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Application of waste water from maize paste in fermentative production of acetone butanol by Clostridium acetobutylicum

玉米黄浆水在丙酮-丁醇厌氧梭菌发酵中的应用



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:20080512
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,Email: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031、270和800g/L,总溶剂量为1101g/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211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
BAIHaiping,ZHANGTao,TANTianwei
(ColegeofLifeScienceandTechnology,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)
Abstract:FermentativeproductionofbutanolbyClostridiumacetobutylicumusingmaizepastewastewater
wasinvestigatedtoreducethecost.Additionofsmalquantityofmaizepastewastewaterintotheculture
mediumhadnoobviousefectonthefermentation.Asthemaizepastewastewaterwas25% inthecul
turemedium,theyieldoftotalsolventwas1101g/L,thecompositionsofacetone,butanol,ethanol
were270g/L,800g/L,and031g/L,respectivelyComparedwithcontrolglucosemedium,thecost
oftheculturemediumcontaining25% wastewaterofthemaizepastereducedthecostofsolventby211
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
11 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。
12 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,MgSO4020g,FeSO4
002g,刃天青30mg,加水定容到1L,116℃灭菌
25min。灭菌结束后,在无菌高纯 N2(纯度为
99999%)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,MgSO4020g,
FeSO4002g,刃天青 30mg,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。
13 发酵培养方法
131 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。
132 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
40mol/LNaOH控制在510,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。
14 分析测定方法
141 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
SBA40C[7。
142 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012MPa,气化室和
检测室温度均为 210℃,H2和空气压力均为 01
MPa。定量测定使用外标法。
143 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]。
144 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
21 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) 005
上清液含N量 0 
玉米黄浆水中的沉淀量/(g·L-1) 2488
w(淀粉)/% 1106
w(N)/% 1018
w(蛋白质)/% 6362
w(其他)/% 1514
  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。
22 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344、962和022g/L,总
溶剂质量浓度为1328g/L。
23 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1101g/L,
其中乙醇、丙酮、丁醇的质量浓度分别为031、270和
800g/L;添加体积分数50%玉米黄浆水时,总溶剂
的质量浓度为408g/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014、133和261g/L;添加体积分数
75%玉米黄浆水时,总溶剂的质量浓度为248g/L,
其中乙醇、丙酮、丁醇的质量浓度分别为076、017和
155g/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2252%。
  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。
24 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 7775 1391 3976 6024
50 7619 1895 5836 4164
75 6850 2355 7817 2183
25 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):38860÷1328=
2926(元/kg)
  添加体积分数25%玉米黄浆水培养基溶剂成
本:29895÷1101=2715(元/kg)
  溶剂节约成本:2926-2715=211(元/kg)
  节约成本:211÷2926=721%
  若年产 20000t,可节约培养基成本:211×
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 250 6000 4800 15000 12000
醋酸钠 520 300 225 1560 1170
酵母粉 4000 500 375 20000 15000
KH2PO4 400 200 150 800 600
K2HPO4 750 200 150 1500 1125
培养基总价值 38860 29895
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
721%。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.
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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。
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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