專利名稱：用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物工程技術領域，涉及一種生產(chǎn)乙醇的方法，更具體地是涉及一種 用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法。
背景技術：
甜高粱是高光效C4作物，其生物學產(chǎn)量極高，一般每公頃可生產(chǎn)糧食2. 25 6t、 鮮莖稈60 75t，莖稈富含糖分，汁液含量高達50% 70%，含糖量12% 22%。甜高粱 產(chǎn)量高，栽培容易，用途極廣，加之莖稈中所含的糖極易轉化為乙醇，每公頃僅莖稈就可產(chǎn) 乙醇大約7875L，而乙醇又是汽油的代用品，僅從國家能源安全，經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護方面 講，以甜高粱為原料發(fā)展燃料乙醇有廣闊的前景。印度的試驗結果表明，每公頃甘蔗的酒精 產(chǎn)量為4000 5000L/年，而甜高粱可達5700-6500L/年。美國每公頃甜高粱每年的酒精 產(chǎn)量達6106L，而號稱太陽能最有效轉換器的甘蔗只有4680L。以甜高粱為原料生產(chǎn)乙醇過程中有其優(yōu)點，也有其缺點。主要的優(yōu)點是生物質經(jīng) 簡單加工后就可以直接發(fā)酵利用，不需酶處理。主要缺點包括季節(jié)性、糖榨取和作物的貯存 性。甜高粱收獲季節(jié)濕度大，達到70-80%，是汁液中自然微生物利用碳水化合物的理想環(huán) 境，從而導致腐敗。即使莖稈捆扎室溫貯存，可利用的碳水化合物也容易腐敗。運動發(fā)酵單胞菌，為革蘭氏陰性菌，是自然界中迄今為止唯一已知的將丙酮酸脫 羧酶及乙醇脫氫酶與獨特的Enter-Doudoroff(ED)代謝途徑相耦聯(lián)高效生產(chǎn)乙醇的微生 物。與傳統(tǒng)的用于乙醇發(fā)酵生產(chǎn)的微生物如釀酒酵母相比，運動發(fā)酵單胞菌具有以下幾個 優(yōu)點(1)每代謝一分子葡萄糖僅產(chǎn)生一分子ATP，因此生成的生物量較少，酒精產(chǎn)量接近 理論最大值(96% )；⑵代謝速度快，比酵母高近5倍；(3)產(chǎn)物專一性高，生長需要的營養(yǎng) 簡單；(4)與釀酒酵母一樣，運動發(fā)酵單胞菌也是公認的安全菌株，發(fā)酵菌體經(jīng)簡單處理后 可作為動物飼料或肥料。運動發(fā)酵單胞菌僅能代謝葡萄糖、果糖和蔗糖，而甜高粱莖稈汁液 中的糖主要是這三種糖，因此用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈汁液具有競爭優(yōu)勢。目前，利用甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇研究較多的是利用甜高粱莖稈汁液或籽粒加汁液 的方法進行發(fā)酵生產(chǎn)，如中國專利申請?zhí)?200710304648. 8《一種利用甜高粱制備乙醇的方 法》、申請?zhí)?200510076833. 7《甜高粱秸稈汁液生產(chǎn)乙醇的方法》等，這些專利申請中公開 的甜高粱莖稈汁液中糖濃度較低，生產(chǎn)出的乙醇濃度低，這在工業(yè)生產(chǎn)上其經(jīng)濟性較差。利用甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的研究也很多，但存在許多缺點(1)固態(tài)發(fā) 酵體積大，酵母使用量大；(2)發(fā)酵周期長；(3)蒸餾能耗高；(4)產(chǎn)生大量廢渣，即使能作 飼料，但其含水量大，干燥工序需要消耗更多能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的甜高粱莖稈汁液液體發(fā)酵生產(chǎn)的乙醇濃 度較低的不足，甜高粱莖稈固體發(fā)酵發(fā)酵周期長、酵母使用量大等缺點，提供一種用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法。