一种乙醇和丁二酸的联合发酵方法.pdf

本发明涉及一种乙醇和丁二酸的联合发酵方法，其分别在乙醇发酵系统中发酵生产乙醇、在丁二酸发酵系统中发酵生产丁二酸，并将发酵乙醇过程中产生的气体经过处理后，通入发酵生产丁二酸的体系中。本发明方法将乙醇发酵过程中产生的CO2尾气用于丁二酸的发酵生产过程，既有效减少了乙醇发酵过程中CO2的排放对环境的影响，降低了乙醇发酵生产中尾气处理的成本，又使丁二酸发酵过程中添加碳酸盐的量大幅度降低，有效降低了丁二酸生产的辅料消耗。

1、  一种乙醇和丁二酸的联合发酵方法，其分别在乙醇发酵系统中发酵生产乙醇、在丁二酸发酵系统中发酵生产丁二酸，并将发酵乙醇过程中产生的气体通入发酵生产丁二酸的体系中。

2、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵生产乙醇的微生物为酵母菌或细菌。

3、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵生产丁二酸的微生物为放线杆菌、厌氧螺菌或重组大肠杆菌。

4、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵生产乙醇的底物为淀粉基原料、蔗糖基原料、果糖基原料中的一种或两种及两种以上的混合物。

5、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵生产丁二酸的底物为淀粉基原料、蔗糖基原料、果糖基原料中的一种或两种及两种以上的混合物。

6、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵乙醇过程中产生的气体经洗涤、过滤除菌和冷冻压缩后通入发酵生产丁二酸的体系中。

7、  如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述洗涤为乙醇发酵尾气经高锰酸钾洗涤收集。

8、  如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述经洗涤、过滤除菌和冷冻压缩后的气体以1∶(0.1～0.4)的通风比通入发酵生产丁二酸的体系中。

