專利名稱：：一種木薯發(fā)酵制備丙酮、丁醇、乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬發(fā)酵
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及以木薯粉為原料的木薯粉培養(yǎng)基以及利用該培養(yǎng)基發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇、乙醇的方法。
背景技術(shù)：
：丙酮、丁醇和乙醇都是重要的有機(jī)溶劑和化工原料，廣泛應(yīng)用于噴漆、炸藥、塑料、制藥、植物抽提取及有機(jī)玻璃、合成橡膠等工業(yè)。丙酮可作為制造醋酸纖維素膠片薄膜、塑料和涂料的溶劑，又可用于生產(chǎn)甲基內(nèi)烯酸甲酯(MMA)、雙粉A、醇醛縮合物等化工產(chǎn)品。丁醇是新一代的生物燃料，與現(xiàn)有的生物燃料相比，丁醇與汽油的混合比更高，無需對車輛進(jìn)行改造，同時(shí)具有顯著的環(huán)境效益，能降低溫室氣體的排放，因此，丁醇在未來的運(yùn)輸燃料結(jié)構(gòu)中將會占有重要的比重。乙醇是良好的有機(jī)溶劑和消毒劑，其殺菌作用較快，消毒效果可靠，對人刺激性小，無毒，對物品無損害，多用于皮膚消毒以及醫(yī)療器械臨床的消毒。通常，丙酮、丁醇、乙醇(Acetone-butanol-ethanol，ABE)的生產(chǎn)是利用微生物發(fā)酵，然后通過蒸餾分別回收發(fā)酵產(chǎn)物，這種發(fā)酵稱為ABE發(fā)酵。用于ABE發(fā)酵的菌種主要是梭菌，發(fā)酵所用原料為糧食類淀粉質(zhì)原料，如純玉米粉、純小麥粉等，它們營養(yǎng)較為豐富，發(fā)酵過程中不需添加任何外源物質(zhì)，但是玉米、小麥等原料價(jià)格較高，用來發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑不僅制約了產(chǎn)品的市場競爭力，也違背我國的糧食安全戰(zhàn)略。由于在ABE發(fā)酵生產(chǎn)的總成本中，原料成本占有重要比重(約60%)，是影響ABE溶劑生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，因此，大力發(fā)掘其它廉價(jià)替代原料來進(jìn)行ABE生產(chǎn)，對于提高ABE發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的競爭力、實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用具有重要意義。木薯(Cawm;a)是一種多年生亞灌木，又叫做樹薯、木番薯，地下部結(jié)薯，為世界三大薯類(馬鈴薯、甘薯、木薯)之一，是我國重要的非糧食類經(jīng)濟(jì)作物。木薯塊根干物質(zhì)含量3040%，鮮薯含淀粉3235%，蛋白質(zhì)12%，脂肪0.34.3%，纖維素12%，灰分1%。木薯淀粉含量高，適應(yīng)性強(qiáng)，耐水、耐旱，在任何土質(zhì)中都能生長，是一種不與糧食爭地的有發(fā)展前途的發(fā)酵原料。現(xiàn)有的木薯粉培養(yǎng)基用于發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑時(shí)，得率遠(yuǎn)低于玉米粉培養(yǎng)基，這是因?yàn)槟臼淼牡鞍踪|(zhì)、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)的含量比較少，不利于微生物的生長，因此不能直接用于ABE溶劑的發(fā)酵生產(chǎn)，必須要添加營養(yǎng)物質(zhì)，但這勢必要增加原料成本，難以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需要，所以尋找木薯發(fā)酵中的關(guān)鍵因子從而使培養(yǎng)基得到優(yōu)化是生產(chǎn)ABE溶劑的必要條件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于，對現(xiàn)有用于發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇、乙醇(Acetone-butanol-ethanol，ABE)的木薯粉培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化，使其適合用于發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑。本發(fā)明的另一個(gè)目的就是在上述優(yōu)化培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上，提供一種以木薯粉為原料發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑的方法。本發(fā)明的優(yōu)化培養(yǎng)基是在木薯粉培養(yǎng)基中加入乙酸銨。根據(jù)本發(fā)明，所述培養(yǎng)基中乙酸銨的添加量為0.05—0.40%,優(yōu)選的為0.15%。根據(jù)本發(fā)明，所述培養(yǎng)基中木薯粉的含量為8—10%。根據(jù)本發(fā)明，所述培養(yǎng)基中木薯粉優(yōu)選采用粒徑小于100目的木薯粉。本發(fā)明的以木薯粉為原料發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑的方法包括以下步驟(a)以木薯粉為原料配制培養(yǎng)基，并加入乙酸銨，然后煮沸糊化；(b)培養(yǎng)基經(jīng)滅菌后接入ABE生產(chǎn)菌株，于35—4(TC的條件下培養(yǎng)48—50小時(shí)。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述乙酸銨的添加量為0.05_0.40%，優(yōu)選的為0.15%。