本發(fā)明的技術方案概述如下用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法，由下述步驟組 成(1)機械壓榨甜高粱莖稈，獲得糖液；(2)濃縮所述糖液得到糖汁，使糖汁中總糖的質量濃度達到45% -65% ；(3)調節(jié)步驟(2)獲得的糖汁的濃度，得到總糖的質量濃度為5%-15%的稀糖汁， 調節(jié)PH至3. 5-5. 0,并加入青霉素，使青霉素濃度為0. l-1000U/ml ；(4)接入運動發(fā)酵單胞菌種子液，培養(yǎng)；(5)流加所述步驟(2)獲得的糖汁，進行發(fā)酵；(6)精餾，獲得乙醇，再經(jīng)脫水，得燃料乙醇。所述步驟(4)為接入運動發(fā)酵單胞菌種子液，在30士5°C、攪拌轉速為40-500rpm 的條件下培養(yǎng)至運動發(fā)酵單胞菌的濃度達到1. OX IO8個細胞/ml以上。所述步驟(5)為流加所述步驟(2)獲得的糖汁，糖汁流加的速度控制在發(fā)酵液中 總糖的質量濃度在12%以下，待發(fā)酵液中乙醇的體積濃度為7% 8%時停止流加，采用間 歇發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵或帶有運動發(fā)酵單胞菌回用的發(fā)酵方式發(fā)酵，待發(fā)酵液中乙 醇的體積濃度為12. 0% -14. 0%，殘總糖的質量濃度在2. 0%以下，殘還原糖的質量濃度為 0.2%以下時停止發(fā)酵。本發(fā)明的優(yōu)點是濃縮的糖汁不用額外添加防腐劑就可以在貯存罐中貯存，避免 因防腐劑而影響運動發(fā)酵單胞菌的生長及發(fā)酵；發(fā)酵周期短< 52h ；乙醇得率高在90%以 上。本發(fā)明采用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液進行燃料乙醇生產(chǎn)，發(fā)酵分 為兩個階段，即種子培養(yǎng)階段和發(fā)酵階段。種子培養(yǎng)采用逐級放大的方式，節(jié)省出發(fā)種子 液；運動發(fā)酵單胞菌為細菌，發(fā)酵速度比酵母快，發(fā)酵周期相對較短；本發(fā)明采用液體深層 發(fā)酵，不產(chǎn)生大量的含水量很大的固體物質，節(jié)省干燥固體物質的能耗，因此能耗相對較 低。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。實施例1用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法，由下述步驟組 成(1)機械壓榨甜高粱莖稈，獲得糖液；(2)濃縮所述糖液得到糖汁，使糖汁中總糖的質量濃度達到50%貯存于貯存罐中 存放；(3)加水調節(jié)步驟(2)獲得的糖汁的濃度，得到總糖的質量濃度為10%的稀糖汁， 調節(jié)pH至4. 0，并加入青霉素，使青霉素濃度為10U/ml ；(4)接入運動發(fā)酵單胞菌種子液，在30士5°C、攪拌轉速為IOOrpm的條件下培養(yǎng)至 運動發(fā)酵單胞菌的濃度達到1. OX IO8個細胞/ml以上；
(5)流加所述步驟(2)獲得的糖汁，糖汁流加的速度控制在發(fā)酵液中總糖的質量 濃度在10%以下，待發(fā)酵液中乙醇的體積濃度為7%時停止流加，采用間歇發(fā)酵，待發(fā)酵液 中乙醇的體積濃度為13. 0%以上，殘總糖的質量濃度在2. 0%以下，殘還原糖的質量濃度 為0.2%以下時停止發(fā)酵；(6)精溜，獲得乙醇，再經(jīng)脫水，得燃料乙醇。乙醇得率為92.6%。實施例2用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法，由下述步驟組 成(1)機械壓榨甜高粱莖稈，獲得糖液；(2)濃縮所述糖液得到糖汁，使糖汁中總糖的質量濃度達到45%貯存于貯存罐中 存放；(3)加水調節(jié)調節(jié)步驟(2)獲得的糖汁的濃度，得到總糖的質量濃度為5%的稀糖 汁，調節(jié)PH至4. 5，并加入青霉素，使青霉素濃度為1000U/ml ；(4)接入運動發(fā)酵單胞菌種子液，在30士5°C、攪拌轉速為IOOrpm的條件下培養(yǎng)至 運動發(fā)酵單胞菌的濃度達到1. OX IO8個細胞/ml ；(5)流加所述步驟(2)獲得的糖汁，糖汁流加的速度控制在發(fā)酵液中總糖的質量 濃度在8 %以下，待發(fā)酵液中乙醇的體積濃度為8 %時停止流加，采用間歇發(fā)酵，待發(fā)酵液 中乙醇的體積濃度為12. 