专利名称：用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法
技术领域：
本发明属于生物工程技术领域，涉及一种生产乙醇的方法，更具体地是涉及一种 用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法。
背景技术：
甜高粱是高光效C4作物，其生物学产量极高，一般每公顷可生产粮食2. 25 6t、 鲜茎秆60 75t，茎秆富含糖分，汁液含量高达50% 70%，含糖量12% 22%。甜高粱 产量高，栽培容易，用途极广，加之茎秆中所含的糖极易转化为乙醇，每公顷仅茎秆就可产 乙醇大约7875L，而乙醇又是汽油的代用品，仅从国家能源安全，经济发展和环境保护方面 讲，以甜高粱为原料发展燃料乙醇有广阔的前景。印度的试验结果表明，每公顷甘蔗的酒精 产量为4000 5000L/年，而甜高粱可达5700-6500L/年。美国每公顷甜高粱每年的酒精 产量达6106L，而号称太阳能最有效转换器的甘蔗只有4680L。以甜高粱为原料生产乙醇过程中有其优点，也有其缺点。主要的优点是生物质经 简单加工后就可以直接发酵利用，不需酶处理。主要缺点包括季节性、糖榨取和作物的贮存 性。甜高粱收获季节湿度大，达到70-80%，是汁液中自然微生物利用碳水化合物的理想环 境，从而导致腐败。即使茎秆捆扎室温贮存，可利用的碳水化合物也容易腐败。运动发酵单胞菌，为革兰氏阴性菌，是自然界中迄今为止唯一已知的将丙酮酸脱 羧酶及乙醇脱氢酶与独特的Enter-Doudoroff(ED)代谢途径相耦联高效生产乙醇的微生 物。与传统的用于乙醇发酵生产的微生物如酿酒酵母相比，运动发酵单胞菌具有以下几个 优点(1)每代谢一分子葡萄糖仅产生一分子ATP，因此生成的生物量较少，酒精产量接近 理论最大值(96% )；⑵代谢速度快，比酵母高近5倍；(3)产物专一性高，生长需要的营养 简单；(4)与酿酒酵母一样，运动发酵单胞菌也是公认的安全菌株，发酵菌体经简单处理后 可作为动物饲料或肥料。运动发酵单胞菌仅能代谢葡萄糖、果糖和蔗糖，而甜高粱茎秆汁液 中的糖主要是这三种糖，因此用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆汁液具有竞争优势。目前，利用甜高粱茎秆生产乙醇研究较多的是利用甜高粱茎秆汁液或籽粒加汁液 的方法进行发酵生产，如中国专利申请号=200710304648. 8《一种利用甜高粱制备乙醇的方 法》、申请号=200510076833. 7《甜高粱秸秆汁液生产乙醇的方法》等，这些专利申请中公开 的甜高粱茎秆汁液中糖浓度较低，生产出的乙醇浓度低，这在工业生产上其经济性较差。利用甜高粱茎秆固态发酵生产乙醇的研究也很多，但存在许多缺点(1)固态发 酵体积大，酵母使用量大；(2)发酵周期长；(3)蒸馏能耗高；(4)产生大量废渣，即使能作 饲料，但其含水量大，干燥工序需要消耗更多能量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的甜高粱茎秆汁液液体发酵生产的乙醇浓 度较低的不足，甜高粱茎秆固体发酵发酵周期长、酵母使用量大等缺点，提供一种用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法。本发明的技术方案概述如下用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法，由下述步骤组 成(1)机械压榨甜高粱茎秆，获得糖液；(2)浓缩所述糖液得到糖汁，使糖汁中总糖的质量浓度达到45% -65% ；(3)调节步骤(2)获得的糖汁的浓度，得到总糖的质量浓度为5%-15%的稀糖汁， 调节PH至3. 5-5. 0,并加入青霉素，使青霉素浓度为0. l-1000U/ml ；(4)接入运动发酵单胞菌种子液，培养；(5)流加所述步骤(2)获得的糖汁，进行发酵；(6)精馏，获得乙醇，再经脱水，得燃料乙醇。所述步骤(4)为接入运动发酵单胞菌种子液，在30士5°C、搅拌转速为40-500rpm 的条件下培养至运动发酵单胞菌的浓度达到1. OX IO8个细胞/ml以上。所述步骤(5)为流加所述步骤(2)获得的糖汁，糖汁流加的速度控制在发酵液中 总糖的质量浓度在12%以下，待发酵液中乙醇的体积浓度为7% 8%时停止流加，采用间 歇发酵、半连续发酵、连续发酵或带有运动发酵单胞菌回用的发酵方式发酵，待发酵液中乙 醇的体积浓度为12. 0% -14. 0%，残总糖的质量浓度在2. 0%以下，残还原糖的质量浓度为 0.2%以下时停止发酵。本发明的优点是浓缩的糖汁不用额外添加防腐剂就可以在贮存罐中贮存，避免 因防腐剂而影响运动发酵单胞菌的生长及发酵；发酵周期短< 52h ；乙醇得率高在90%以 上。