生产，市场价格低于玉米等粮食类原料，目前已经大量用于燃料乙醇的生产，薯类原料和玉米相比，其蛋白质以及脂肪的含量低于后者，直接用薯类原料无法被ABE梭菌利用。我国的研究人员尝试用玉米和薯类混合发酵，也有人在木薯中添加醋酸铵来发酵，这些工艺的改进在一定程度上降低了发酵原料成本，但仍然缺乏市场竞争力。因此，寻找影响薯类原料发酵的真正原因，从而提高其发酵产率，降低发酵成本，对现阶段推动ABE产业化有着非常重要的意义。用单一薯类或其相互混合原料进行发酵，不能够被ABE梭菌正常的利用。意外地，本案发明人实验发现，薯类原料中氮源不足是影响薯类原料正常发酵ABE的原因。本案发明人进一步发现，薯类和玉米、高粱等淀粉质原料中的一种或多种混合物发酵时，薯类比例提高后不能正常发酵，通过补充氮源可以明显提高混合物发酵的溶剂产率。本案发明人基于上述科学发现，完成了本发明。
发明内容本发明的目的在于提供一种提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，以解决现在因薯类原料无法被ABE梭菌有效利用，导致薯类的原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率低、成本高的问题。一种提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，其特制在于向所述薯类原料中补充氮源。所述氮源是有机氮源、无机氮源中的一种或两种以上的混合，只要保证ABE菌种能够吸收即可。所述有机氮源包括小麦麸皮、豆粕、米糠、玉米浆、尿素中的一种或其两种以上的混合。所述无机氮源包括硫酸铵、氯化铵、氨水、硫酸铵、硝酸铵中的一种或其两种以上的混合。当所述氮源补充后影响发酵液pH变化时，还需向其中补充缓冲pH值的物质。所述缓冲pH值的物质包括碳酸钙、磷酸盐等中的一种或两种以上混合。所述氮源的补充量(以氮元素量计)为发酵糖质量的05.0wt%，优选0.51.5wt%。发酵糖是薯类原料中淀粉转化成的可用于发酵的糖。所述薯类原料包括木薯、红薯、马铃薯中的一种或两种以上的混合，还包括木薯、红薯、马铃薯中的一种或两种以上与玉米或高粱的混合(薯类所占比例大于30%需要补充氮源)。所述ABE菌种包括EA2018、EA2019系列高丁醇ABE菌种以及8008、8011、8012、8016、8017系列ABE菌种。实验证明，向薯类原料中补充氮源，可以显著提高ABE产率。氮源的补充量可以在发酵糖浓度的0—99%范围变化，在0.5%—1.5%内ABE产率可以达到18g/L以上。发酵过程pH的变化对ABE发酵的影响很大，补充无机氮源时由于其生理酸碱性会引起发酵液pH的波动，需要向发酵液中添加碳酸钙，磷酸盐等以缓冲pH变化。将薯类原料作为培养基，使用本发明所述的方法发酵生产丙酮、丁醇、乙醇，可适用的ABE菌种包括EA2018、EA2019系列高丁醇ABE菌种(丁醇丙酮乙醇=7:2:1)，以及8008、8011、8012、8016、8017等传统ABE菌种(丁醇丙酮乙醇二6:3:1)。玉米发酵和木薯类原料补充部分无机氮源发酵ABE的原料成本对比<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>从上表可以看出本发明大大降低了发酵法生产ABE的原料成本，缓解了粮食资源紧张问题，为ABE的发酵法生产起到了极大的推动作用。具体实施方式为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。运用本发明将薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的方法包括以下步骤(1)称取一定量的薯类原料(单一薯类、或任意两种薯类混合、或三种薯类混合)或薯类与玉米、高粱等淀粉质原料中的一种或多种混合物，向其中加入一定量的有机氮源，或者无机氮源(引起发酵液pH变化的需要添加缓冲物质)，121—13(TC蒸煮糊化，1一1.5小时。(2)蒸煮后的培养基冷却到37—4(TC，接ABE菌种发酵，发酵温度在37—40。C，发酵周期48—60小时。实施例l:玉米原料发酵称取80克的玉米粉，加水糊化约1小时，定容到1升，然后分装到500ml的三角瓶中，装液量60%，装好后在灭菌锅中121。C灭菌1.5小时。培养基冷却至37t:左右，将试管中的EA2018菌种接入培养基中，37。C培养箱中发酵48小时。发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶剂测定结果如表l。表l玉米培养基发酵结果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由表1结果可知，ABE菌种在玉米培养基中可以正常发酵，溶剂产量约20g/L。实施例2:单纯薯类原料发酵和补充氮源后的薯类原料发酵比较称取80克的木薯粉，80克红薯粉，80克马铃薯粉，30克红薯和50克木薯的混合物，分别加水糊化约1小时，分别定容到1升，然后分装到500ml的三角瓶中，装液量60%，装好后在灭菌锅中12rC灭菌1.5小时。称取80克的木薯粉，80克红薯粉，80克马铃薯粉，30克红薯和50克木薯的混合物，每份添加2.4克硫酸铵，3.6克碳酸钙，分别加水糊化约1小时，分别定容到1升，然后分装到500ml的三角瓶中，装液量60%，装好后在灭菌锅中12厂C灭菌1.5小时。培养基冷却至37'C左右，将试管中的EA2018菌种接入培养基中，37"C培养箱中发酵48小时。发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶剂测定结果如表2。