全 文 :第7卷第1期
2009年1月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.7No.1
Jan.2009
收稿日期:20080512
基金项目:国家自然科学基金资助项目(20576013);国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA020102,2006AA020103,
2006AA020201);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB707804,2007CB714304);北京市自然科学基金资助项目
(2071002);北京市科技计划资助项目(D0205004040211)
作者简介:白海平(1978—),男,陕西宝鸡人,硕士研究生,研究方向:生物化工;谭天伟(联系人),教授,博士生导师,Email:twtan@mail.buct.edu.cn
玉米黄浆水在丙酮 -丁醇厌氧梭菌发酵中的应用
白海平,张 涛,谭天伟
(北京化工大学 生命科学与技术学院,北京 100029)
摘 要:为降低丙酮-丁醇厌氧梭菌发酵生产丁醇的成本,研究了不同添加量玉米黄浆水对发酵的影响。与葡萄
糖培养基相比,在发酵培养基中添加少量玉米黄浆水对发酵产量无显著影响。当添加体积分数为25%的玉米黄浆
水时,丙酮、丁醇和乙醇的最终质量浓度分别是031、270和800g/L,总溶剂量为1101g/L。通过成本核算,每
生产1kg溶剂,添加体积分数25%的玉米黄浆水可比葡萄糖培养基节约成本211元。
关键词:丁醇;丙酮-丁醇厌氧梭菌;玉米黄浆;废水
中图分类号:TQ923 文献标志码:A 文章编号:1672-3678(2009)01-0019-05
Applicationofwastewaterfrommaizepasteinfermentativeproduction
ofacetonebutanolbyClostridiumacetobutylicum
BAIHaiping,ZHANGTao,TANTianwei
(ColegeofLifeScienceandTechnology,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)
Abstract:FermentativeproductionofbutanolbyClostridiumacetobutylicumusingmaizepastewastewater
wasinvestigatedtoreducethecost.Additionofsmalquantityofmaizepastewastewaterintotheculture
mediumhadnoobviousefectonthefermentation.Asthemaizepastewastewaterwas25% inthecul
turemedium,theyieldoftotalsolventwas1101g/L,thecompositionsofacetone,butanol,ethanol
were270g/L,800g/L,and031g/L,respectivelyComparedwithcontrolglucosemedium,thecost
oftheculturemediumcontaining25% wastewaterofthemaizepastereducedthecostofsolventby211
RMBperkilogram.
Keywords:butanol;Clostridiumacetobutylicum;maizepaste;wastewater
丙酮 丁醇厌氧梭菌发酵主要生成丙酮、丁醇和
乙醇,是微生物发酵生产丁醇常用的菌种。发酵法
生成丁醇始于1913年[1],此后由于战争中生产无烟
炸药需要大量丙酮作为溶剂,很多发达国家都采用
发酵法生产丙酮、丁醇。到20世纪60年代时,石油
