專利名稱：：一種利用玉米皮原料發(fā)酵生產丙酮丁醇的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種利用玉米皮原料發(fā)酵生產丙酮丁醇的方法。
背景技術：
：丙酮、丁醇和乙醇都是重要的有機溶劑和化工原料，廣泛應用于噴漆、炸藥、塑料、制藥、植物抽提取及有機玻璃、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，又可用于生產甲基丙烯酸甲酯(MMA)、雙酚A、醇醛縮合物等化工產品。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，無需對車輛進行改造，同時具有顯著的環(huán)境效益，能降低溫室氣體的排放，因此，丁醇在未來的運輸燃料結構中將會占有重要的比重。乙醇是良好的有機溶劑和消毒劑，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。在二戰(zhàn)時期，丙酮、丁醇、乙醇(Acetone-butanol-ethanol，以下簡稱ABE)主要是利用糧食發(fā)酵生產，一直持續(xù)到80年代末期和90年代初期，發(fā)酵法被日益成熟、成本低廉的石油化工法所取代。ABE的發(fā)酵法生產所用菌種主要是梭菌，按ABE比例不同分為3:6:1傳統(tǒng)梭菌和2:7:1高丁醇比梭菌，所得溶劑總量約20g/L，ABE三者比例約3:6:1或2:7:1。所用發(fā)酵原料主要是玉米、糖蜜以及玉米和高粱、紅薯等混合物?，F(xiàn)在隨著石油資源的日趨減少和環(huán)境問題的不斷惡化，利用可再生資源微生物發(fā)酵生產ABE重新引起了世界各國的普遍關注，用玉米類糧食為原料發(fā)酵ABE，不僅生產成本高，而且也違背了糧食安全戰(zhàn)略。研究人員開始利用玉米和一些淀粉質原料混合發(fā)酵，在一定程度上降低了ABE原料成本，也有人在研究利用秸稈類原料發(fā)酵生產ABE，但秸稈類原料的預處理技術難度大，產業(yè)化周期長。因此，如何在現(xiàn)階段大力發(fā)掘廉價、技術上可行的替代原料來進行ABE生產，對于提高ABE發(fā)酵產業(yè)的競爭力、實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用具有重要意義。玉米皮是玉米濕法粉碎生產玉米淀粉過程中的副產品，其中殘留淀粉含量在20-30%,蛋白含量約10%,纖維素含量約18°/。，半纖維素約45%，木質素約1.0%,目前玉米皮主要是直接用作生產詞料，雖然降低了玉米皮深加工的成本，但是玉米皮中的淀粉以及纖維素等沒有得到充分的利用，大大降低了原料利用率。如果將玉米皮原料中的殘留淀粉和纖維素首先用于ABE的發(fā)酵，發(fā)酵殘渣再用作飼料加工，這樣既為ABE的生產提供了一種新的原料，同時又提高了玉米皮原料的利用率。基于上面的設想，我們開發(fā)了一種利用玉米皮原料發(fā)酵生產ABE的工藝技術。
發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種利用玉米皮原料發(fā)酵生產丙酮丁醇的方法，該方法為ABE的生產提供一種新原料，同時提高玉米皮的原料利用率。本發(fā)明所要解決的技術問題可以通過以下技術方案來實現(xiàn)一種利用玉米皮原料發(fā)酵生產丙酮丁醇的方法，包括發(fā)酵原料預處理得到可發(fā)酵產物，可發(fā)酵產物接ABE菌種發(fā)酵，發(fā)酵液過濾蒸餾得到丙酮丁醇產品，其特征在于所述發(fā)酵原料包含玉米皮。在一些實施方式中，所述發(fā)酵原料預處理得到可發(fā)酵產物步驟包括將玉米皮加水混合，調節(jié)初始pH6.5-7.5，121-13(TC蒸煮1-1.5小時，即得到可發(fā)酵產物。在一優(yōu)選實施例子里，所述初始pH值優(yōu)選為7.0。在一些實施方式中，所述發(fā)酵原料還可為玉米皮和其它淀粉原料混合物，混合物中各組分含量以可發(fā)酵產物總糖含量控制在5-6%來任意配制，所述發(fā)酵原料預處理得到可發(fā)酵產物步驟包括將玉米皮和其它淀粉原料混合物加水混合，121-130'C蒸煮1-1.5小時，即得到可發(fā)酵產物。在一優(yōu)選實施例子里，所述的其它淀粉質原料可以是玉米、木薯、紅薯等中的一種或幾種的混合物。在一優(yōu)選實施例子里，所述初始pH值優(yōu)選為7.0。