0%以上，殘總糖的質量濃度在2. 0%以下，殘還原糖的質量濃度 為0.2%以下時停止發(fā)酵；(6)精餾，獲得乙醇，再經(jīng)脫水，得燃料乙醇。乙醇得率為93. %。實施例3用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法，由下述步驟組 成(1)機械壓榨甜高粱莖稈，獲得糖液；(2)濃縮所述糖液得到糖汁，使糖汁中總糖的質量濃度達到65%貯存于貯存罐中 存放；(3)加水調節(jié)調節(jié)步驟(2)獲得的糖汁的濃度，得到總糖的質量濃度為15%的稀 糖汁，調節(jié)PH至3. 5，并加入青霉素，使青霉素濃度為0. lU/ml ；(4)接入運動發(fā)酵單胞菌種子液，在30士5°C、攪拌轉速為40rpm的條件下培養(yǎng)至 運動發(fā)酵單胞菌的濃度達到1. OX IO8個細胞/ml以上；(5)流加所述步驟(2)獲得的糖汁，糖汁流加的速度控制在發(fā)酵液中總糖的質量 濃度在12%以下，待發(fā)酵液中乙醇的體積濃度為8%時停止流加，采用半連續(xù)發(fā)酵，待發(fā)酵 液中乙醇的體積濃度為14.0%，殘總糖的質量濃度在2.0%以下，殘還原糖的質量濃度為 0.2%以下時停止發(fā)酵；(6)精餾，獲得乙醇，再經(jīng)脫水，得燃料乙醇。乙醇得率為91. 5%。實施例4用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法，由下述步驟組 成(1)機械壓榨甜高粱莖稈，獲得糖液；
5糖汁中總糖的質量濃度達到55%貯存于貯存罐中 存放；(3)加水調節(jié)調節(jié)步驟(2)獲得的糖汁的濃度，得到總糖的質量濃度為8%的稀糖 汁，調節(jié)PH至5.0，并加入青霉素，使青霉素濃度為100U/ml ；(4)接入運動發(fā)酵單胞菌種子液，在30士5°C、攪拌轉速為300rpm的條件下培養(yǎng)至 運動發(fā)酵單胞菌的濃度達到1. OX IO8個細胞/ml以上；(5)流加所述步驟(2)獲得的糖汁，糖汁流加的速度控制在發(fā)酵液中總糖的質量 濃度在11%以下，待發(fā)酵液中乙醇的體積濃度為7%時停止流加，采用連續(xù)發(fā)酵，待發(fā)酵 液中乙醇的體積濃度為12. 5 %，殘總糖的質量濃度在2. O %以下，殘還原糖的質量濃度為 0.2%以下時停止發(fā)酵；(6)精餾，獲得乙醇，再經(jīng)脫水，得燃料乙醇。乙醇得率為93. 2%。實施例5用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法，由下述步驟組 成(1)機械壓榨甜高粱莖稈，獲得糖液；(2)濃縮所述糖液得到糖汁，使糖汁中總糖的質量濃度達到50%貯存于貯存罐中 存放；(3)加水調節(jié)調節(jié)步驟(2)獲得的糖汁的濃度，得到總糖的質量濃度為10%的稀 糖汁，調節(jié)pH至4. 5，并加入青霉素，使青霉素濃度為5U/ml ；(4)接入運動發(fā)酵單胞菌種子液，在30士5°C、攪拌轉速為500rpm的條件下培養(yǎng)至 運動發(fā)酵單胞菌的濃度達到1. OX IO8個細胞/ml以上；(5)流加所述步驟(2)獲得的糖汁，糖汁流加的速度控制在發(fā)酵液中總糖的質 量濃度在12%以下，待發(fā)酵液中乙醇的體積濃度為8%時停止流加，采用帶有運動發(fā)酵單 胞菌回用的發(fā)酵方式發(fā)酵，待發(fā)酵液中乙醇的體積濃度為14.0%，殘總糖的質量濃度在 2. 0%以下，殘還原糖的質量濃度為0. 2%以下時停止發(fā)酵；(6)精餾，獲得乙醇，再經(jīng)脫水，得燃料乙醇。乙醇得率為92.4%。實施例6用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法，由下述步驟組 成(1)機械壓榨甜高粱莖稈，獲得糖液；(2)濃縮所述糖液得到糖汁，使糖汁中總糖的質量濃度達到52%貯存于貯存罐中 存放；(3)加水調節(jié)調節(jié)步驟(2)獲得的糖汁的濃度，得到總糖的質量濃度為6%的稀糖 汁，調節(jié)PH至4. 2，并加入青霉素，使青霉素濃度為2U/ml ；(4)接入運動發(fā)酵單胞菌種子液，在30士5°C、攪拌轉速為200rpm的條件下培養(yǎng)至 運動發(fā)酵單胞菌的濃度達到1. O X IO8個細胞/ml以上；(5)流加所述步驟(2)獲得的糖汁，糖汁流加的速度控制在發(fā)酵液中總糖的質量 濃度在10%以下，待發(fā)酵液中乙醇的體積濃度為7%時停止流加，采用間歇發(fā)酵，待發(fā)酵
