專利名稱：：一種以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法，具體涉及一種利用戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法。
背景技術(shù)：
：丙酮丁醇是一種重要的有機溶劑和化工原料，廣泛應(yīng)用于噴漆、炸藥、塑料、制藥、植物抽提及有機玻璃、合成橡膠等工業(yè)。更重要的是生物丁醇與乙醇相似，是生物加工的醇類燃料，是新一代液體燃料。汽油中的主要組成是C6C8，因此丁醇比乙醇更類似于"油"，它與燃料添加劑和潤滑油配伍性更好。丁醇的化學結(jié)構(gòu)使其與乙醇相比有幾方面的優(yōu)點，包括低的蒸汽壓及在和石油混合時對水污染的影響比較小，可以使用現(xiàn)有的石油運輸管道輸送。乙醇容易吸收水分子，而且往往會腐蝕管道。因此，它必須用卡車、鐵路或者船運至目的地，然后和汽油混合。丁醇的另一個優(yōu)勢就是它可以比乙醇以更高的濃度和汽油混合，而無需對現(xiàn)有車輛進行改型。雖然乙醇和丁醇都是醇類，但丁醇有較高的能量密度，乙醇的能量密度比汽油低35°/。，丁醇作為燃料，其熱值和汽油相當，遠高于乙醇，與傳統(tǒng)燃料相比，可多走10%的路程；與乙醇相比，可多走30°/。的路程。隨著石油資源的匱乏，丁醇顯示出在能源方面的優(yōu)越性。目前丙酮丁醇的生產(chǎn)方法主要有發(fā)酵法和化工合成法。發(fā)酵法為較為成熟的方法，從20世紀初就開始有大規(guī)模應(yīng)用。到了60年代，歐美發(fā)達國家發(fā)現(xiàn)丙酮、丁醇可以廉價地從石油合成，因此逐漸取代發(fā)酵法成為工業(yè)生產(chǎn)丙酮、丁醇的首選。但近年來，由于石油資源日漸枯竭、國際原油價格不斷上漲、再加上日益嚴峻的生態(tài)環(huán)境問題，各國又重新開始重視發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮、丁醇。發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮、丁醇主要使用淀粉類物質(zhì)作為原料，包括玉米、薯類等，也可使用糖類作為原料。其中玉米是最為理想的原料，它不需添加任何輔助原料，只要配制成58%的醪液，就是丙酮丁醇梭菌理想的培養(yǎng)基。但同時玉米也是一種重要的糧食資源，如果單純用玉米發(fā)酵，會使生產(chǎn)企業(yè)原料成本上升，也會造成糧食資源緊張等問題。因此，各國都在尋積極找可以代替玉米進行發(fā)酵的原料。木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物和剩余物(如農(nóng)作物秸稈、谷殼、麩皮、蔗渣等)、林木(軟木和硬木)及林業(yè)加工廢棄物、草類等，是地球最重要的再生生物資源，每年的總產(chǎn)量約占所有生物質(zhì)資源的50%，目前大多數(shù)此類物質(zhì)沒有得到很好的利用。肉此，利用木質(zhì)纖維素為主的可再生生物質(zhì)資源，生產(chǎn)可再生能源具有重要的經(jīng)濟與社會意義。木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和其它組分構(gòu)成。將其水解(用酸法或者酶法)可生成葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖等成分，半纖維素水解后木糖、阿拉伯糖等戊糖組分則約占所有水解糖類的3040%，其中木糖約占戊糖總量的80%。以己糖(葡萄糖)為碳源的乙醇發(fā)酵菌種Saccharomycescerevisiae巳經(jīng)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，但有效利用以戊糖進行乙醇發(fā)酵或利用己糖和戊糖進行共發(fā)酵的工業(yè)菌株尚不成熟。這樣纖維素水解糖類的30%就不能轉(zhuǎn)化成燃料乙醇，造成產(chǎn)品產(chǎn)率低、成本高，嚴重地制約著纖維燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化進程。木質(zhì)纖維素水解的戊糖或己糖是一種很好的丙酮丁醇發(fā)酵原料，但戊糖或己糖需要達到一定的比例，而且戊糖或己糖中含有丙酮丁醇梭菌發(fā)酵所需的氮、磷等元素很少，需要配置合適的培養(yǎng)基，丙酮丁醇梭菌才能發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇。目前尚無報道以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種利用戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法，包括以下步驟1)戊糖和己糖按一定的比例混合，再加入氮源或磷源得到原料，將原料蒸煮滅菌得蒸煮醪液；2)待蒸煮醪液冷卻至42t:以下接菌種，發(fā)酵；3)將發(fā)酵液過濾，蒸餾，精餾得到最終的丙酮、丁醇、乙醇產(chǎn)品。