丁醇的发酵控制
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梭菌辅因子扰动
丙酮-丁醇发酵过程中存在许多辅因子，它们有的 能够促进丁醇生产，有的却对丁醇产生很大干扰， 这些辅因子（包括ATP/ADP,NADH/NAD+等）在微生 物代谢系统中广泛存在。它们在发酵过程中几乎 为全部生化反应提供能量、还原力，所以具有掌 控全局的效应。正因为如此,丙酮-丁醇梭菌辅因 子的研究意义十分重大。
水解液的脱毒目前常用的脱毒方法有物理法、化 学法和生物法。
物理法主要有旋转蒸发、活性炭吸附、交换树脂等。
其中旋转蒸发适合乙酸、糠醛等易挥发性物质的去除。 活性炭吸附主要依靠吸附作用除去部分木素降解物及其他毒害 物质，木素衍生物的去除率为30%~92.3%[37-39]。但废弃活性 炭的回收再利用仍是一个问题。 交换树脂既可以除去无机离子又可除去水解液中大部分糠醛、 醋酸、木素降解物，而且树脂可再生，可有效降低成本。
发酵的调控
为了更好地发展丙酮-丁醇工艺，可以减少副产物对 发酵的抑制作用，对发酵条件进行优化，或者增加 对发酵过程中辅因子的调节。 • 抑制剂对发酵的影响及脱毒 • 发酵条件优化 • 梭菌辅因子扰动
抑制剂的种类及对发酵的影响
• 纤维原料经预处理酶解后，生成可发酵糖的同时也生成了 一定量的发酵抑制物。这些抑制剂的存在会破坏细胞膜的 稳定性，细胞功能遭到破坏。主要包括有机酸、醛类、酚 类化合物。 • 这些水解副产物如酸类物质（乙酸）、醛类物质（糠醛）、 酚类物质（香豆酸）、盐类物质（Na2SO4、NaCl）在超过 一定浓度时对丁醇发酵菌株的生长与发酵均有显著的抑制 作用。抑制物的种类及产生的多少随原料和预处理方式的 不同而改变。
• 化学法是通过化学沉淀、改变pH值及一些抑制物的电离特 性从而达到降低毒性的目的，目前常用且效果较好的是氢 氧化钙过中和法。 • 生物法是用特定的酶或微生物作用于发酵抑制物，通过改 变抑制物的结构而降低毒性，可分为酶处理法和微生物处 理法。
实际应用中单一方法难以满足发酵需求，通常是各种方法取 长 补短，综合利用。用氢氧化钙过中和、旋转蒸发、活性 炭吸附脱毒3种方法相结合，可有效去除乙酸、糠醛、HMF 等物质，使发酵顺利进行，将脱毒后液体进行木糖醇发酵时， 木糖醇的产量达到了39.5g/L。
发酵条件优化
• 对于不同的菌株所需培养的外界条件不同，为了使菌株产 量达到最大化，必须寻找最佳培养条件，使高产基因有效 表达。 • 培养条件的影响因素包括多种，如最适pH和比较完善的 培养系统等，都能影响丙酮-丁醇产量。
Jiang等发现pH是梭状芽胞杆菌生产丙酮、丁醇、 乙醇过程中的一个重要影响因素。 在这项研究中，梭状芽胞杆菌在不同pH值从4.9 到6.0下进行分批发酵，在pH值为5.5时，ABE产 量逐渐占优势，其最大浓度达到24.6 g·L-1 (15.7 g·Lof-1丁醇、8.63 g·L-1的丙酮和 0.32 g·L-1的乙醇)，此过程历经36 h消费60 g·L-1葡萄糖。与pH不受控制的情况相比，丙 酮-丁醇产量大大提高。除了培养条件之外，培 养系统也能影响丁醇生产效率。Wang等开发出 一种培养系统，该系统利用不同微生物的特定 代谢能力直接产生丁醇。该研究主要目的在于 寻找互补的微生物进行丁醇生产，结果发现， 新的微生物团体N3和菌株c celevecrescens N3-2能有效降解纤维素和产生大量的丁醇。由 此可知，通过改变发酵过程的培养条件，营造 适宜的转化环境，可以从很大程度上推动丁醇 的发酵效率增加。
• ATP主要参与底物水平磷酸化和氧化磷酸化，是在线粒体 中完成ATP合成，可以通过调节电子传递链以及氧气供给 量来影响ATP，进而影响丁醇产量。因此，利用一系列酶 的作用，对电子传递链的活性进行调控，可以影响ATP合 成。 • 另外，NADH/NAD+氧化还原力调控在调节微生物代谢方面 起着至关重要的作用，它一般分为外源生化过程和内源基 因工程手段对氧化还原力进行调控。例如，Yang等利用外 源调节发酵过程中的还原力，通过人工控制溶解氧和酶物 质，效价提高到102.3 g·L-1，收益率是0.44 g·g-1， 以及丁醇生产力达到1.16 g·L-1·h-1。Li等通过内源调 节把烟酸（NADH和NADPH的前体）加入野生型梭状芽孢杆 菌的生长介质中，细胞生长速率和丁醇生成速率大大增加。 控制胞内能量和还原力供应能有效地改变微生物发酵过程 中的代谢途径，也可以促进微生物最大化地合成目标产物， 增加代谢速率，提高微生物发酵的经济性和竞争力。