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述木薯粉的含量為8—10%。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述木薯粉采用粒徑小于100目的木薯粉。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述ABE生產(chǎn)菌株為丙酮丁醇梭菌(C/oWnWw肌ac"o&M一函)EA2018(CCTCCM94061)。經(jīng)測定，采用本發(fā)明所述的方法，在以木薯粉為原料的培養(yǎng)基中添加適量乙酸銨，所得發(fā)酵生成的丙酮、丁醇、乙醇總?cè)軇舛瓤捎稍瓉淼?g/L左右提高至18g/L左右，得率提高約一倍，達(dá)到玉米發(fā)酵生成溶劑的水平；跟純玉米粉發(fā)酵相比，本發(fā)明所述的培養(yǎng)基大大降低了原料成本，且不需對原生產(chǎn)工藝進(jìn)行任何改變，更易于被大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)所采用。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限定本發(fā)明的范圍。根據(jù)本發(fā)明，所述ABE是指丙酮、丁醇、乙醇(Acetone-butanol-ethanol)的簡稱。以下實(shí)施例中所涉及的百分比濃度，除特別注明外，均為重量百分比濃度(W/W)。實(shí)施例1、添加乙酸銨對木薯粉發(fā)酵生成ABE溶劑的影響配制200ml木薯粉(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供的華南系列木薯)發(fā)酵培養(yǎng)基，培養(yǎng)基組成木薯粉8_10%(木薯粉粒徑小于100目)，乙酸銨0.15%。將配制好的木薯粉發(fā)酵培養(yǎng)基煮沸糊化0.5h，轉(zhuǎn)入500ml搖瓶中，高壓滅菌。待培養(yǎng)基降溫至40'C以下，接入經(jīng)活化24h的丙酮丁醇梭菌(aoW〃Www.ace"6wW'cww)EA2018(CCTCCM94061)菌液，接種量5%，35—4(TC發(fā)酵培養(yǎng)。同時(shí)以未添加乙酸銨的木薯粉發(fā)酵培養(yǎng)基作為對照，在同樣條件下進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)。每隔一段時(shí)間對發(fā)酵液取樣，樣品在5000rpm轉(zhuǎn)速下離心10min，收集上清液。對上清液中的ABE溶劑組分進(jìn)行氣相色譜(GC)分析，色譜儀的操作條件如下分離柱AlltechECTM-WAX(3.0mx0.32mmx0.25pm)柱溫85°C載氣氮?dú)饬魉?ml/min壓力0.07MPa進(jìn)樣量0.5pi檢測器氫火焰檢測器兩組樣品經(jīng)氣相色譜(GC)分析，其中丙酮、乙醇、丁醇和總?cè)軇┑臏y定結(jié)果如表l所示。表1添加乙酸銨對木薯粉發(fā)酵生成ABE溶劑的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表l結(jié)果可知，未添加乙酸銨時(shí)，丙酮丁醇梭菌梭菌(C7o欲W/ww.aceto^(y//cww)EA2018發(fā)酵木薯粉生成ABE溶劑的速率和產(chǎn)量均較低，發(fā)酵50h時(shí)的總?cè)軇舛葹?.8g/l;木薯粉培養(yǎng)基中添加0.15%的乙酸銨后，發(fā)酵50h時(shí)的總?cè)軇舛冗_(dá)到最高為18.1g/l，比未添加乙酸銨時(shí)提高約一倍，與現(xiàn)有的以玉米粉為原料發(fā)酵生產(chǎn)ABE的得率相當(dāng)，說明添加乙酸銨對木薯粉發(fā)酵生成ABE溶劑有明顯的促進(jìn)作用，可以取代現(xiàn)有的以玉米粉、小麥粉等原料發(fā)酵生產(chǎn)ABE的方法，從而大幅降低ABE的生產(chǎn)成本。實(shí)施例2、乙酸銨添加量對木薯粉發(fā)酵生成ABE溶劑的影響為進(jìn)一步研究乙酸銨添加量對木薯粉發(fā)酵生成ABE溶劑的影響，按實(shí)施例1所述的方法配制木薯粉培養(yǎng)基，向其中添加不同重量比的乙酸銨，發(fā)酵條件和產(chǎn)物測定同實(shí)施例1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)酵時(shí)間為50h時(shí)溶劑濃度達(dá)到最高點(diǎn)，此時(shí)丙酮、乙醇、丁醇和總?cè)軇┑臏y定結(jié)果如表2所示。表2乙酸銨添加量對木薯粉發(fā)酵生成ABE溶劑的影響乙酸銨添加量(％)指標(biāo)-0.050.100.150.200.40發(fā)酵時(shí)間(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總?cè)軇?g/1)14.816.618.116.815.9a發(fā)酵時(shí)間指產(chǎn)物溶劑濃度達(dá)到最高點(diǎn)所需的時(shí)間。由表2結(jié)果可知，在乙酸銨添加量為0.050.40%的范圍內(nèi)，木薯粉發(fā)酵生成ABE總?cè)軇┑臐舛瘸尸F(xiàn)先增長后有所下降的趨勢，但在此范圍內(nèi)生成溶劑的濃度均比未添加乙酸銨時(shí)生成溶劑的濃度顯著提高。綜合表2數(shù)據(jù)，可以看出木薯粉發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑，乙酸銨添加量為0.15%時(shí)達(dá)到最高，此時(shí)，總?cè)軇舛瓤蛇_(dá)到18.1g/l，比未添加乙酸銨時(shí)提高約一倍。