化学工业可以大量生产低成本的丁醇,发酵法生产
丁醇已无竞争力,被很多发达国家放弃。但是随着
近年来的世界性能源危机,生物质能源如生物乙
醇、生物丁醇等日益受到关注。生物丁醇与生物乙
醇相比,极性较小,对发动机的腐蚀较小,发热量
高,是人们更加推崇的生物质能源。
微生物发酵生产丁醇最初主要使用粮食作物
(如玉米[2]、马铃薯[3]等)为原料,且原料、动力及蒸
汽消耗较大,使其几乎没有利润空间。随着近年来
世界性的粮食危机发生,利用粮食作物发酵生产能
源受到严格限制。出于节约粮食、充分利用可再生
资源的目的,最近又有学者尝试利用农业废弃物
(如小麦秸秆[4]、玉米秸秆[5]、稻草秸秆[6]等)的水
解液,进行丁醇发酵的研究。这些研究大多尚处于
实验室阶段,且目前纤维素的水解方法及水解液中
有害物质去除方法仍然是技术难题。水解纤维素
需要借助高温高压手段或是酶类,水解液脱毒处理
采用活性炭吸附法、Ca(OH)2沉淀法或离子交换
法,这都增加了发酵的成本。玉米黄浆水主要来自
玉米淀粉糖工业,它含有大量的玉米蛋白和少量的
玉米淀粉,是一种便宜易得的原料。丙酮 -丁醇厌
氧梭菌(Clostridiumacetobutylicum)可以利用淀粉类
物质发酵,在丙酮-丁醇厌氧梭菌发酵过程中添加
玉米黄浆水,使玉米黄浆水中的淀粉充分利用,同
时得到高蛋白含量的饲料,可以达到变废为宝,降
低发酵成本的目的。
1 材料和方法
11 菌 种
丙酮 -丁醇厌氧梭菌(Clostridiumacetobutyli
cumCICC8008)购自中国工业微生物菌种保藏管理
中心。
12 培养基
种子培养基:葡萄糖30g,醋酸钠3g,酵母粉
5g,KH2PO4和K2HPO4各2g,MgSO4020g,FeSO4
002g,刃天青30mg,加水定容到1L,116℃灭菌
25min。灭菌结束后,在无菌高纯 N2(纯度为
99999%)中冷却,使厌氧指示剂刃天青保持无色,
以保证厌氧环境。
葡萄糖发酵培养基:葡萄糖60g,醋酸钠3g,酵
母粉5g,KH2PO4和 K2HPO4各2g,MgSO4020g,
FeSO4002g,刃天青 30mg,加水定容到 1L,
116℃灭菌25min。灭菌结束后,通入无菌高纯 N2
进行冷却,使厌氧指示剂刃天青保持无色,以保证
厌氧环境。
13 发酵培养方法
131 摇瓶培养
摇瓶培养使用容积为250mL的医用葡萄糖输
液瓶,丁基橡胶塞密封,装液量为100mL。摇瓶于
37℃下静止培养,培养时间为24h。
132 发酵罐培养
发酵罐培养时通入高纯N2,使厌氧指示剂刃天青
保持无色,以保证厌氧环境。发酵温度为37℃,pH用
40mol/LNaOH控制在510,搅拌转速为120r/min。
分别添加0、25%、50%、75%比例的玉米黄浆水(玉米
黄浆水与葡萄糖培养基的体积比,并维持基本营养成
分基本保持不变),使用镇江东方生物工程设备技术公
司5L发酵罐进行厌氧发酵,装液量为3L。
14 分析测定方法
141 葡萄糖和乙醇质量浓度的测定方法
葡萄糖和乙醇质量浓度的测定使用山东省科
学院生物研究所研发生产的生物传感分析仪
SBA40C[7。
142 丙酮、丁醇质量浓度的测定方法
丙酮、丁醇质量浓度使用分析仪器有限公司
GC4000A色谱仪测定。测定的色谱条件为:Chro
masorb101填充柱(80~100目,4mm×2m),FID
检测器,柱温为180℃,柱压为012MPa,气化室和
检测室温度均为 210℃,H2和空气压力均为 01
MPa。定量测定使用外标法。
143 含氮量和蛋白质质量分数的测定
含氮量测定使用凯氏定氮法[8]。
144 玉米黄浆水中淀粉质量分数的测定
淀粉质量分数测定使用水解法[9]。
2 结果与分析
21 玉米黄浆水成分分析
考察了玉米黄浆水成分,以确定其对菌体发酵
的影响(表1)。
表1 玉米黄浆水沉淀成分分析
Table1 Thedepositioncomposition
ofmaizepastewastewater