本發(fā)明的創(chuàng)新點在于戊糖和己糖混合后與含氮源或磷源的物質(zhì)混合后作為原料。所述戊糖包括木糖、阿拉伯糖等所述己糖包括葡萄糖、果糖和半乳糖等本發(fā)明中所述戊糖占總糖的5-75w。/。，更優(yōu)選地，所述戊糖占總糖的5-40w0/。。本發(fā)明中所述原料加入的氮源或磷源包括但不限于玉米漿、玉米粉、麩皮、米糠、酵母膏、蛋白胨、魚粉、豆餅粉、酵母粉、豆餅、硫酸銨、氯化銨、碳酸銨、碳酸氫銨、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨等。本發(fā)明中優(yōu)選的原料為戊糖和己糖混合后，再加入玉米粉和其它的含氮或磷源的物質(zhì)，所述原料的總糖按重量百分比計算為39w%，玉米粉為總糖含量的555w%，或其它的含氮或磷源的物質(zhì)為總糖的1540w%，或外加的玉米粉以及其它的含氮或磷源的物質(zhì)為總糖的550w%。優(yōu)選地，所述其它的含氮或磷源的物質(zhì)為麩皮或豆餅或米糠或者其混合物。本發(fā)明中，原料蒸煮滅菌的滅菌溫度為9913CTC，滅菌時間為30150分鐘。本發(fā)明中，原料蒸煮滅菌完畢后冷卻到42'C以下，再接入菌種進行發(fā)酵，發(fā)酵的條件為厭氧條件，發(fā)酵溫度為3040。C，發(fā)酵時間2096小時。本發(fā)明中，所述菌種可以使用丙酮丁醇梭菌，包括但不限于CICC8008、CICC8011、CICC8012、CICC8016、CICC8017及美國典型微生物菌種保藏中心ATCC所保藏的丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylieum或Clostridiumsaccharobutylacetonicum或Clostridiumbeijerinkii)ATCC824、ATCC3625、ATCC4259、ATCC8529、ATCC10132、ATCC25752、ATCC27021、ATCC35702、ATCC39057、ATCC39058、ATCC39236、ATCC43084、ATCC51743、ATCC55025、ATCC824D-5、BAA陽117。本發(fā)明的有益效果如下1)戊糖和己糖按一定比例混合后，補充一定含量的磷、氮的化合物，并提供合適的發(fā)酵工藝條件，得到了有效的利用戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法。2)本發(fā)明解決了木質(zhì)纖維素水解后約占所有水解糖類的3040%的戊糖不能為以己糖為碳源的乙醇發(fā)酵菌種Saccharomycescerevisiae有效利用的問題。目前丙酮丁醇價格相對乙醇價格要高，產(chǎn)品供不應(yīng)求，而且丁醇是一種很好的液體燃料，因地制宜利用木質(zhì)纖維素水解戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇發(fā)酵，既可實現(xiàn)廢物利用，有利于環(huán)保，也對于促進我國能源結(jié)構(gòu)多元化、保障我國液體燃料安全，提高我國在生物質(zhì)液體燃料制備領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和研發(fā)實力具有積極的意義。具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1:木糖和葡萄糖混合糖中添加玉米粉共發(fā)酵控制總糖含量分別為3w%、5w%、6w%、7w%、8w%、9w%，其中木糖分別占總糖的75w%、60w%、50w%、42.8w%、37.5wT。和33.3w%，其余的為葡萄糖。其中玉米粉分別占總糖的5w。/。、20w%、33w%、42w%、50w。/。和55w%。玉米粉加水lOOOml，IO(TC糊化1小時后按照比例加入木糖和葡萄糖，混勻，分裝到250ml的三角瓶，每個三角瓶裝150ml。在滅菌鍋中121'C滅菌120分鐘。滅完菌后，將培養(yǎng)基取出并冷卻至室溫后，將ATCC51743和CICC8012菌種接入培養(yǎng)基中，接種量為5%，在厭氧培養(yǎng)箱中35'C發(fā)酵72小時。發(fā)酵完畢后，取lml發(fā)酵液置于離心管中，以11000轉(zhuǎn)/分鐘的速度離心7分鐘，用氣相色譜測定發(fā)酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。發(fā)酵結(jié)果如表1。發(fā)酵結(jié)果表明，丙酮丁醇梭菌在該培養(yǎng)基中生長較好，乙醇、丙酮、丁醇和總?cè)軇┖慷驾^高，隨著總糖和玉米粉含量的增加，溶劑含量增加。因此在木糖和葡萄糖混合糖中添加一定比例的玉米粉，木糖和葡萄糖可以共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇。