一种生产生物油脂和生物柴油的方法技术

本发明专利技术涉及生物能源领域，具体地说是一种生产生物油脂和生物柴油的方法，以海洋滩涂植物大米草为原料，采用酵母工程菌将大米草分步糖化发酵生产生物油脂和生物柴油。本发明专利技术是一种由海洋滩涂植物大米草经酸水解产糖后利用微生物中的酵母工程菌发酵转化为油脂或柴油的新工艺，该工艺产油率高、转化快，在变废为宝和环境保护等方面具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物能源领域，具体地说是，以海洋滩涂植物大米草作为原料，采用酵母工程菌将大米草分步糖化发酵的方法，把海滩的有害植物材料变为生物能源-柴油和油脂，是一种变废为宝和环境保护相结合具有重大的经济和社会效益的新工艺技术。
技术介绍
大米草(S.anglica)，英文名common cordgrass，是互花米草(S.alterniflora)和狐米草(S.patens)的杂交种，原产英国南海岸，大米草株高20～50cm，最高的可达100cm。根系发达，基部腋芽可长出新蘖和地上茎，蔓延生长，耐盐、耐淹性强，能在其他植物不能生长的海滩中潮带生长。早期，大米草被宣传报道为可抗较大风浪，具有促淤造陆，保护海堤，提高海滩土壤肥力的作用的先锋植物和优良的牧草饲料。于是全球各地都开始大规模引种，致使大米草在全球范围迅速蔓延，现已变为一种全球性草害我国的大米草是于1963年从英国引进，至今已有40余年的历史。首先在江苏海滨试种，用于沿海护堤和改良土壤，同时生产饲料和造纸原料。到1981年底我国南起广西合浦县北至辽宁锦西县共有3.6万hm2大米草。近年来，大米草在福建、广东、江苏、山东等沿海地区疯狂扩散，其覆盖面积越来越大，已经到了难以控制的局面，严重影响沿海的养殖业的发展。因此给我国的沿海经济和生态带来了严重问题。大米草严重威胁我国海岸生态安全，现已属国家公布的第一批16种外来入侵物种。随着现代工业的发展和世界人口的激增，能源危机日趋加剧。目前，世界各国纷纷展开新能源，特别是可再生生物能源的研究与开发。生物柴油是最重要的可再生能源产品之一，其化学成分主要是长链脂肪酸的低碳酯。国内外有关以稻草、秸秆为主的木质纤维素原料水解成可发酵糖，利用微生物发酵生产油脂和生物柴油、生物乙醇等。而以大米草为原料的尚未见报道，大米草的主要成分纤维素半纤维素约占60％，可作为一种生产生物柴油的丰富资源，同时对这种具有灾害性的入侵物种的利用能起到变废为宝和保护环境的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种有效的、水解时间短、糖化发酵效率高的利用大米草分步糖化发酵生产生物油脂和生物柴油的方法。方法原理大米草主要是由纤维素、半纤维素组成，约占生物质干重的60％～70％。木质纤维素的结构较复杂，细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构，纤维素镶嵌其中。在酸作用下半纤维素非常容易被水解成五碳糖，纤维素的晶体结构被破坏进一步糖苷键断裂水解成六碳糖及其他可发酵糖。而产油微生物在发酵培养基(大米草水解液)中碳源充足而某些营养成分(特别是氮源)缺乏时，菌体细胞分裂速度锐减，代谢活动转为以消耗碳源并以合成和积累油脂为主。在油脂积累期，微生物基本上不再进行细胞繁殖，而是将过量的碳水化合物转化为油脂。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为，以海洋滩涂植物大米草为原料，采用酵母工程菌将大米草分步糖化发酵生产生物油脂和生物柴油。具体过程如下1)糖化过程在浓酸低温常压下大米草中的纤维素、半纤维素水解成五、六碳糖及其它可发酵糖。将经干燥、粉碎后的大米草于无机浓酸水溶液中在恒温水浴、机械搅拌条件下水解；反应完毕加水稀释后用碱液中和至中性，再用循环水式真空泵抽滤抽滤进行固液分离，或用浓H3PO4回调pH至6.0，抽滤去Ca3(PO4)2沉淀；然后用蒽酮法测定水解液中可溶性总糖的含量，用旋转蒸发仪浓缩水解液备用；具体为，A.将大米草经过清洗、切短、烘干、粉碎并过筛获得20～60目颗粒；B.