一种乙醇和丁二酸的联合发酵方法
技术领域
本发明涉及一种乙醇和丁二酸的生产方法，具体地说，涉及一种利用生产乙醇和丁二酸的联合发酵方法。
背景技术
丁二酸又称为琥珀酸，是一种二元有机酸，它是一种重要的C₄平台化合物，可作为合成复杂有机化合物的中间体，广泛应用于制药、食品加工、合成塑料、橡胶、防护涂料、染料和其它工业中。目前，已有超过250种以苯为原料的化工产品可以通过丁二酸转化获得，因此丁二酸的市场需求量不断增加。
生产丁二酸的方法主要有两种：化学合成法和微生物发酵法。传统的化学合成法因使用化石原料、环境污染等原因使丁二酸的生产规模和应用受到较大限制。微生物发酵法生产丁二酸由于效率高、污染小等众多优点，正在被广泛深入地研究。根据化学计量式可知，每生产1mol丁二酸需要固定1mol二氧化碳，即每生产1吨丁二酸至少需要消耗0.37吨二氧化碳。目前丁二酸发酵过程中二氧化碳的补给主要有两种方法：一是直接通入二氧化碳，二是利用碳酸盐(如碳酸钠、碳酸钙或碳酸镁等)。两种方法都需要增加额外的生产成本。
乙醇俗称酒精，不仅是一种非常重要的有机化工原料和溶剂，而且因其可再生和对环境无污染，被认为是可替代石油类不可再生资源的最有发展前景的液体燃料，我国燃料乙醇的市场规模正急剧扩大。在发酵生产乙醇的过程中，会产生大量的废气，废气中95％以上为温室气体CO₂，其对大气环境造成的影响不容忽视。目前主要通过回收CO₂生产液态CO₂、轻质碳酸钙、全降解塑料——聚碳酸亚丙酯树脂，但其回收利用的成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种生产成本低、生产效率高、环境污染小、辅料消耗少的乙醇和丁二酸生产方法。
为达到上述目的，本发明提供一种乙醇和丁二酸的联合发酵方法，其分别在乙醇发酵系统中发酵生产乙醇、在丁二酸发酵系统中发酵生产丁二酸，并将发酵乙醇过程中产生的气体通入发酵生产丁二酸的体系中。
所述发酵生产乙醇的微生物可为酵母菌或细菌。
所述发酵生产丁二酸的微生物可为放线杆菌，厌氧螺菌或重组大肠杆菌等。
所述发酵生产乙醇的底物为淀粉基原料、蔗糖基原料、果糖基原料中的一种或两种及两种以上的混合物。
所述发酵生产丁二酸的底物为淀粉基原料、蔗糖基原料、果糖基原料中的一种或两种及两种以上的混合物。
所述发酵乙醇过程中产生的气体经洗涤、过滤除菌和冷冻压缩后通入发酵生产丁二酸的体系中。
所述洗涤为乙醇发酵尾气经高锰酸钾洗涤收集。
所述经洗涤、过滤除菌和冷冻压缩后的气体99.9％以上为CO₂气体，以1∶(0.1～0.4)的通风比通入发酵生产丁二酸的体系中。
本发明方法将两个重要大宗化学品乙醇和丁二酸的生产体系进行联合，将乙醇发酵过程中产生的CO₂尾气用于丁二酸的发酵生产过程，既有效减少了乙醇发酵过程中CO₂的排放对环境的影响，降低了乙醇发酵生产中尾气处理的成本，又为使丁二酸发酵过程中添加碳酸盐的量大幅度降低，有效降低了丁二酸生产的辅料消耗。
与传统的独立发酵工艺相比，本发明的方法采用联合集成工艺，具有以下特点：
1)两个系统串联，简化了乙醇发酵生产中的CO₂废气处理方法，降低了设备投资和生产成本；
2)乙醇发酵过程中产生的二氧化碳应用与丁二酸发酵，作为合成丁二酸的碳源之一，提高了碳源利用率，降低了丁二酸发酵的原料成本；
3)CO₂的回收利用，降低了乙醇发酵过程中温室气体的排放量，有利于保护环境。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例中所述的百分含量，如果没有特别说明，均为质量百分含量。
实施例1建立乙醇发酵体系
乙醇发酵体系的建立，包括如下步骤：
(1)平板培养
平板培养基的组成为葡萄糖3％，酵母膏0.5％，蛋白胨0.5％，琼脂2％。将酒精酵母菌种接种到该培养基中，33℃培养28小时。
(2)摇瓶种子培养
摇瓶种子培养基的组成为葡萄糖3％，酵母膏0.5％，蛋白胨0.15％，玉米浆0.5％，磷酸二氢钾0.05％，硫酸镁0.06％，自来水配制。
将平板培养的酒精酵母菌种接种到上述摇瓶种子培养基中，33℃培养30小时，摇床转速为200rpm。
(3)种子罐种子培养
种子罐种子培养基的组成为葡萄糖5％，酵母膏0.5％，蛋白胨0.05％，玉米浆0.8％，磷酸二氢钾0.05％，硫酸镁0.06％，自来水配制。
将摇瓶培养的酒精酵母菌种接种到上述种子罐种子培养基中，接种量为10％(v/v)，33℃培养28小时，搅拌转速为220rpm，通风比为1∶0.5。
(4)发酵罐培养
发酵罐中发酵培养基的组成为葡萄糖15％，酵母膏0.2％，玉米浆1％，磷酸氢二钾0.05％，硫酸铵0.05％，磷酸氢二铵0.15％，自来水配制。
将种子罐培养的酒精酵母菌种接种到发酵罐中培养，根据该菌株在生长、代谢的不同阶段对氧气及不同碳源需求量的差异，进行有氧、厌氧两段组合多罐连续发酵技术，采用5L发酵罐，在第一阶段为有氧发酵阶段，无菌空气以通风比为1∶0.4的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为400rpm，维持溶氧浓度(DO)为60～80％，温度控制在31℃，好氧培养8小时。当细胞浓度即光密度(OD)达到20时，进入第二阶段厌氧发酵，温度控制在33～38℃，发酵65小时，乙醇产率达到10.5％，糖醇转化率大于41.5％。
实施例2与乙醇发酵体系联合的丁二酸发酵体系
丁二酸的生产方法，包括以下步骤：
(1)平板培养：将丁二酸生产菌种琥珀酸放线杆菌接种到胰蛋白胨大豆琼脂培养基中，35℃厌氧培养25小时。
