乙醇发酵废液的丁醇发酵研究

摘要 通常酒精发酵废液中含有2%左右的还原性糖，为了减少这些糖类损失，我们利用丙酮丁醇菌种能够发酵淀粉和糖蜜的特性，在原来的废液中加入适量的新鲜的淀粉原料，配制成培养基，发酵后得到乙醇、丙酮、丁醇等产品。该研究能够使发酵废液中的还原性糖从2%降低到0.3%，充分利用了废液中的糖类原料，降低了发酵成本和污水处理成本，同时又节约了水资源。

关键词 发酵废液；还原性糖；丁醇；发酵；木薯

中图分类号TQ92 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）56-0104-02

The Research of Butanol Fermentation using Ethanol Fermentation Waste Liquid

Henan Tianguan Enterprise Group Co., Ltd., Nanyang 473000

Abstract As a rule, ethanol fermentation waste liquid contain about 2% reductive sugar.

we confect culture medium in which about 6% sugar, accessioning condign corn flour or tapioca to Ethanol fermentation waste liquid. We get Ethanol，acetone，butanol by the A-B-E fermentation. The reductive sugar in the Ethanol fermentation waste can be reduced to 0.3% from 2% in this way. The Clostridium acetobutylicum utilizes the reductive sugar in the ethanol fermentation waste. We reduce the cost of fermentation and economize water.

Keywords fermentation waste liquid ; reductive sugar; Butanol ; ferment，tapioca

随着我国工业化进程的加快，高增长的经济与能源供应能力的落差正日益明显，能源紧缺成为我国可持续发展最大障碍，因此发展可再生能源成为最好选择，短短几年时间，燃料乙醇以超乎寻常的发展速度，成为中国替代能源的主力军。

目前燃料乙醇的获得就是靠发酵法生产乙醇[5]，然后经过蒸馏、脱水、变性，添加到汽油里面使用，每生产1t燃料乙醇就要产生10t左右高浓度的发酵废液。一般企业的发酵废液的处理采用物理-化学处理法[4]、生物处理法、浓缩煅烧法，其中生物处理法比较成功，如活性污泥法、厌氧甲烷发酵法等，但是这些方法都需要大量的投资和生产费用，得到的产品的附加值不是很高。

本实验结合河南天冠企业集团有限公司的实际情况，以乙醇发酵废液作为工艺水，添加适量的玉米粉或者木薯，作为丙酮丁醇菌种的培养基，生物发酵生产丙酮、丁醇，变废为宝，既节约了丙丁发酵的玉米粉和木薯的使用量，降低了成本，又节约了用水量。

1 试验机理

乙醇废液中含有2%左右的还原性糖，主要是葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和纤维二糖，其中酵母菌不能够利用木糖和阿拉伯糖，丙酮丁醇菌种能够利用这类糖；丙酮、丁醇发酵需要糖液浓度为6%左右和少量的氮源，乙醇废液中的酵母残体提供的氮源能够满足丙酮、丁醇发酵，那么能够节省1/3左右的原料和1/5左右的水资源。

1.1 实验材料和设备

乙醇发酵废液 天冠集团

安捷伦1200高效夜相色谱 安捷伦公司

安捷伦6890气相色谱 安捷伦公司

所用化学试剂均为国产分析纯，气相色谱仪所用试剂为色谱试剂。

1.2 实验方法

1.2.1 原料预处理

1）发酵废液预处理

取适量的发酵废液，使用40%（M/V）的NaOH溶液将发酵液的pH调节到6.5左右。

2）发酵液中各种糖类测定

取50mL中和后的发酵废液，加入50mL的蒸馏水和5mL浓盐酸，100℃水浴45min，定容到250mL，过滤后取2mL溶液，15 000转离心，送液相色谱检测。