上清液含糖量/(g·L-1) 005
上清液含N量 0
玉米黄浆水中的沉淀量/(g·L-1) 2488
w(淀粉)/% 1106
w(N)/% 1018
w(蛋白质)/% 6362
w(其他)/% 1514
由表1可以看出,玉米黄浆水中含有少量的淀
粉,可以用于丙酮 丁醇厌氧梭菌发酵生产丁醇。其
02 生 物 加 工 过 程 第7卷
中淀粉消耗后,可以提高蛋白部分的蛋白质含量,
使残渣品质提高。
22 葡萄糖培养基发酵结果
为了考察玉米黄浆水添加量对丙酮 丁醇厌氧
梭菌发酵生产丁醇的影响,实验中以葡萄糖培养基
为参照,进行了丙酮、丁醇和乙醇发酵,发酵结果见
图1。
图1 葡萄糖培养基中各产物变化曲线
Fig.1 Theyieldcurveofglucosecontrolmedium
在葡萄糖培养基中,丙酮 丁醇厌氧梭菌生长较
快,于22h时开始有明显产物积累。最终丙酮、丁醇
和乙醇的质量浓度分别为344、962和022g/L,总
溶剂质量浓度为1328g/L。
23 添加不同量玉米黄浆水对发酵产物的影响
为了降低发酵的成本,在葡萄糖培养基中添加
玉米黄浆水,研究不同玉米黄浆水添加量对丙酮、
丁醇和乙醇产量的影响(图2~4)。
图2 培养基中添加体积分数25%的玉米黄浆水后
产物变化曲线
Fig.2 TheyieldcurveofABEadding25% maize
pastewastewatertoculturemedium
由图2~4可以发现,发酵结束时,添加体积分数
25%玉米黄浆水时,总溶剂的质量浓度为1101g/L,
其中乙醇、丙酮、丁醇的质量浓度分别为031、270和
800g/L;添加体积分数50%玉米黄浆水时,总溶剂
的质量浓度为408g/L,其中乙醇、丙酮、丁醇的质量
图3 培养基中添加体积分数50%的玉米黄浆
水后产物变化曲线
Fig.3 TheyieldcurveofABEadding50% maizepaste
wastewatertoculturemedium
图4 培养基中添加体积分数75%的玉米黄浆
水后产物变化曲线
Fig.4 TheyieldcurveofABEadding75% maize
pastewastewatertoculturemedium
浓度分别为014、133和261g/L;添加体积分数
75%玉米黄浆水时,总溶剂的质量浓度为248g/L,
其中乙醇、丙酮、丁醇的质量浓度分别为076、017和
155g/L。同时发现随着玉米黄浆水添加比例不断
增大,发酵产物乙醇、丙酮、丁醇的最终质量浓度逐渐
下降。在玉米黄浆水所占体积分数超过50%时,发
酵产物的量会急剧下降;特别是当添加量达到75%
时,丙酮-丁醇厌氧梭菌生长缓慢,产物的产量一直
维持在很低的水平,最终总溶剂量只有添加体积分数
25%黄浆水时的2252%。
由表1可以看出,玉米黄浆水中淀粉含量较低,
若大量添加到葡萄糖培养基中,造成培养基中可直
接利用的C源减少,溶剂产量下降,增加后期分离
成本;同时,发酵时间也会明显延长,在工业生产中
造成动力成本增加,不利于降低发酵成本。
如果将玉米黄浆水少量添加到发酵培养基中,
如添加体积分数为25%时,溶剂产量并没有明显下
降,不会增加后期分离成本;其发酵时间与葡萄糖
12 第1期 白海平等:玉米黄浆水在丙酮-丁醇厌氧梭菌发酵中的应用
培养基大致相同,可以节约发酵成本。
24 发酵后培养基残渣成分分析
各罐批发酵结束后,经测定,玉米黄浆水中的
淀粉已完全耗尽,说明丙酮 丁醇厌氧梭菌可以充分
利用玉米黄浆水中的淀粉。淀粉玉米黄浆水中的
淀粉完全消耗后,所余发酵残渣为黄浆水中的蛋白
质部分和丙酮 丁醇厌氧梭菌菌体,可以经干燥处理
后作为高蛋白饲料。
表3 添加玉米黄浆水的培养基发酵后残渣成分分析
Table3 Residualcompositionanalysisofmediumaddedmaizepastewastewater
w(玉米黄浆水)/% w(蛋白质)/%
ρ(培养基残渣)/
(g·L-1)
w(玉米黄浆水残渣)/
%