表2单纯薯类原料发酵和补充氮源后的薯类原料发酵比较<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>木薯加硫酸铵红〗红薯加硫酸铵红薯加硫酸铵红薯加硫酸铵马铃薯马铃薯马铃薯马铃薯加硫酸铵马铃薯加硫酸铵马铃薯加硫酸铵木、红薯混合物木、红薯混合物木、红薯混合物木、红薯混合物加硫酸铵木、红薯混合物加硫酸铵木、红薯混合物加硫酸铵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结果可知，ABE菌种在单纯薯类培养基中，发酵不能正常进行，溶剂产量低，添加硫酸铵后溶剂产量得到明显的提高；氮含量低是影响薯类发酵的真正原因。实施例3:薯类和玉米混合发酵和补充氮源后的混合物发酵称取24克木薯粉和56克玉米粉(混合物1，木薯占30%)两份，其中一份补充2.4克硫酸铵以及3.6克碳酸钙。称取48克木薯粉和32克玉米粉(混合物2，木薯占60%)两份，其中一份补充2.4克硫酸铵以及3.6克碳酸钙。称取32克红薯粉和48克玉米粉(混合物3，红薯占40%)两份，其中一份补充2.4克硫酸铵以及3.6克碳酸钙。上述6份分别加水糊化约1小时，分别定容到1升，然后分装到500ml的三角瓶中，装液量60%，装好后在灭菌锅中121。C灭菌1.5小时。培养基冷却至37'C左右，将试管中的EA2018菌种接入培养基中，37'C培养箱中发酵48小时。发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量，测定结果如表3。表3木薯和玉米混合发酵和补充氮源后发酵比较项目丙酮(g/L)乙醇(g/L)丁醇(g/L)总溶剂(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补氮4.521.8613.5619.94混合物1补氮4.481.9114.0120.4混合物1补氮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补氮4.511.3214.2320.06混合物2补氮4.681.5314.6720.88混合物2补氮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补氮4.81.4814.7821.06混合物3补氮4.911.514.9821.39混合物3补氮4.621.3614.9220.9由表3结果可知，当木薯在混合物中所占比例达到30%，红薯所占比例达到40%，发酵溶剂产量均明显低于纯玉米发酵结果，补充氮源后溶剂产量显著提高，表明薯类和玉米混合物也是缺氮体系，需要补充氮源才可以正常发酵。实施例4:薯类补充不同氮源发酵实验称取80克的木薯粉8份，其中l份作为对照，l份补充氨水，其余6份分别向其中补充20克麸皮；20克豆粕；30克米糠；氯化铵2.4克和碳酸钙3.6克；尿素2克；硝酸铵2.4克。上述8份分别加水糊化约1小时，分别定容到l升，然后分装到500ml的三角瓶中，装液量60%，装好后在灭菌锅中12rC灭菌1.5小时。培养基冷却至37t:左右，将试管中的EA2018菌种接入培养基中，37'C培养箱中发酵48小时。补充氨水的木薯培养基用5%的稀氨水按照2.5%(v/v)补加后按照上述方法接种发酵。发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量，测定结果如表4。表4薯类原料补充不同氮源的发酵结果项目丙酮(g/L)乙醇(g/L)丁醇(g/L)总溶剂(g/L)木薯木薯加麸皮木薯加麸皮木薯加麸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铵木薯加氯化铵木薯加氯化铵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，薯类发酵ABE可以补充的氮源除了硫酸铵外，还包括麸皮、豆粕、米糠、尿素等有机氮源，另外还有氯化铵、氨水、硝酸铵等无机氮源。实施例5:补充不同比例氮源后薯类发酵实验称取80克的木薯粉7份，向7份中分别补充0.86克，1.43克，2.86克，4.29克，5.71克，8.49克，14.15克的硫酸铵以及6.0克的碳酸铐，折算成氮对初始总糖(约6%)的百分含量分别为0.3%，0.5%,1.0%,1.5%，2.0%,3.0%，5.0%，将上述7份原料分别加水糊化约1小时，每份都定容到l升，然后分装到500ml的三角瓶中，装液量60%，装好后在灭菌锅中121。C灭菌1.5小时。培养基冷却至37。C左右，将试管中的EA2018菌种接入培养基中，37。C培养箱中发酵48小时。发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶剂测定结果如表5。表5补充不同比例氮源后发酵结果项目丙酮(g/L)乙醇(g/L)丁醇(g/L)总溶剂(g/L)补氮量0.3%3.850.8312.1316.81补氮量0..3%3.720.9111.8916.52补氮量0.3%3.910.9511.9716.83补氮量0.5%4.031.0112.7718.01补氮量0.5%3.991.0512.9418.04补氮量0.5%4.011.0912.6118.03补氮量1.0%4.591.03l楊19.68补氮量1.0%4.65U13.7919.54补氮量1.0%4.82U213.919.84补氮量1.5%4.190.8612.9417.99补氮量1.5%4.440.8612.9818.28补氮量1.5%4.581.0113.3718.96补氮量2.0%3.970.8711.9516.79补氮量2.0%楊0.8112.0116.83补氮量2.0%4.210.8312.5417.58补氮量3.0%3.130.8211.3115.26补氮量3.0%3.010.7511.1214.88补氮量3.0%2.980.7410.9514.67补氮量5.0%2.010.657.319.97补氮量5.0%1.980.567.019.55补氮量5.0%1.860.636.959.44由表5结果可知，在木薯中补充氮源，比单纯木薯发酵产溶剂要高，当补充的氮含量较低时，溶剂产量相对要低些，这主要是补充的氮源量还不能够完全满足发酵需要，随着氮源量的增加溶剂产量呈增加趋势，当补氮量过高后溶剂产量出现下降，这可能是碳氮比变小影响发酵正常进行，氮补充量控制在0.5%—1.5%,ABE产量可以达到18g/L以上。