3）玉米粉（木薯）中各糖类的测定

取2g玉米粉（木薯），加入100mL的蒸馏水和5ml浓盐酸，100℃水浴45min，定容到500mL，过滤后取2mL溶液，15 000转离心，送液相色谱检测。

1 000g发酵废液和原料中的糖的组分：单位：g

1.2.2 培养基的制备工艺

取适量的废液和一定量的玉米粉（木薯），混合拌匀后，在沸水中煮沸糊化，保持45min，分装500mL三角瓶，121℃蒸汽灭菌30min，提供接种使用，在培养基的制备过程中，总糖含量控制在60g/L。

2 实验方案的设计

2.1 玉米培养基中添加不同废液量对发酵结果的影响

废液的添加量是本实验的关键数据，实验过程中废液的添加量分别为50%、80%、100%，配比过程中保证废液中所含糖量不低于15g/L。接种后在培养箱中发酵48小时，使用色谱检测发酵废液中的各组分：单位：通过实验可以看出，酒精发酵后的发酵废液，经过再次制备培养基后，经过丙酮丁醇菌种的发酵，从原来的24.95g/L降低到3.6g/L，充分利用了废液中的大部分糖类，使废液中的糖类得到了新的转化。

2.2 酒精糟液中添加不同原料对发酵的影响

对玉米和木薯原料进行了发酵试验，经过试验发现玉米和木薯发酵结果不很相同，玉米原料的平均溶剂总量在18g/L~20g/L，木薯原料的平均溶剂总量在15g/L~17g/L，说明玉米的营养成分比木薯更适合丙酮丁醇菌种的生长。

2.3 氮源对发酵的影响

通过上面试验可知道，木薯原料发酵的效果不如玉米好，通过对二者的营养检测发现主要问题在于木薯的碳/氮比例不合理，氮源含量低，因此我们作了很多的氮源实验，主要包括醋酸铵、硫酸铵、硝酸铵、硝酸钠、尿素等无机氮源以及豆粕粉、玉米浆、麸皮等有机氮源。

有机氮源中玉米浆发酵效果不是很好；豆粕粉和麸皮作为添加原料，发酵结果比较理想（木薯用量保持培养基中含糖量为6%左右）：

通过试验证明薯类原料加入1.5%豆粕粉进行发酵能够达到纯玉米发酵的水平，并且丁醇含量也比较高。

说明加入1%的麸皮用量能够改善原料的营养基础，使薯类作物完全被丙酮丁醇菌种利用，溶剂总量有很大提高，可能归根于麸皮里的蛋白质和各种氨基酸。

2.4 pH调节对提发酵的影响

由于酒精发酵废液的pH值通常都很低，对于丙酮丁醇菌种来说pH的调节也很重要，pH值过低影响发酵，pH值过高，加入NaOH或者Ca（OH）2的量就比较大，投入的成本也就比较高，因此我们在pH值的调节上进行了发酵试验，通过实验可知，发酵废液的pH调节到6.0左右基本上能够满足发酵，通常进行调节的时候pH可控制在6.0~6.5之间从经济上和操作可行性上都能够满足要求。

3 结论

本实验在利用酒精发酵废液中所含糖的基础上，通过加入适量的新鲜淀粉原料，重新发酵得到新产品，该工艺的理论基础是：不同生物种群对于事物中所含有的物质的利用是不同的，某类物种生产的废物可以作为另一类物种的原料，该理论不仅仅适用于酒精发酵废物的再利用，也可以适用于一切发酵废物的再利用，只要我们找到两种适合的物种。

参考文献

[1]陈P声.现代工业微生物[M].上海科学技术出版社，1979.

[2]郭质良.溶剂发酵化学[M].台湾商务印书馆，1983.

[3]陈P声，陆祖祺.发酵法丙酮和丁醇生产技术[M].化学工业出版社，1991.

[4]张毅.淀粉发酵废水处理技术进展[M].工业水处理，1987(3).

[5]华南工学院.酒精与白酒工艺学[M].北京轻工出版社，1982.