在一些實施方式中，所述預處理步驟包括將玉米皮加溶液混合，121-13(TC條件下蒸煮1-1.5小時，冷卻至室溫，調節(jié)pH在4.8-5.0,加入酶進行酶解，得到的玉米皮水解液過濾去除固形物后115'C滅菌15-20分鐘，得到可發(fā)酵產物。所述溶液選自水，1%稀硫酸，1%氫氧化鈉溶液中之一，優(yōu)選水。水煮預處理，不會產生對后續(xù)發(fā)酵抑制物質。。所述酶為商用糖化酶和纖維素酶；酶解溫度大約5(TC;酶解時間大約48小時；所述玉米皮和水的固液比為h4~7中之一，優(yōu)選為1:6;所述纖維素酶的用量為20-30u/g底物。所述ABE菌種包括EA2018、EA2019系列高丁醇ABE菌種以及8008、8011、8012、8016、8017等傳統(tǒng)ABE菌種的一種或幾種。本發(fā)明所述的方法利用玉米皮中的殘留淀粉和纖維素進行ABE的發(fā)酵，同時殘渣還可再用作飼料，這既為ABE的生產提供了一種新的途徑，解決了傳統(tǒng)ABE的發(fā)酵生產與人爭糧的問題，同時又提高了玉米皮原料的利用率，這對提高ABE發(fā)酵產業(yè)的競爭力、實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用具有重要意義。圖1.本發(fā)明所述方法的技術路線圖之一。圖2.本發(fā)明所述方法的技術路線圖之一。圖3.本發(fā)明所述方法的技術路線圖之一。具體實施例方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。運用本發(fā)明將玉米皮原料生產ABE的三條工藝路線具體實施步驟如下工藝一根據(jù)發(fā)酵糖濃度的需要，稱取一定量玉米皮加水按照一定比例混合，調節(jié)初始pH至7.0左右，121-13(TC蒸煮l-1.5小時，煮好的培養(yǎng)基冷卻至37-40°C，接ABE菌種發(fā)酵，發(fā)酵溫度在37—40。C，發(fā)酵周期48—60小時。參見圖1。工藝二根據(jù)發(fā)酵糖濃度的需要，稱取一定量玉米皮和其它淀粉質的混合物加水按照一定比例混合，121-13(TC蒸煮l-1.5小時，煮好的培養(yǎng)基冷卻至37-40°C，接ABE菌種發(fā)酵，發(fā)酵溫度在37—4(TC，發(fā)酵周期48_60小時。參見圖2。工藝三稱取一定量的玉米皮加水混合浸泡后，121-130'C蒸煮1-1.5小時，冷卻至室溫，調節(jié)pH至4.8-5.0，加入糖化酶和纖維素酶，5(TC條件下酶解48小時，得到的玉米皮水解液過濾，將得到的濾液滅菌接入ABE菌種發(fā)酵，發(fā)酵溫度在37—4(TC，發(fā)酵周期48—60小時。參見圖3。實施例l:玉米皮原料直接蒸煮發(fā)酵ABE(菌種從中科院植生所購得，以下同)稱取37.5克玉米皮加水150ml，調節(jié)pH至7.0，共三組平行樣，121°C蒸煮1小時，冷卻至37-4(TC左右，接ABE菌種發(fā)酵，發(fā)酵溫度在37"C，發(fā)酵周期48小時。發(fā)酵結束后，將發(fā)酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶劑測定結果如表l。表l單獨玉米皮原料發(fā)酵ABE結果<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從表中結果可以看出，當玉米皮中的殘留淀粉較高的時候，完全可以先將殘留淀粉用于ABE發(fā)酵，發(fā)酵濾渣再用于飼料加工。實施例2:玉米皮和木薯混合發(fā)酵按照固液比l:5，1:7，1:9稱取玉米皮加水混合，三個比例的混合物中分別加入3%，4%，5%的木薯粉，每組3個平行樣，12rC蒸煮l小時，冷卻至37-4(TC左右，接ABE菌種發(fā)酵，發(fā)酵溫度在37°〇，發(fā)酵周期48小時。發(fā)酵結束后，將發(fā)酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶劑測定結果如表2。表2玉米皮和木薯混合物發(fā)酵結果項目丙酮(g/L)乙醇(g/L)丁醇(g/L)總溶劑(g/L)固液比1:3.781.5115.2320.52固液比1:53.251.3614.5719.18固液比1:2.61.3513.3817.33固液比l:3.721.4215.0320.17固液比l:2.721.2513.3417.31固液比l:73.061.1714.1618.39固液比l:95.091.6214.2720.98固液比l:95.111.4915.5222.12固液比l:93.942.3414.0920.37從表中結果可以看出，玉米皮中殘留淀粉含量低的情況下，可以向其中加些木薯粉進行發(fā)酵，發(fā)酵結果較理想。