实施例6:发酵过程pH变化对发酵的影响称取80克木薯粉和2.4克硫酸铵3份，一份作为对照，一份中添加3.6克碳酸钙；另一份用pH6.0的磷酸盐缓冲溶液来配培养基。将上述3份糊化约1小时，定容到1升，然后分装到500ml的三角瓶中，装液量60%，另外以不添加硫酸铵的同样比例混合原料作对照，装好后在灭菌锅中12rC灭菌1.5小时。培养基冷却至37'C左右，将试管中的EA2018菌种接入培养基中，37'C培养箱中发酵48小时。发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶剂测定结果如表6。表6发酵过程pH变化对发酵的影响<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>由表6结果可知，硫酸铵是生理酸性盐，发酵过程会引起发酵液pH波动大，影响了正常的发酵，当通过采取缓冲手段来控制发酵液的pH变化后，发酵趋于正常，溶剂产量显著提高。实施例7:8011、8016、8017等其它ABE菌种对木薯中添加硫酸铵的培养基发酵验证称取80克的木薯粉和2.4克的硫酸铵以及3.6克的碳酸铐混合物4份，分别加水糊化约1小时，分别定容到1升，然后分装到500ml的三角瓶中，装液量60%，装好后在灭菌锅中12rC灭菌1.5小时。培养基冷却至37"C左右，将80U、8016、8017以及EA2018系列ABE菌种接入培养基中，37。C培养箱中发酵48小时。发酵结束后，将发酵液12000转/分钟，离心5分钟，取出后用气相色谱测定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶剂测定结果如表7。表7不同ABE菌种对木薯培养基的发酵情况项目丙酮(g/L)乙醇(g/L)丁醇(g/L)总溶剂(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结果可知，本发明的培养基同样适用于其它ABE菌种发酵，发酵ABE产量可以达到在玉米培养基的产量。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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同物界定。权利要求1.一种提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，其特制在于向所述薯类原料中补充氮源。2.根据权利要求1所述的提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，其特征在于所述氮源是有机氮源、无机氮源中的一种或两种以上的混合。3.根据权利要求2所述的提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，其特征在于所述有机氮源包括小麦麸皮、豆粕、米糠、玉米浆、尿素的一种或两种以上的混合。4.根据权利要求2所述的提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，其特征在于所述无机氮源包括硫酸铵、氯化铵、氨水、硫酸铵、硝酸铵的一种或两种以上的混合。5.根据权利要求2所述的提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，其特征在于当所述氮源补充后影响发酵液pH变化时，还向所述含薯类的原料中补充缓冲pH值的物质。6.根据权利要求2所述的提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，其特征在于所述缓冲pH的物质包括碳酸钙、磷酸盐等中的一种或两种以上的混合。7.根据权利要求1所述的提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，其特征在于所述氮源的补充量以氮元素量计为发酵糖质量的0—5.0wt%。8.根据权利要求1所述的提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，其特征在于所述氮源的补充量以氮元素量计为发酵糖质量的0.51.5wt%。9.根据权利要求1所述的提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，其特征在于所述薯类原料包括木薯、红薯、马铃薯中的一种或两种以上的混合，还包括木薯、红薯、马铃薯中的一种或两种以上与玉米或高粱的混合。10.根据权利要求1所述的提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法，其特征在于所述ABE菌种包括EA2018、EA2019系列高丁醇ABE菌种以及8008、8011、8012、8016、8017系列ABE菌种。全文摘要本发明涉及一种提高薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产率的方法。其特制在于向所述薯类原料中补充氮源。本发明解决现在因薯类原料无法被ABE梭菌有效利用，导致薯类原料发酵生产丙酮、丁醇、乙醇的产量低、成本高的问题。文档编号C12R1/01GK101250562SQ20081003579公开日2008年8月27日申请日期2008年4月9日优先权日2008年4月9日发明者史吉平,孙沛勇,杜风光,沈兆兵,王文博,谢小勇,陈伟红申请人:上海天之冠可再生能源有限公司