本发明采用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液进行燃料乙醇生产，发酵分 为两个阶段，即种子培养阶段和发酵阶段。种子培养采用逐级放大的方式，节省出发种子 液；运动发酵单胞菌为细菌，发酵速度比酵母快，发酵周期相对较短；本发明采用液体深层 发酵，不产生大量的含水量很大的固体物质，节省干燥固体物质的能耗，因此能耗相对较 低。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。实施例1用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法，由下述步骤组 成(1)机械压榨甜高粱茎秆，获得糖液；(2)浓缩所述糖液得到糖汁，使糖汁中总糖的质量浓度达到50%贮存于贮存罐中 存放；(3)加水调节步骤(2)获得的糖汁的浓度，得到总糖的质量浓度为10%的稀糖汁， 调节pH至4. 0，并加入青霉素，使青霉素浓度为10U/ml ；(4)接入运动发酵单胞菌种子液，在30士5°C、搅拌转速为IOOrpm的条件下培养至 运动发酵单胞菌的浓度达到1. OX IO8个细胞/ml以上；
(5)流加所述步骤(2)获得的糖汁，糖汁流加的速度控制在发酵液中总糖的质量 浓度在10%以下，待发酵液中乙醇的体积浓度为7%时停止流加，采用间歇发酵，待发酵液 中乙醇的体积浓度为13. 0%以上，残总糖的质量浓度在2. 0%以下，残还原糖的质量浓度 为0.2%以下时停止发酵；(6)精溜，获得乙醇，再经脱水，得燃料乙醇。乙醇得率为92.6%。实施例2用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法，由下述步骤组 成(1)机械压榨甜高粱茎秆，获得糖液；(2)浓缩所述糖液得到糖汁，使糖汁中总糖的质量浓度达到45%贮存于贮存罐中 存放；(3)加水调节调节步骤(2)获得的糖汁的浓度，得到总糖的质量浓度为5%的稀糖 汁，调节PH至4. 5，并加入青霉素，使青霉素浓度为1000U/ml ；(4)接入运动发酵单胞菌种子液，在30士5°C、搅拌转速为IOOrpm的条件下培养至 运动发酵单胞菌的浓度达到1. OX IO8个细胞/ml ；(5)流加所述步骤(2)获得的糖汁，糖汁流加的速度控制在发酵液中总糖的质量 浓度在8 %以下，待发酵液中乙醇的体积浓度为8 %时停止流加，采用间歇发酵，待发酵液 中乙醇的体积浓度为12. 0%以上，残总糖的质量浓度在2. 0%以下，残还原糖的质量浓度 为0.2%以下时停止发酵；(6)精馏，获得乙醇，再经脱水，得燃料乙醇。乙醇得率为93. %。实施例3用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法，由下述步骤组 成(1)机械压榨甜高粱茎秆，获得糖液；(2)浓缩所述糖液得到糖汁，使糖汁中总糖的质量浓度达到65%贮存于贮存罐中 存放；(3)加水调节调节步骤(2)获得的糖汁的浓度，得到总糖的质量浓度为15%的稀 糖汁，调节PH至3. 5，并加入青霉素，使青霉素浓度为0. lU/ml ；(4)接入运动发酵单胞菌种子液，在30士5°C、搅拌转速为40rpm的条件下培养至 运动发酵单胞菌的浓度达到1. OX IO8个细胞/ml以上；(5)流加所述步骤(2)获得的糖汁，糖汁流加的速度控制在发酵液中总糖的质量 浓度在12%以下，待发酵液中乙醇的体积浓度为8%时停止流加，采用半连续发酵，待发酵 液中乙醇的体积浓度为14.0%，残总糖的质量浓度在2.0%以下，残还原糖的质量浓度为 0.2%以下时停止发酵；(6)精馏，获得乙醇，再经脱水，得燃料乙醇。乙醇得率为91. 5%。实施例4用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法，由下述步骤组 成(1)机械压榨甜高粱茎秆，获得糖液；
5糖汁中总糖的质量浓度达到55%贮存于贮存罐中 存放；(3)加水调节调节步骤(2)获得的糖汁的浓度，得到总糖的质量浓度为8%的稀糖 汁，调节PH至5.0，并加入青霉素，使青霉素浓度为100U/ml ；(4)接入运动发酵单胞菌种子液，在30士5°C、搅拌转速为300rpm的条件下培养至 运动发酵单胞菌的浓度达到1. OX IO8个细胞/ml以上；(5)流加所述步骤(2)获得的糖汁，糖汁流加的速度控制在发酵液中总糖的质量 浓度在11%以下，待发酵液中乙醇的体积浓度为7%时停止流加，采用连续发酵，待发酵 液中乙醇的体积浓度为12. 5 %，残总糖的质量浓度在2. O %以下，残还原糖的质量浓度为 0.2%以下时停止发酵；(6)精馏，获得乙醇，再经脱水，得燃料乙醇。乙醇得率为93. 2%。