實施例3:玉米皮和紅薯粉的混合發(fā)酵按照固液比l:5，1:7，1:9稱取玉米皮加水混合，三個比例的混合物中分別加入3%，4%,5%的紅薯粉，每組3個平行樣，12rC蒸煮1小時，冷卻至37-40'C左右，接ABE菌種發(fā)酵，發(fā)酵溫度在37i:，發(fā)酵周期48小時。發(fā)酵結束后，將發(fā)酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶劑測定結果如表3。表3玉米皮和紅薯粉混合發(fā)酵結果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>從表中結果看出，當玉米皮中殘留淀粉含量低的情況下，向其中添加紅薯粉進行發(fā)酵，發(fā)酵結果較理想。實施例4:玉米皮和木薯紅薯混合物發(fā)酵按照固液比l:9稱取玉米皮加水混合，混合物中加入2.5%的木薯粉和2.5%的紅薯粉，121'C蒸煮1小時，冷卻至37-40'C左右，接ABE菌種發(fā)酵，發(fā)酵溫度在37'C，發(fā)酵周期48小時。發(fā)酵結束后，將發(fā)酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶劑測定結果如表4。表4玉米皮和木薯紅薯混合物發(fā)酵<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>從表中的結果可以看出，玉米皮在殘留淀粉含量低的情況下，向其中添加木薯和紅薯的混合物，可以進行正常發(fā)酵，發(fā)酵結果理想。實施例5:玉米皮的幾種預處理方法比較(所用糖化酶從杰能科購得，纖維素酶從'肇東松雪購得，以下同)。按照固液比l:7稱取適量的玉米皮，分別加水，1%稀硫酸，1%氫氧化鈉溶液，12rC條件下處理1小時，處理后的玉米皮分別調節(jié)pH在4.8-5.0進行酶解，酶解結果如表5。表5玉米皮的幾種不同預處理方法比較<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表中數(shù)據(jù)可知，在對玉米皮原料中木質纖維素處理效果上，水煮法和稀硫酸以及稀堿處理相比，表現(xiàn)出了較好的預處理效果，遠遠好于水煮法對秸稈、木材的預處理，而且和稀硫酸以及稀堿處理相比可以大大降低原料預處理成本，同時不會給后面的發(fā)酵過程帶來抑制物，因此優(yōu)選直接水煮來預處理玉米皮。實施例6:酶解過程固液比的優(yōu)選玉米皮和秸稈相比，原料成本更高，因此需要對酶解過程的固液比進行優(yōu)選，以期提高原料轉化率，按照l:4，1:5，1:6，1:7的固液比稱取玉米皮加水蒸煮、酶解，酶解結束后液相色譜分析葡萄糖和木糖含量，結果如表6。_表6玉米皮酶解過程固液比的優(yōu)選_<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表中結果可知，酶解過程固液比在l:6條件下，纖維素轉化率可以達到79.92%,優(yōu)選l:(5-6)。實施例7:酶解過程纖維素酶用量的優(yōu)選按照固液比l:6，稱取玉米皮加水蒸煮預處理，預處理后加纖維素酶、木聚糖酶酶解，纖維素酶的用量分別為20u/g底物，30u/g底物，40u/g底物，50u/g底物，酶解時間48小時，酶解結束后液相色譜分析葡萄糖和木糖含量，結果如表7。表7酶解過程中纖維素酶用量的優(yōu)選結果項目葡萄糖濃度g/100ml木糖濃度g/100ml單位酶活得糖率％單位酶活纖維素轉化率％20u/g底物5.870.253.493.3130u/g底物6.120.162.412.4940u/g底物6.630.181.562.6450u/g底物7.290.201.812.74從表中結果可以看出，酶用量在20u/g底物，雖然酶解得到的葡萄糖絕對值低，但是單位酶活得糖率和單位酶活纖維素轉化率最高，優(yōu)選酶用量在20-30u/g底物。實施例8:玉米皮水解液發(fā)酵結果將實施例7預處理酶解得到的玉米皮水解液離心，取上清液，115"C滅菌15分鐘，冷卻至室溫后接ABE菌種，置于37"C條件下靜止培養(yǎng)48小時，發(fā)酵結束后，將發(fā)酵液12000轉/分鐘，離心5分鐘，取出后用氣相色譜測定丙酮、丁醇、乙醇的含量，溶劑測定結果如表8。