[發明專利]一種以浮萍為原料高效生產燃料丁醇的方法

有效

• 申請號: 201110122135.1
• 申請日: 2011-05-12
• 公開（公告）號: CN102220386A
• 公開（公告）日: 2011-10-19
• 發明（設計）人: 趙海;靳艷玲;方揚;李新波
• 申請（專利權）人: 中國科學院成都生物研究所
• 主分類號: C12P7/16
• 分類號: C12P7/16;C10L1/02;C12R1/145
• 代理公司: 成都賽恩斯知識產權代理事務所(普通合伙) 51212
• 代理人: 肖國華

技術領域

本發明屬于微生物發酵工程技術領域，具體涉及一種以浮萍為原料高效生產燃料丁醇的方法。

背景技術

隨著世界化石能源的日趨匱乏，石油類產品價格日益攀升，同時化石燃料的大量使用，使得生態環境負荷日益加大，世界各國相繼把替代能源的發展作為實現經濟可持續發展的重要能源政策。丙酮丁醇發酵曾是僅次于酒精發酵的第二大發酵工業。丁醇是一種極具潛力的生物液體燃料。丁醇與乙醇相比具有以下優勢：①丁醇熱值和辛烷值與汽油相當，其熱值是乙醇的1.3倍，且抗暴性能好；②不腐蝕管道，便于管道運輸，丁醇可以使用現有的汽油供應和分銷系統，而乙醇的輸送需要通過鐵路、船舶等專用工具；③與其他生物燃料相比，丁醇的蒸氣壓低，安全性更高；④丁醇和汽油的混合比更高，不需對現有車輛進行改造。由于具有上述諸多優良特性，丁醇作為新一代生物液體燃料已經引起了各國研究者和企業的興趣。雖然丁醇作為生物燃料的前景誘人，但發酵法生產燃料丁醇的產業化生產中還存在很多問題，例如：菌種的丁醇耐受性差，發酵液中丁醇終濃度難以超過1.3％；丁醇在總溶劑中的比例相對較低(玉米和糖蜜發酵的都在60％左右)；工業生產中原料成本太高等。這些因素導致了丁醇生產成本過高，從而缺乏市場競爭力。同時，提高丁醇在總溶劑中的比例不僅可以提高目標產物丁醇的獲得率，還可降低蒸餾工藝的能耗，提高燃料丁醇發酵生產的凈能源產出率。傳統丁醇發酵的原料主要是玉米和糖蜜，考慮到我國糧食安全問題，以非糧作物為原料生產丁醇將是未來發展的方向。從目前國內外的研究進展來看以水生植物浮萍為原料發酵生產燃料丁醇的研究還沒有報道。

浮萍科(Lemnaceae)植物，通常簡稱浮萍，全世界共有5個屬，38種，我國有4個屬.浮萍淀粉含量高，木質素含量很少，是用于燃料乙醇和燃料丁醇發酵生產的極具潛力的原料.以新型水生能源植物浮萍為原料來發酵產丙酮丁醇具有獨特的優勢：①浮萍可以吸收水體中的氮、磷，在綜合治理污水的同時生產了大量的生物質；②浮萍繁殖速度快，約2-7天可繁殖一代，年產量高達55t(干重)hm^-2.③浮萍的淀粉含量高，可達75％(干重)，并且丙酮丁醇梭菌能直接利用糊化的淀粉，不需要酵母酒精發酵的液化和糖化工藝，工藝流程更簡單；④丙酮丁醇發酵還產生氫氣(占總廢氣的37.93％)，氫氣也是一種清潔能源，收集利用又可以提高浮萍燃料丁醇的凈能源產出率.ChenY等2008年報道嘗試利用浮萍中?的淀粉發酵產出乙醇，產率為25.8％(干重).而以浮萍為原料發酵產丙酮丁醇在國內外還沒有報道.

因此，開發以浮萍為原料，替代傳統的糧食原料并偶聯污水治理的生物質能源生產新技術具有廣闊的前景。

發明內容

本發明的目的是針對現在燃料丁醇發酵生產中原料成本過高的問題，開發出一種以廉價的非糧原料浮萍為底物，以丙丁梭菌為菌種發酵生產丁醇的新方法，以提高丁醇比例、降低生產成本。

本發明以新型水生能源植物浮萍為原料，以丙丁梭菌為菌種發酵生產丁醇。主要包括如下工藝單元：發酵培養基的制備；發酵培養基的降粘；丁醇生產微生物種子液的制備；接種和發酵。具體步驟如下：

1.發酵培養基的制備：浮萍烘干、粉碎后過35目篩，按1∶6～1∶9(質量∶質量)的比例加水后加熱，100℃微沸糊化8～12min，補足蒸發水分。

2.培養基降粘：糊化好的培養基用2mol/L的硫酸將pH調為5.5，按100g醪液加入降粘酶0.1～0.4g，50℃150rpm水浴搖床恒溫2h，分裝到厭氧瓶中，冷卻后充氮氣除氧，121℃滅菌15～20min備用。

3.種子液的制備：玉米粒曬干，粉碎后過35目篩。將玉米粉與自來水按1∶15～20(質量∶質量)的比例混合均勻，煮至微沸后繼續煮1h成糊狀，補足水分后分裝于厭氧管中，通氮氣除氧，蓋好內外塞，121℃滅菌1h(自然pH，即不需要通過加酸或加堿調節PH到特定值。玉米粉加水，再按操作進行后的PH就剛好適合菌種生長。)，冷卻至室溫，從保存有丙酮丁醇梭菌菌種的種子培養基中吸取孢子液，按1∶8～1∶12(體積∶體積)的比例接種到新配制的種子培養基中，沸水浴熱擊90s，37℃靜止培養23h～25h可用做種子液。

4.發酵：按8～12％(體積∶體積)的接種量將種子液接種到發酵培養基中，37℃左右靜止發酵72h～108h。

5.發酵醪固液分離：發酵結束后的發酵醪經抽濾使發酵醪固液分離，取濾液進行蒸餾。

6.蒸餾：濾液經Buchi?Rotavapor?R-210旋轉蒸發儀在56℃，78℃，92℃下分別蒸餾得到丙酮、乙醇和丁醇。