表1木糖和葡萄糖混合糖中添加玉米粉菌種總糖(w%)木糖/總糖(w%)玉米粉/總糖(W0/o)乙醇(g丄1)丙酮(g.r1)丁醇(g.r1)總?cè)軇?g,r1)3750.432.125.868.4160200.723.59.814.02ATCC5174367504033421.221.634.355.6111.8313.4417.4020.68837.5502.016.4313.7622.20933.3552.357.0514.1023.50750.522.265.918.6960201.023.619.8214.45CICC8012675040"421.431.915.006.1311.4313.1117.8621.15837.5502.266.7413.4822.48933.3552.637.4013.8423.87實施例2:木糖和葡萄糖混合糖中添加有機添加物共發(fā)酵分別取木糖35g、葡萄糖35g加水1000ml按重量百分比配成糖含量為7%，有機添加物(多種農(nóng)副產(chǎn)品混合配制，富含磷、氮，包括麩皮、米糠、豆餅粉和豆餅等)分別為總糖的量的15w%、20w%、25w%、30w。/。和40w0/。，混勻，分裝到250ml的三角瓶，每個三角瓶裝150ml。在滅菌鍋中12rC滅菌120分鐘。滅完菌后，將培養(yǎng)基取出并冷卻至室溫后，將ATCC51743和CICC8012菌種接入培養(yǎng)基中，接種量5%，在厭氧培養(yǎng)箱中35"C發(fā)酵72小時。發(fā)酵完畢后，取lml發(fā)酵液置于離心管中，以11000轉(zhuǎn)/分鐘的速度離心7分鐘，用氣相色譜測定發(fā)酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。發(fā)酵結(jié)果如表2。發(fā)酵結(jié)果表明，丙酮丁醇梭菌在該培養(yǎng)基中生長也較好，乙醇、丙酮、丁醇和總?cè)軇┖慷驾^高，隨著有機添加物含量的增加，溶劑的含量也增加。因此在木糖和葡萄糖混合糖中添加一定比例的富含磷、氮有機添加物，木糖和葡萄糖可以共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇。表2木糖和葡萄糖混合糖中添加有機添加物<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例3:木糖和葡萄糖混合糖中添加玉米粉和有機添加物共發(fā)酵培養(yǎng)基I:取玉米粉3g加水1000ml，玉米IO(TC糊化I小時后加入木糖30g、控制總糖含量7%，剩余的為葡萄糖，有機添加物0.5g，其中玉米粉和有機添加物為總糖的5%，混勻，裝到250ml的三角瓶，每個三角瓶裝150ml,在滅菌鍋中121。C滅菌120分鐘；培養(yǎng)基2:取玉米粉15g加水1000ml，玉米IO(TC糊化1小時后加入木糖30g、控制總糖含量7%，剩余的為葡萄糖、有機添加物7g，其中玉米粉和有機添加物為總糖的31.4%，混勻，分裝到250ml的三角瓶，每個三角瓶裝150ml，在滅菌鍋中121'C滅菌120分鐘；培養(yǎng)基3:取玉米粉20g加水1000ml,玉米IOO'C糊化1小時后加入木糖30g、控制總糖含量7%，剩余的為葡萄糖、有機添加物8g，其中玉米粉和有機添加物為總糖的40%，混勻，分裝到250ml的三角瓶，每個三角瓶裝150ml，在滅菌鍋中121'C滅菌120分鐘。滅完菌后，將培養(yǎng)基取出并冷卻至室溫后，將ATCC51743和CICC8012菌種接入培養(yǎng)基中，接種量5%，在厭氧培養(yǎng)箱中35'C發(fā)酵72小時。發(fā)酵完畢后，取lml發(fā)酵液置于離心管中，以11000轉(zhuǎn)/分鐘的速度離心7分鐘，用氣相色譜測定發(fā)酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。發(fā)酵結(jié)果如表3。發(fā)酵結(jié)果表明，丙酮丁醇梭菌在該培養(yǎng)基中生長較好，乙醇、丙酮、丁醇和總?cè)軇┖慷驾^高，比單獨添加玉米粉或有機添加物要好。因此在木糖和葡萄糖混合糖中添加一定比例的玉米粉和有機添加物，木糖和葡萄糖可以共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇。表3木糖和葡萄糖混合糖中添加玉米粉和有機添加物<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例4:木糖和葡萄糖不同比例，添加玉米粉和有機添加物共發(fā)酵控制總糖含量7%，其中木糖分別占總糖的5%、25%、55%和75%。取玉米粉15g加水1000ml，玉米IO(TC糊化1小時后分別按比例加入木糖和葡萄糖、有機添加物7g，混勻，分裝到250ml的三角瓶，每個三角瓶裝150ml。在滅菌鍋中12KC滅菌120分鐘。滅完菌后，將培養(yǎng)基取出并冷卻至室溫后，將ATCC51743和CICC8012菌種接入培養(yǎng)基中，接種量5%，在厭氧培養(yǎng)箱中35'C發(fā)酵72小時。發(fā)酵完畢后，取lml發(fā)酵液置于離心管中，以11000轉(zhuǎn)/分鐘的速度離心7分鐘，用氣相色譜測定發(fā)酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。