6液中乙醇的體積濃度為12.6%，殘總糖的質量濃度在2.0%以下，殘還原糖的質量濃度為 0.2%以下時停止發(fā)酵；(6)精餾，獲得乙醇，再經(jīng)脫水，得燃料乙醇。乙醇得率為93. 1%。各實施例中所用的運動發(fā)酵單胞菌種子液的培養(yǎng)為運動發(fā)酵單胞菌原菌種I斜面試管I液體試管培養(yǎng)I三角瓶培養(yǎng)I卡氏罐培養(yǎng)種子液的培養(yǎng)方法在行業(yè)內(nèi)是常規(guī)操作，所用培養(yǎng)基為RM液體培養(yǎng)基(2%葡萄 糖、酵母浸膏、0.2%磷酸二氫鉀)及RM固體培養(yǎng)基(2%葡萄糖、酵母浸膏、0.2%磷 酸二氧鉀、1.8%瓊脂)。
權利要求
用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征是由下述步驟組成(1)機械壓榨甜高粱莖稈，獲得糖液；(2)濃縮所述糖液得到糖汁，使糖汁中總糖的質量濃度達到45％ 65％；(3)調節(jié)步驟(2)獲得的糖汁的濃度，得到總糖的質量濃度為5％ 15％的稀糖汁，調節(jié)pH至3.5 5.0，并加入青霉素，使青霉素濃度為0.1 1000U/ml；(4)接入運動發(fā)酵單胞菌種子液，培養(yǎng)；(5)流加所述步驟(2)獲得的糖汁，進行發(fā)酵；(6)精餾，獲得乙醇，再經(jīng)脫水，得燃料乙醇。
2.根據(jù)權利要求1所述的用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇 的方法，其特征是所述步驟(4)為接入運動發(fā)酵單胞菌種子液，在30士5°C、攪拌轉速為 40-500rpm的條件下培養(yǎng)至運動發(fā)酵單胞菌的濃度達到1. OX IO8個細胞/ml以上。
3.根據(jù)權利要求1所述的用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇 的方法，其特征是所述步驟(5)為流加所述步驟(2)獲得的糖汁，糖汁流加的速度控制在 發(fā)酵液中總糖的質量濃度在12%以下，待發(fā)酵液中乙醇的體積濃度為7% 8%時停止流 加，采用間歇發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵或帶有運動發(fā)酵單胞菌回用的發(fā)酵方式發(fā)酵，待 發(fā)酵液中乙醇的體積濃度為12. 0% -14. 0%，殘總糖的質量濃度在2. 0%以下，殘還原糖的 質量濃度為0. 2%以下時停止發(fā)酵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵甜高粱莖稈濃縮汁液生產(chǎn)燃料乙醇的方法，由如下步驟組成(1)機械壓榨甜高粱莖稈，獲得糖液；(2)濃縮糖液成糖汁；(3)調節(jié)糖汁的濃度，使總糖的質量濃度為5％-15％的稀糖汁，調節(jié)pH，加入青霉素；(4)接入運動發(fā)酵單胞菌種子液，培養(yǎng)；(5)流加步驟(2)獲得的糖汁，發(fā)酵；(6)精餾，獲得乙醇，脫水，得燃料乙醇。本發(fā)明的優(yōu)點是濃縮的糖汁不用額外添加防腐劑就可以在貯存罐中貯存，避免因防腐劑而影響運動發(fā)酵單胞菌的生長及發(fā)酵；發(fā)酵周期短＜52h，乙醇得率高在90％以上。
文檔編號C12R1/01GK101914575SQ20101024172
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權日2010年7月30日
發(fā)明者張敏華, 張鯤, 洪解放, 鄒少蘭, 馬媛媛 申請人:天津大學