表8玉米皮水解液發(fā)酵結果項目丙酮(g/L)乙醇(g/L)丁醇(g/L)總溶劑(g/L)玉米皮4.731.9314.5221.18玉米皮4.652.2215.4522.32從表中結果可知，玉米皮水解液作為ABE菌種的發(fā)酵培養(yǎng)基，發(fā)酵結果理想，有效得提高了玉米皮資源的利用率，開發(fā)了玉米皮資源的利用價值。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。權利要求1、一種利用玉米皮原料發(fā)酵生產丙酮丁醇的方法，包括發(fā)酵原料預處理得到可發(fā)酵產物，可發(fā)酵產物接ABE菌種發(fā)酵，發(fā)酵液過濾蒸餾得到丙酮丁醇產品，其特征在于所述發(fā)酵原料包含玉米皮。2、根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述發(fā)酵原料預處理得到可發(fā)酵產物步驟包括將玉米皮加水混合，調節(jié)初始pH6.5-7.5，121-13(TC蒸煮1-1.5小時，即得到可發(fā)酵產物。3、根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于所述初始pH值為7.0。4、根據(jù)權利要求1方法，其特征在于，所述發(fā)酵原料還可為玉米皮和其它淀粉原料混合物，混合物中各組分含量以可發(fā)酵產物總糖含量控制在5-6%來任意配制。5、根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于所述的其它淀粉質原料可以是玉米、木薯、紅薯中的一種或幾種的混合物。6、根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述發(fā)酵原料預處理得到可發(fā)酵產物步驟包括將玉米皮加溶液混合，121-130'C蒸煮1-1.5小時，調節(jié)pH在4.8-5.0，加入酶進行酶解，得到的玉米皮水解液過濾后滅菌得到可發(fā)酵產物，其中所述溶液選自水，1%稀硫酸，1%氫氧化鈉溶液中之一，所述酶為糖化酶和纖維素酶。7、根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述溶液為水。8、根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述玉米皮加溶液混合的固液比為h47。9、根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，所述玉米皮加溶液混合的固液比優(yōu)選為l:67。10、根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述纖維素酶的用量為20-30u/g底物。11、根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述酶解溫度大約50'C;酶解時間大約48小時。12、根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述ABE菌種選自EA2018、EA2019系列高丁醇ABE菌種或8008、8011、8012、8016、8017傳統(tǒng)ABE菌種的一種或幾種。全文摘要本發(fā)明涉及一種利用玉米皮原料發(fā)酵生產丙酮丁醇的方法。本發(fā)明公開了一種利用玉米皮原料發(fā)酵生產丙酮丁醇的方法，包括發(fā)酵原料預處理得到可發(fā)酵產物，可發(fā)酵產物接ABE菌種發(fā)酵，發(fā)酵液過濾蒸餾得到丙酮丁醇產品，其特征在于所述發(fā)酵原料包含玉米皮。本發(fā)明所述的方法利用玉米皮中的殘留淀粉和纖維素進行ABE的發(fā)酵，同時殘渣還可再用作飼料，這既為ABE的生產提供了一種新的途徑，解決了傳統(tǒng)ABE的發(fā)酵生產與人爭糧的問題，同時又提高了玉米皮原料的利用率，這對提高ABE發(fā)酵產業(yè)的競爭力、實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用具有重要意義。文檔編號A23K1/14GK101363031SQ20081004376公開日2009年2月11日申請日期2008年9月5日優(yōu)先權日2008年9月5日發(fā)明者鉞劉,史吉平,姜衛(wèi)紅,孫沛勇,杜風光,晟楊,楊蘊劉,沈兆兵,董義偉,波陳,陽顧申請人:上海天之冠可再生能源有限公司;上海工業(yè)生物技術研發(fā)中心