丁醇的发酵

丁醇发酵菌种：丙酮丁醇梭菌条件：厌氧条件原料：淀粉或糖产物：正丁醇丙醇丁醇梭菌基本特点：一种革兰氏染色阳性、细胞呈梭状、细胞大小（0.6~0.9）μm×（2.4~4.7）μm，常含细菌淀粉粒，以周生鞭毛运动。表面菌落圆形、突起，直径3~5mm,边缘不规则，色灰白，半透明，表面有光泽。严格厌氧，能分解蛋白质和糖类；生物素和对氨基苯甲酸做生长因子。产生大量的丙酮、丁醇和乙醇等溶剂，是重要的工业发酵菌种。广泛分布于土壤和谷物等种子表面。代谢机理产酸期发酵起始阶段，PH6.0~7.0，合成代谢分解代谢的进行产生大量丁酸和乙酸，伴随PH降低到5.0产生气体二氧化碳，氢气。发酵液酸度急剧上升。主产物：乙酸、丁酸。产溶剂期产溶剂期丙酮丁醇梭菌生长处于稳定期，发酵液的还原倾向增强，乙酸、丁酸等被还原成丙酮、丁醇等新的产物，PH上升，进入产溶剂期。主产物：丙酮、丁醇产酸期代谢乙酰-CoA在硫激酶，3-羟基丁酰-CoA脱氢酶、巴豆酶和丁酰-CoA脱氢酶4种酶的催化下生成丁酰-CoA，然后经磷酸丁酰转移酶(PTB)催化丁酰-CoA生成丁酰磷酸盐，最后丁酰磷酸盐经丁酸激酶去磷酸化，生成丁酸。五碳糖也可以被丙酮丁醇梭菌利用，通过磷酸戊糖途径(HMP)，转化为6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛，进入EMP途径。产溶剂期代谢在乙酸的转化过程中，乙酸首先转变为乙酰-CoA，接着2分子的乙酰-CoA在乙酰乙酰-CoA的催化下，合成乙酰乙酰-CoA，最后乙酰乙酰-CoA在乙酰乙酰脱羧酶的作用下水解为乙酰乙酸。丁醇的合成则是丁酸在乙酰乙酰-CoA转化成丁酰-CoA，接着在丁酰-CoA作用下转化成丁醛，最后在丁醇脱氢酶的催化下生成丁醇。丁醇发酵经历二个阶段：产酸和产醇阶段。在产酸阶段，细胞处于指数生长期，产生大量的乙酸和丁酸，导致pH下降。当pH5，丁酸浓度大于2g/l,，激发梭菌从产酸过程转入产醇过程。此时，细胞处于稳定期，将乙酸和丁酸转化为丁醇和乙醇。发酵时采用两段法发酵工艺通过投加丁酸和葡萄糖为碳源，在适当的条件下，可发酵丁酸产生丁醇。这样不仅减少了其它副产物的产生如乙醇、丙酮等，又提高了底物的利用率，也为丁醇回收的后续处理提供方便。发酵液中产物的分离提取方法沉淀法：有机溶剂沉淀法、等电点沉淀法、盐析法、聚电解质沉淀法、非离子型聚合物沉淀法等。吸附法：物理吸附，化学吸附。膜分离法：膜分离技术主要可以分为反渗透法（RO）、超滤法（UF）、微滤法（MF）、渗透汽化法（PV）、纳米滤法（NF）、渗析（DL）和电渗析法（ED）等。萃取法：溶剂萃取，双水相萃取发酵丁醇的分离利用棕榈油甲酯作为原位萃取剂能提高丁醇的生产强度。利用生物柴油的多样性使得开展以各种不同的生物柴油为萃取剂的丙酮丁醇发酵成为可能，此法也可提高丁醇的发酵强度。是目前较为常用的效率较高毒副作用较小的方法。发酵丁醇的分离发酵萃取技术日本学者田谷正仁提出了发酵萃取技术，这是一个将发酵与分离相结合的新工艺，其优势是解除了丁醇对微生物的毒性，及时将产出的微生物从发酵液中分离出去，同时使发酵过程由间歇操作改为连续操作，提高产率。同时萃取想可经过精馏或反萃取使溶剂再生而循环使用，降低了工业化的成本。发酵丁醇的分离发酵丁醇的分离由上面实验得出结论在丁醇发酵萃取工艺中可选择油醇和C-20萜烯醇，其综合性能最强。