實(shí)施例3木薯粉優(yōu)化培養(yǎng)基和玉米培養(yǎng)基發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑的成本比較采用純玉米粉為原料發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑，發(fā)酵條件和產(chǎn)物測定同實(shí)施例1，將發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑產(chǎn)量與以木薯粉(添加乙酸銨)為原料發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑產(chǎn)量作比較，結(jié)果如表3所示。表3、木薯粉優(yōu)化培養(yǎng)基和玉米粉培養(yǎng)基發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑的產(chǎn)量比較<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>發(fā)酵時(shí)間指產(chǎn)物溶劑濃度達(dá)到最高點(diǎn)所需的時(shí)間。由表3結(jié)果可知，在木薯粉培養(yǎng)基中添加乙酸銨后，發(fā)酵生成ABE總?cè)軇┑臐舛扰c采用以純玉米粉培養(yǎng)基發(fā)酵所得溶劑的濃度基本持平，均在18g/I左右，其中三種主要成分丙酮、乙醇和丁醇的比例也接近。因此，木薯粉和玉米粉發(fā)酵生產(chǎn)ABE溶劑的差別主要在于培養(yǎng)基原料的成本，比較兩種培養(yǎng)基原料的價(jià)格，結(jié)果如表4所示。表4、每噸溶劑所需木薯和玉米培養(yǎng)基的成本比較<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表4結(jié)果可知，采用木薯粉為發(fā)酵原料，在添加乙酸銨的情況下，成本要比目前的以純玉米粉為發(fā)酵原料約低600元/噸溶劑，大大降低了原料成本?？傊景l(fā)明只需在木薯粉培養(yǎng)基中添加重量比為0.05—0.40%的乙酸銨，即可將發(fā)酵產(chǎn)物的溶劑濃度提高一倍，達(dá)到以純玉米粉為原料的發(fā)酵水平。采用這種方法，在保持產(chǎn)物溶劑總量和產(chǎn)物比例的情況下，不僅大大降低了原料成本，而且不需對原生產(chǎn)工藝進(jìn)行任何改變，更加適于發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮、乙醇、丁醇的工業(yè)化應(yīng)用。權(quán)利要求1、一種木薯粉培養(yǎng)基，用于發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇、乙醇，其特征在于，木薯粉培養(yǎng)基中添加了乙酸銨。2、如權(quán)利要求1所述的培養(yǎng)基，其特征在于，所述乙酸銨的含量為0.05—0.40%。3、如權(quán)利要求2所述的培養(yǎng)基，其特征在于，所述乙酸銨的含量為0.15%。4、如權(quán)利要求1所述的培養(yǎng)基，其特征在于，所述木薯粉的含量為8—10%。5、如權(quán)利要求1所述的培養(yǎng)基，其特征在于，所述木薯粉粉粒徑小于100目。6、一種發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，該方法主要步驟包括(a)以木薯粉為原料配制培養(yǎng)基，并加入乙酸銨，然后煮沸糊化；(b)培養(yǎng)基經(jīng)滅菌后接入ABE生產(chǎn)菌株，于35—4(TC的條件下培養(yǎng)48—50小時(shí)。7、如權(quán)利要求6所述發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，所述乙酸銨的含量為0.05—0.40%。8、如權(quán)利要求7所述發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，所述乙酸銨的含量為0.15%。9、如權(quán)利要求6所述發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，所述木薯粉的含量為8—10%。10、如權(quán)利要求6所述發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，所述木薯粉粉粒徑小于100目。11、如權(quán)利要求6所述發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇、乙醇的方法，其特征在于，所述ABE生產(chǎn)菌株為丙酮丁醇梭菌(C7o^rWw/w.v4cetoZm(y/z'cw附)EA2018。全文摘要本發(fā)明公開了一種木薯粉培養(yǎng)基以及發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇、乙醇的方法。本發(fā)明所述培養(yǎng)基在木薯粉中添加乙酸銨。采用本發(fā)明所述培養(yǎng)基及其發(fā)酵方法，可將產(chǎn)物的總?cè)軇舛忍岣咭槐兑陨希_(dá)到以純玉米粉為原料的發(fā)酵水平，在保持產(chǎn)物溶劑總量和比例的情況下，不僅大大降低了原料成本，且不需對原生產(chǎn)工藝進(jìn)行任何改變，更加適于發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮、乙醇、丁醇的工業(yè)化應(yīng)用。文檔編號C12P7/28GK101311272SQ20071004121公開日2008年11月26日申請日期2007年5月24日優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日發(fā)明者姜衛(wèi)紅,晟楊,楊蘊(yùn)劉,胡世元,邵麗君,軍陳,陽顧申請人:中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院