發(fā)酵結(jié)果如表4。發(fā)酵結(jié)果表明，丙酮丁醇梭菌在該培養(yǎng)基中生長較好，乙醇、丙酮、丁醇和總?cè)軇┖慷驾^高，隨著木糖含量的增加，溶劑含量減少。木糖和葡萄糖按一定比例混合后，添加一定比例的玉米粉和有機添加物，木糖和葡萄糖可以共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇。表4木糖和葡萄糖不同比例，添加玉米粉和有機添加物共發(fā)酵菌種木糖(%)乙醇(g.r1)丙酮(g丄1)丁醇(g.r1)總?cè)軇?g.r1)51.695.8813.4421.01ATCC5174325551.701.615.825.6713.3512.9420.8720.22751.595.6012.7819.971.946.2513.3621.55CICC801225551.871.876.206.0513.1612.9321.2320.85751.805.8412.4820.1權(quán)利要求1、一種以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法，其特征在于包括以下步驟1)戊糖和己糖混合，按重量百分比計算所述戊糖占總糖的5-75w％；再加入氮源或磷源得到原料，將原料蒸煮滅菌得蒸煮醪液；2)待蒸煮醪液冷卻至42℃以下接菌種，發(fā)酵；3)將發(fā)酵液過濾，蒸餾，精餾得到最終的丙酮、丁醇、乙醇產(chǎn)品。2、、根據(jù)權(quán)利要求1所述的以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法，其特征在于所述戊糖占總糖的5-40w%。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法，其特征在于所述氮源或磷源選自以下原料之一或者其混合玉米漿、玉米粉、麩皮、米糠、酵母膏、蛋白胨、魚粉、豆餅粉、酵母粉、豆餅、硫酸銨、氯化銨、碳酸銨、碳酸氫銨、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨。4、根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法，其特征在于所述步驟l)為戊糖和己糖混合后，再加入玉米粉和其它的含氮源或磷源的物質(zhì)得到原料，將原料蒸煮殺菌得蒸煮醪液；所述原料的總糖按重量百分比計算為39w%，玉米粉為總糖含量的555w0/。，或其它的含氮或磷源的物質(zhì)為總糖的1540w%，或外加的玉米粉以及其它的含氮或磷源的物質(zhì)為總糖的550w%。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法，其特征在于其它的含氮或磷源的物質(zhì)為麩皮或豆餅或米糠或者其混合物。6、根據(jù)權(quán)利要求l所述的以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法，其特征在于所述原料蒸煮滅菌過程中，滅菌溫度為99130'C，滅菌時間為30150分鐘。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法，其特征在于步驟2)發(fā)酵的條件為厭氧條件，發(fā)酵溫度為304(TC，發(fā)酵時間2096小時。8、根據(jù)權(quán)利要求l所述的以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法，其特征在于所述菌種為丙酮丁醇梭菌。全文摘要本發(fā)明提供了一種以戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法。戊糖和己糖混合，戊糖占總糖的5-75w％，再加入氮源或磷源得到原料，將原料蒸煮滅菌得蒸煮醪液；待蒸煮醪液冷卻至42℃以下接菌種，發(fā)酵；將發(fā)酵液過濾，蒸餾，精餾得到最終的丙酮、丁醇、乙醇產(chǎn)品。本發(fā)明得到了有效地利用戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的方法。因地制宜利用木質(zhì)纖維素水解戊糖和己糖共發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇發(fā)酵，既可實現(xiàn)廢物利用，有利于環(huán)保，也對于促進我國能源結(jié)構(gòu)多元化、保障我國液體燃料安全，提高我國在生物質(zhì)液體燃料制備領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和研發(fā)實力具有積極的意義。文檔編號C12R1/145GK101440381SQ200810220458公開日2009年5月27日申請日期2008年12月26日優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日發(fā)明者巍危,彭萬峰,袁浩然,勇陳,陳新德申請人:中國科學院廣州能源研究所