w(梭菌体)/
%
25 7775 1391 3976 6024
50 7619 1895 5836 4164
75 6850 2355 7817 2183
25 葡萄糖培养基和添加体积分数25%玉米黄浆
水培养基成本分析
葡萄糖培养基溶剂成本(表4):38860÷1328=
2926(元/kg)
添加体积分数25%玉米黄浆水培养基溶剂成
本:29895÷1101=2715(元/kg)
溶剂节约成本:2926-2715=211(元/kg)
节约成本:211÷2926=721%
若年产 20000t,可节约培养基成本:211×
20000×1000=42200000(元)
表4 葡萄糖培养基和添加体积分数25%玉米黄浆水培养基成本分析
Table4 Costofglucosemediumandculturemediumadding25% maizepastewastewater
名称
单价/
(元·kg-1)
培养基中各物质量浓度/(kg·m-3) 培养基中物质价值/(元·m-3)
葡萄糖培养基 玉米黄浆水培养基 葡萄糖培养基 玉米黄浆水培养基
葡萄糖 250 6000 4800 15000 12000
醋酸钠 520 300 225 1560 1170
酵母粉 4000 500 375 20000 15000
KH2PO4 400 200 150 800 600
K2HPO4 750 200 150 1500 1125
培养基总价值 38860 29895
3 结 论
玉米黄浆水中含有少量淀粉和较大量的玉米
蛋白,其中淀粉可以被丙酮 丁醇厌氧梭菌充分利
用。向丙酮 丁醇厌氧梭菌发酵培养基中少量(如
体积分数25%)添加玉米黄浆水时,发酵产量不会
明显降低,发酵时间没有明显延长,可以实现工业
废水的充分利用,比葡萄糖培养基降低发酵成本
721%。但玉米黄浆水不能过多添加(如体积分数
50%),否则造成产量明显下降,反而会提高后期分
离成本。发酵后的残渣中蛋白质含量明显提高,经
简单干燥处理后,可以作为高品质蛋白饲料。本研
究为合理利用工业废水,实现低成本生物质丁醇的
工业化生产提供了一个思路。
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2003.
国外动态
“液体木材”生产生物塑料玩具
德国Fraunhofer研究所的一位工程师在生物塑料的生产中加入了一种富含木质素的“液态木材”,最终
产品已经准备投入市场。这种用来生产玩具的塑料叫做“Arboform”,是完全由富含木质素的生物质生产的。
研究人员将木质素与大麻或者亚麻及纤维素混合,并且加入蜡等添加剂,制成了可以融化并注入模型的粒
状塑料原料,已经与SchleichGmbHt公司合作生产了一些小人物的玩具。
生物燃料供应短缺,欧盟难以实现目标
据英国生物燃料生产商Vireol公司称,生物燃料行业需要资金援助。因为信贷市场吃紧,到2011~2012
年,欧盟生物燃料供应将难以满足生物燃料掺混政策所营造的需求。
英国已经规定生物燃料掺混率为2.5%,而欧盟规定从2020年开始生物燃料掺混率为10%,这相当于
400亿L生物燃料。到2020年,英国的乙醇年需求量可能达到29亿L。
Vireol公司已经计划在英格兰北部地区投建两座以小麦为原料的生物燃料工厂,第一个工厂将于2011
年开始生产。
欧盟委员会计划2010年底前实施生物燃料限制新规定
欧盟委员会正计划2010年底前实施新的规定,对生物燃料进行限制,以制止其导致热带雨林被过度
砍伐。
新生物燃料计划草案将规定能被欧盟27个成员国接受的生物燃料种类、出产地、从何种植物获得,以及
用何种制造方法等。
计划草案还指出,新规定将允许来自于不肥沃的土地、藻类、生活垃圾、林业和农业废料等生物燃料。
欧盟议会谈判员克洛德·图尔梅斯表示,欧盟委员会的新计划草案与欧盟议会试图改变欧盟委员会
2008年1月提出的生物能源发展目标的努力不谋而合。
(文伟河)
32 第1期 白海平等:玉米黄浆水在丙酮-丁醇厌氧梭菌发酵中的应用