且重复性能高，发酵产量较传统工艺高出两倍。丙酮-丁醇发酵耦合技术的比较吸附法成本较高、操作复杂、选择性差且易受发酵液污染，能耗较高,选择性较差。而渗透汽化选择性能好、易操作、能耗低，但其可选择的膜种类较少，通量低，相比于气提和液液萃取易受发酵液颗粒的污染和堵塞。为了解决以上所涉及的问题，现代工艺提出渗透汽化-发酵耦合工艺的研究。所用到的构造分离一发酵耦合生物反应器的膜有：HTPB-PU：疏水性端羟基聚丁二聚氨酯PDMS／PVDF复合膜：中空纤维复合膜。将PDMS(tetraethylorthosilicate)／PVDF膜组件分别与丙酮．丁醇间歇发酵和流加发酵耦合，通过考察膜分离消除丙酮．丁醇发酵产物抑制作用、膜分离对于丙酮丁醇发酵的糖利用率、溶剂产率和溶剂产量等方面的影响。最终得到以下结论：建立了渗透汽化．间歇发酵分离耦合反应体系，以PDMS(tetraethylorthosilicate)／PVDF为基质的膜组件与丁醇间歇发酵耦合，与间歇发酵相比，耦合分离反应体系的总溶剂产率从O．199r1h．1提高到0．44glJh．1，在分离发酵耦合期间(53—65h)，葡萄糖的利用率由0．49gl。1h．1提高到0．75g14h-1，葡萄糖消耗速率提高了45．9％。此方法目前仍然停留在实验室阶段，有许多问题仍然有待于解决，其中问题最为突出的部分是膜通透性的限制，其成本，分离效能的高效性等方面。此外还有一些高效的分离方法如排斥萃取分离正丁醇-丙酮-水体系,NaAc、MgC12、Na2CO3等盐类可在常温下打破正丁醇一丙酮一水体系的液一液平衡，明显改变其互溶度．复合萃取剂可大幅度地增大正丁醇和丙酮在两相的分配系数和选择性系数，可达到分离提浓各组分的目的。发酵丁醇的新发现异丁醇异丁醇在我国是少有的几类稀缺产品之一，其用途十分广泛。异丁醇是合成增塑剂、防老剂、人工麝香、果子精油和药物的重要原料，也是生产涂料、清漆的重要配料，随着下游市场的不断拓展，市场用途日益广泛。目前，我国丁醇主要用于生产增塑剂邻苯二甲酸二异丁酯，占总消费量的50%～60%，其他则用于生产异丁酯，并可以替代正丁醇用于家具、汽车喷漆以及塑料涂膜等领域。其性能更加优越。发酵丁醇的意义意义：丁醇的碳和氢含量更高，因此它的脂溶性较好，可以更好的混合于汽油以及碳氢化合物。同时，丁醇具有很高的能量密度。由于蒸汽压力低，腐蚀性小，能够在炼油厂进行混合，并通管道输送，因此，丁醇作为生物燃料使非常的便利。此外，丁醇的挥发性与汽油和乙醇相比很低，安全性较高。研究表明，在内燃机中燃烧时，丁醇只产生二氧化碳和水，因而丁醇作为燃料使用更加清洁环保。发酵丁醇存在问题生物发酵的抑制作用，与乙醇相比，丁醇的产率要低得多，这意味着需用较大量的蒸发、加热、冷却等设施，能源和投资费用。以及在丁酸生物发酵过程中常产生对原料预处理后产生许多对丁醇发酵微生物有毒性作用抑制物的问题。问题的解决采用活性炭吸附、碱石灰调节、离子交换树脂吸附、负压蒸发等手段，实现抑制物的分离。往往将几种脱除方法联合使用，缺点是增加了生物丁醇的生产成本。利用菌种筛选的方法，培育高效的抑制物耐性菌株。诱变育种是以人工诱变基因突变为基础的，是有效的菌种改良方法。国内对丙酮丁醇梭菌的菌株改良，主要还是用传统的诱变方法。目前，丙酮−丁醇发酵主要的菌种选育手段是诱变育种。目前菌种的筛选主要集中在耐丁醇梭菌的选育上。谢谢