实施例5用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法，由下述步骤组 成(1)机械压榨甜高粱茎秆，获得糖液；(2)浓缩所述糖液得到糖汁，使糖汁中总糖的质量浓度达到50%贮存于贮存罐中 存放；(3)加水调节调节步骤(2)获得的糖汁的浓度，得到总糖的质量浓度为10%的稀 糖汁，调节pH至4. 5，并加入青霉素，使青霉素浓度为5U/ml ；(4)接入运动发酵单胞菌种子液，在30士5°C、搅拌转速为500rpm的条件下培养至 运动发酵单胞菌的浓度达到1. OX IO8个细胞/ml以上；(5)流加所述步骤(2)获得的糖汁，糖汁流加的速度控制在发酵液中总糖的质 量浓度在12%以下，待发酵液中乙醇的体积浓度为8%时停止流加，采用带有运动发酵单 胞菌回用的发酵方式发酵，待发酵液中乙醇的体积浓度为14.0%，残总糖的质量浓度在 2. 0%以下，残还原糖的质量浓度为0. 2%以下时停止发酵；(6)精馏，获得乙醇，再经脱水，得燃料乙醇。乙醇得率为92.4%。实施例6用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法，由下述步骤组 成(1)机械压榨甜高粱茎秆，获得糖液；(2)浓缩所述糖液得到糖汁，使糖汁中总糖的质量浓度达到52%贮存于贮存罐中 存放；(3)加水调节调节步骤(2)获得的糖汁的浓度，得到总糖的质量浓度为6%的稀糖 汁，调节PH至4. 2，并加入青霉素，使青霉素浓度为2U/ml ；(4)接入运动发酵单胞菌种子液，在30士5°C、搅拌转速为200rpm的条件下培养至 运动发酵单胞菌的浓度达到1. O X IO8个细胞/ml以上；(5)流加所述步骤(2)获得的糖汁，糖汁流加的速度控制在发酵液中总糖的质量 浓度在10%以下，待发酵液中乙醇的体积浓度为7%时停止流加，采用间歇发酵，待发酵
6液中乙醇的体积浓度为12.6%，残总糖的质量浓度在2.0%以下，残还原糖的质量浓度为 0.2%以下时停止发酵；(6)精馏，获得乙醇，再经脱水，得燃料乙醇。乙醇得率为93. 1%。各实施例中所用的运动发酵单胞菌种子液的培养为运动发酵单胞菌原菌种I斜面试管I液体试管培养I三角瓶培养I卡氏罐培养种子液的培养方法在行业内是常规操作，所用培养基为RM液体培养基(2%葡萄 糖、酵母浸膏、0.2%磷酸二氢钾)及RM固体培养基(2%葡萄糖、酵母浸膏、0.2%磷 酸二氧钾、1.8%琼脂)。
权利要求
用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法，其特征是由下述步骤组成(1)机械压榨甜高粱茎秆，获得糖液；(2)浓缩所述糖液得到糖汁，使糖汁中总糖的质量浓度达到45％ 65％；(3)调节步骤(2)获得的糖汁的浓度，得到总糖的质量浓度为5％ 15％的稀糖汁，调节pH至3.5 5.0，并加入青霉素，使青霉素浓度为0.1 1000U/ml；(4)接入运动发酵单胞菌种子液，培养；(5)流加所述步骤(2)获得的糖汁，进行发酵；(6)精馏，获得乙醇，再经脱水，得燃料乙醇。
2.根据权利要求1所述的用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇 的方法，其特征是所述步骤(4)为接入运动发酵单胞菌种子液，在30士5°C、搅拌转速为 40-500rpm的条件下培养至运动发酵单胞菌的浓度达到1. OX IO8个细胞/ml以上。
3.根据权利要求1所述的用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇 的方法，其特征是所述步骤(5)为流加所述步骤(2)获得的糖汁，糖汁流加的速度控制在 发酵液中总糖的质量浓度在12%以下，待发酵液中乙醇的体积浓度为7% 8%时停止流 加，采用间歇发酵、半连续发酵、连续发酵或带有运动发酵单胞菌回用的发酵方式发酵，待 发酵液中乙醇的体积浓度为12. 0% -14. 0%，残总糖的质量浓度在2. 0%以下，残还原糖的 质量浓度为0. 2%以下时停止发酵。
全文摘要
本发明公开了一种用运动发酵单胞菌发酵甜高粱茎秆浓缩汁液生产燃料乙醇的方法，由如下步骤组成(1)机械压榨甜高粱茎秆，获得糖液；(2)浓缩糖液成糖汁；(3)调节糖汁的浓度，使总糖的质量浓度为5％-15％的稀糖汁，调节pH，加入青霉素；(4)接入运动发酵单胞菌种子液，培养；(5)流加步骤(2)获得的糖汁，发酵；(6)精馏，获得乙醇，脱水，得燃料乙醇。本发明的优点是浓缩的糖汁不用额外添加防腐剂就可以在贮存罐中贮存，避免因防腐剂而影响运动发酵单胞菌的生长及发酵；发酵周期短＜52h，乙醇得率高在90％以上。
文档编号C12R1/01GK101914575SQ20101024172
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者张敏华, 张鲲, 洪解放, 邹少兰, 马媛媛 申请人:天津大学