[发明专利]一种利用木薯原料提高丁醇发酵生产效率和丁醇/丙酮比的工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高丁醇生产效率和丁醇/丙酮比的方法，特别是一种通过向木薯原料中适时添加酵母浸粉提高丁醇发酵生产效率和丁醇/丙酮比的工艺方法。

背景技术

丙酮丁醇发酵是利用厌氧性Clostridium种属的产孢子细菌，在培养液中生产丙酮丁醇的发酵过程（简称丁醇发酵）。丁醇发酵的主产品-丁醇，既是一种极具潜力的新型生物燃料，又是一种十分重要的化工平台化合物。随着世界原油价格的剧烈波动以及温室效应的日益突出，曾经没落的丁醇发酵技术，作为一种能够有效利用生物质原料生产丁醇燃料的技术，再次引起人们的关注。

传统的丁醇发酵技术存在诸多问题严重限制了其发展：强烈的终产物抑制：丁醇发酵受到来自丁醇的强烈的生长抑制，导致发酵生产强度和设备利用率的显著下降。产品蒸馏精制过程中的能量成本高。原料大多是粮食且价格不断上涨。

针对上述问题科学工作者研究开发了许多新技术和新方法并积极寻求新的适合丁醇发酵的原料。选择性萃取发酵是针对问题⑴而提出的解决方法。目的产物丁醇的产物抑制作用很强，出现抑制现象后发酵速度急剧下降。如果此时将发酵液中积累的丁醇转移到与发酵液完全不相容的萃取相中，就可以将发酵液中丁醇的浓度保持在其抑制浓度以下，从而使发酵过程继续高效的进行下去。油醇，因其对丁醇萃取系数高、对生产菌株毒性低的优点，被公认为是丁醇发酵最好的萃取剂。我们将本发明中的方法应用于油醇萃取发酵发现，与传统发酵和生物柴油萃取发酵相比，生产效率和丁醇/丙酮比的提升更为显著。

即使采用选择性萃取，丁醇在萃取剂中的浓度还是很低，在使用油醇的条件下也不会超过4-5%。因此蒸馏回收丁醇过程的大量能耗严重制约着丁醇工业发酵的发展。作为解决问题⑵的对策，必须考虑使用省去产品回收精制过程的新方法。我们之前的研究表明，将对丁醇具有一定萃取能力的生物柴油作为萃取剂进行原位萃取发酵，发酵结束后，生物柴油萃取有10g/L左右的丁醇，其性能得到有效改善可以直接使用。这样用于蒸馏精制的能耗节省了50%以上。我们同样把本发明中的方法应用于生物柴油萃取发酵中发现，生产效率和丁醇/丙酮比均有较大提升，同时生物柴油中丁醇浓度与以玉米为原料的发酵相比提高了16%，进一步提高了改良型生物柴油的性能。

玉米一直是丁醇发酵生产的主要原料。但是，由于可用耕地的减少、人口的激增以及价格的上涨，使用玉米等粮食作物进行清洁、可再生的能源生产就与粮食安全问题产生了矛盾。为同时保证粮食和能源安全、实现低碳经济，“非粮”生物质资源，因其“不与人争粮、不与粮争地”的特征就被推上了发展清洁、可再生能源的前沿。在众多非粮原料中，木薯以其淀粉含量高、加工技术简单、价格便宜、产量高等优点被广泛用于发酵工业；目前也是丁醇发酵过程中研究较多的一种原料。然而，木薯发酵产丁醇过程中会出现严重的相转型延迟或者不能转型的现象，不管是传统发酵还是萃取发酵，发酵时间显著延长，生产效率低下。本发明的方法就是针对这一问题开发出来的，效果十分显著。

丁醇发酵的最终产物为丁醇、丙酮和乙醇，其重量比大约为6:3:1。选择性的提高丁醇的比例（丁醇/丙酮比）是目前丁醇发酵研究的一个重要课题。在该方面较为成熟的方法主要包括：调控发酵体系的氧化还原电位，使用混合原料（包含还原性较强的糖类物质），筛选高丁醇比的菌株，以及添加中性红等电子载体等。然而这些方法要么是以牺牲总溶剂为代价，要么就是增加后续分离纯化的难度。本发明的方法在一定程度上提高了丁醇/丙酮比和总溶剂浓度，而且对后续的分离纯化过程没有任何影响。

本发明解决了木薯丁醇发酵过程中存在的相转型延迟或无法转型的问题，对于传统发酵、油醇萃取发酵和生物柴油萃取发酵均起到了很好的效果，不但缩短了发酵时间，提高了生产效率和丁醇/丙酮比，还提高了生物柴油中丁醇的浓度，对于降低成本和减少能耗具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高木薯原料发酵生产丁醇的生产效率和丁醇/丙酮比的工艺方法，以解决由于严重相转型延迟或无法实现转型而造成的木薯丁醇发酵过程中生产效率低下的问题，并通过该方法有效的提高丁醇/丙酮的比例。