(2)摇瓶种子培养：摇瓶种子培养基的组成为葡萄糖2％，酵母膏0.4％，蛋白胨0.2％，玉米浆0.3％，Na₂CO₃0.9％，NaH₂PO₄0.7％，K₂HPO₄1.0％，Na₂HPO₄0.2％，NaCl0.2％，自来水配制。将平板培养的丁二酸菌种接种到装有200ml摇瓶种子培养基的血清瓶中摇瓶培养，35℃培养15小时，摇床转速为180rpm。
(3)种子罐培养：种子罐种子培养基的组成为葡萄糖2％，酵母膏0.4％，蛋白胨0.2％，玉米浆0.3％，Na₂CO₃0.9％，NaH₂PO₄0.7％，K₂HPO₄1.0％，Na₂HPO₄0.2％，NaCl0.2％，自来水配制。将摇瓶培养的丁二酸菌种接种到上述培养基中，接种量为5％(v/v)，在种子罐中厌氧培养，35℃培养18小时，搅拌转速为300rpm，二氧化碳通入量为1∶0.2。
(4)发酵罐培养
将种子罐培养基培养的丁二酸菌种接种到发酵罐中进行厌氧发酵，发酵培养基的组成为葡萄糖浓度11％，酵母膏浓度1.0％，NaAc0.1％，NaH₂PO₄0.02％，K₂HPO₄0.1～0.5％，Na₂HPO₄0.02％，NaCl0.03％，CaCl₂0.02％，MgCl₂0.02％，自来水配制。
发酵过程中流加无菌中和剂碳酸镁将pH值控制在6.5～7.1范围内，同时将实施例1乙醇发酵过程中产生的气体经高锰酸钾洗涤、除菌过滤、冷冻压缩后，得99.9％以上的CO₂气体，以通风比为1∶0.2的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为200rpm，温度控制在37℃，厌氧培养48小时，丁二酸产率达到6.7％。糖酸转化率为67％。
实施例3与乙醇发酵体系联合的丁二酸发酵体系
丁二酸的生产方法，包括以下步骤：
(1)平板培养：将丁二酸生产菌种琥珀酸放线杆菌接种到胰蛋白胨大豆琼脂培养基中，35℃厌氧培养27小时。
(2)摇瓶种子培养：摇瓶种子培养基的组成为葡萄糖2％，酵母膏0.4％，蛋白胨0.2％，玉米浆0.3％，Na₂CO₃0.9％，NaH₂PO₄0.7％，K₂HPO₄1.0％，Na₂HPO₄0.2％，NaCl0.2％，自来水配制。将平板培养的丁二酸菌种接种到装有200ml摇瓶种子培养基的血清瓶中摇瓶培养，35℃培养17小时，摇床转速为180rpm。
(3)种子罐培养：种子罐种子培养基的组成为葡萄糖2％，酵母膏0.4％，蛋白胨0.2％，玉米浆0.3％，Na₂CO₃0.9％，NaH₂PO₄0.7％，K₂HPO₄1.0％，Na₂HPO₄0.2％，NaCl0.2％，自来水配制。将摇瓶培养的丁二酸菌种接种到上述培养基中，接种量为5％(v/v)，在种子罐中厌氧培养，35℃培养20小时，搅拌转速为300rpm，二氧化碳通入量为1∶0.2。
(4)发酵罐培养
将种子罐培养基培养的丁二酸菌种接种到发酵罐中进行厌氧发酵，发酵培养基的组成为葡萄糖浓度11％，酵母膏浓度1.0％，NaAc0.1％，NaH₂PO₄0.02％，K₂HPO₄0.1～0.5％，Na₂HPO₄0.02％，NaCl0.03％，CaCl₂0.02％，MgCl₂0.02％，自来水配制。
发酵过程中流加无菌中和剂碳酸镁将pH值控制在6.5～7.1范围内，同时将实施例1乙醇发酵过程中产生的气体经高锰酸钾洗涤、除菌过滤、冷冻压缩后，得99.9％以上的CO₂气体，以通风比为1∶0.2的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为200rpm，温度控制在37℃，厌氧培养52小时，丁二酸产率达到6.9％。糖酸转化率为68％。
实施例4与乙醇发酵体系联合的丁二酸发酵体系
丁二酸的生产方法，包括以下步骤：
(1)平板培养：将丁二酸生产菌种琥珀酸放线杆菌接种到胰蛋白胨大豆琼脂培养基中，35℃厌氧培养23小时。
(2)摇瓶种子培养：摇瓶种子培养基的组成为葡萄糖2％，酵母膏0.4％，蛋白胨0.2％，玉米浆0.3％，Na₂CO₃0.9％，NaH₂PO₄0.7％，K₂HPO₄1.0％，Na₂HPO₄0.2％，NaCl0.2％，自来水配制。将平板培养的丁二酸菌种接种到装有200ml摇瓶种子培养基的血清瓶中摇瓶培养，35℃培养16小时，摇床转速为180rpm。
(3)种子罐培养：种子罐种子培养基的组成为葡萄糖2％，酵母膏0.4％，蛋白胨0.2％，玉米浆0.3％，Na₂CO₃0.9％，NaH₂PO₄0.7％，K₂HPO₄1.0％，Na₂HPO₄0.2％，NaCl0.2％，自来水配制。将摇瓶培养的丁二酸菌种接种到上述培养基中，接种量为5％(v/v)，在种子罐中厌氧培养，35℃培养17小时，搅拌转速为300rpm，二氧化碳通入量为1∶0.2。
(4)发酵罐培养
将种子罐培养基培养的丁二酸菌种接种到发酵罐中进行厌氧发酵，发酵培养基的组成为葡萄糖浓度11％，酵母膏浓度1.0％，NaAc0.1％，NaH₂PO₄0.02％，K₂HPO₄0.1～0.5％，Na₂HPO₄0.02％，NaCl0.03％，CaCl₂0.02％，MgCl₂0.02％，自来水配制。
发酵过程中流加无菌中和剂碳酸镁将pH值控制在6.5～7.1范围内，同时将实施例1乙醇发酵过程中产生的气体经高锰酸钾洗涤、除菌过滤、冷冻压缩后，得99.9％以上的CO₂气体，以通风比为1∶0.2的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为200rpm，温度控制在37℃，厌氧培养53小时，丁二酸产率达到6.9％。糖酸转化率为68.5％。
注：本发明中所采用的纤维素酶、木聚糖酶、酒精酵母菌种、酒精细菌菌种、琥珀酸放线菌种、琥珀酸厌氧螺菌或重组大肠杆菌等均为常规使用的产品，可市售获得。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。