按照固形物的重量含量为5～12.5％加入重量浓度10～80％的无机浓酸(如硫酸)，40～120℃水解1～4小时；力求在最佳水解条件下得最大的糖产率；C.水解液用碱调至中性，进行固液分离，滤液浓缩作为微生物发酵液于4℃冷藏备用。2)发酵过程以10％的重量接种量将产油酵母的液体种子培养液接种于经110～121℃灭菌后的大米草水解液中，于28℃～30℃、180～200r/min的条件下，摇床培养48～96小时；发酵结束后测定菌体的生物量、油脂量和残糖；具体为，A.将新鲜斜面上长好的产油菌株接种于液体种子培养基中，于28℃～30℃、180～200r/min摇床培养20～48小时；B.以10％接种量接种于发酵培养基(经110～121℃灭菌后的大米草水解液)中，在相同的条件下摇床培养48～96小时；(此发酵条件对后期油脂的形成起到关键作用) C.发酵结束后测定菌体的生物量、油脂量和残糖；或用索氏脂肪测定仪测定每株菌发酵后相应干重的含油量，然后计算得出产油率。3)菌体和油脂分离，得生物油脂；生物油脂进行转酯化便可得到生物柴油。本专利技术具有如下优点1.工艺简单。本专利技术从大米草分步糖化发酵的角度出发，以无机酸(如硫酸)对大米草中的纤维素、半纤维素进行水解，再利用产油微生物发酵将碳水化合物转化为油脂；实现了大米草分步糖化发酵生产生物油脂和生物柴油的过程。2.糖化率高，糖的回收率和利用率高。本专利技术选用购买的圆红冬孢酵母产油菌株进行摇瓶发酵实验，能较好地利用大米草水解液里的主要单糖(葡萄糖、木糖和阿拉伯糖)转化为油脂贮存在体内，菌体油脂含量高达47.9％；发酵结束得到油脂，油脂经转酯化就可得到柴油的主要成分；以10％接种量接种于发酵培养基中，摇床培养96小时，发酵结束得到7.75％生物柴油(按大米草原料干基计算)。3.生产成本低，经济效益好。本专利技术是一种由海洋滩涂植物大米草经酸水解产糖后利用微生物中的酵母工程菌发酵转化为油脂或柴油的新工艺，该工艺产油率高、转化快，在变废为宝和环境保护等方面具有广阔的应用前景。4.社会效益显著。本专利技术方法对大米草浓酸水解提取可发酵糖，并通过产油微生物发酵将碳水化合物转化为油脂，再进行转酯化变可得生物柴油，能缓解化石燃料短缺所带来的能源危机。附图说明图1为本专利技术用大米草分步糖化发酵生产生物油脂和生物柴油的工艺流程图。具体实施例方式实施例1原料大米草于2005年9月底采集于江苏沿海，其主要成分含量为半纤维素23.28％，纤维素35.18％。1)将大米草清洗、切短、烘干、粉碎并过筛取小于20目的部分；按照固液比1∶10的比例(质量∶体积)加入重量浓度60％的硫酸，50℃水浴并搅拌1小时；2)反应完毕后将其用水稀释，并加入适量的Ca(OH)2调至中性，进行固液分离，采用蒽酮比色法测可溶性总糖含量；3)将所得到的滤液浓缩作为微生物发酵液；4)将新鲜斜面上长好的产油菌株接种于液体种子培养基中，于28℃、180r/min摇床培养20～24小时；以(固体为重量、液体为体积的固液比)10％接种量接种于微生物发酵液(经121℃灭菌后的大米草水解液)中，在相同的条件下摇床培养96小时；所述产油菌株为圆红冬孢酵母As2.1389，购自中国普通微生物菌种保藏中心；(其中As2.1389是1992年中国微生物菌种保藏管理委员会主编的微生物菌种资料中的编号，该资料在2003年又出了增刊改名为中国普通微生物菌种保藏中心)培养基a)菌种保藏培养基(1L)酵母粉2～14g，胰蛋白胨10～20g，琼脂粉16～30g；b)YEPD培养基(g/L)组成葡萄糖10～30，酵母粉5～16，蛋白胨8～15，pH5.8～6.0；固体培养基在YEPD基础上加入15g琼脂粉；液体种子培养基(g/L)组成葡萄本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产生物油脂和生物柴油的方法，其特征在于：以海洋滩涂植物大米草为原料，采用酵母工程菌将大米草分步糖化发酵生产生物油脂和生物柴油。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫，陈慧清，秦松，赵宗保，沈珺珺，杨庆利，金美芳，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：91[]