梭菌辅因子扰动
丙酮-丁醇发酵过程中存在许多辅因子，它们有的 能够促进丁醇生产，有的却对丁醇产生很大干扰， 这些辅因子（包括ATP/ADP,NADH/NAD+等）在微生 物代谢系统中广泛存在。它们在发酵过程中几乎 为全部生化反应提供能量、还原力，所以具有掌 控全局的效应。正因为如此,丙酮-丁醇梭菌辅因 子的研究意义十分重大。
水解液的脱毒目前常用的脱毒方法有物理法、化 学法和生物法。
物理法主要有旋转蒸发、活性炭吸附、交换树脂等。
其中旋转蒸发适合乙酸、糠醛等易挥发性物质的去除。 活性炭吸附主要依靠吸附作用除去部分木素降解物及其他毒害 物质，木素衍生物的去除率为30%~92.3%[37-39]。但废弃活性 炭的回收再利用仍是一个问题。 交换树脂既可以除去无机离子又可除去水解液中大部分糠醛、 醋酸、木素降解物，而且树脂可再生，可有效降低成本。
发酵的调控
为了更好地发展丙酮-丁醇工艺，可以减少副产物对 发酵的抑制作用，对发酵条件进行优化，或者增加 对发酵过程中辅因子的调节。 • 抑制剂对发酵的影响及脱毒 • 发酵条件优化 • 梭菌辅因子扰动
抑制剂的种类及对发酵的影响
• 纤维原料经预处理酶解后，生成可发酵糖的同时也生成了 一定量的发酵抑制物。这些抑制剂的存在会破坏细胞膜的 稳定性，细胞功能遭到破坏。主要包括有机酸、醛类、酚 类化合物。 • 这些水解副产物如酸类物质（乙酸）、醛类物质（糠醛）、 酚类物质（香豆酸）、盐类物质（Na2SO4、NaCl）在超过 一定浓度时对丁醇发酵菌株的生长与发酵均有显著的抑制 作用。抑制物的种类及产生的多少随原料和预处理方式的 不同而改变。
• 化学法是通过化学沉淀、改变pH值及一些抑制物的电离特 性从而达到降低毒性的目的，目前常用且效果较好的是氢 氧化钙过中和法。 • 生物法是用特定的酶或微生物作用于发酵抑制物，通过改 变抑制物的结构而降低毒性，可分为酶处理法和微生物处 理法。
实际应用中单一方法难以满足发酵需求，通常是各种方法取 长 补短，综合利用。用氢氧化钙过中和、旋转蒸发、活性 炭吸附脱毒3种方法相结合，可有效去除乙酸、糠醛、HMF 等物质，使发酵顺利进行，将脱毒后液体进行木糖醇发酵时， 木糖醇的产量达到了39.5g/L。
发酵条件优化
• 对于不同的菌株所需培养的外界条件不同，为了使菌株产 量达到最大化，必须寻找最佳培养条件，使高产基因有效 表达。 • 培养条件的影响因素包括多种，如最适pH和比较完善的 培养系统等，都能影响丙酮-丁醇产量。
Jiang等发现pH是梭状芽胞杆菌生产丙酮、丁醇、 乙醇过程中的一个重要影响因素。 在这项研究中，梭状芽胞杆菌在不同pH值从4.9 到6.0下进行分批发酵，在pH值为5.5时，ABE产 量逐渐占优势，其最大浓度达到24.6 g·L-1 (15.7 g·Lof-1丁醇、8.63 g·L-1的丙酮和 0.32 g·L-1的乙醇)，此过程历经36 h消费60 g·L-1葡萄糖。与pH不受控制的情况相比，丙 酮-丁醇产量大大提高。除了培养条件之外，培 养系统也能影响丁醇生产效率。Wang等开发出 一种培养系统，该系统利用不同微生物的特定 代谢能力直接产生丁醇。该研究主要目的在于 寻找互补的微生物进行丁醇生产，结果发现， 新的微生物团体N3和菌株c celevecrescens N3-2能有效降解纤维素和产生大量的丁醇。由 此可知，通过改变发酵过程的培养条件，营造 适宜的转化环境，可以从很大程度上推动丁醇 的发酵效率增加。
• ATP主要参与底物水平磷酸化和氧化磷酸化，是在线粒体 中完成ATP合成，可以通过调节电子传递链以及氧气供给 量来影响ATP，进而影响丁醇产量。因此，利用一系列酶 的作用，对电子传递链的活性进行调控，可以影响ATP合 成。 • 另外，NADH/NAD+氧化还原力调控在调节微生物代谢方面 起着至关重要的作用，它一般分为外源生化过程和内源基 因工程手段对氧化还原力进行调控。例如，Yang等利用外 源调节发酵过程中的还原力，通过人工控制溶解氧和酶物 质，效价提高到102.3 g·L-1，收益率是0.44 g·g-1， 以及丁醇生产力达到1.16 g·L-1·h-1。Li等通过内源调 节把烟酸（NADH和NADPH的前体）加入野生型梭状芽孢杆 菌的生长介质中，细胞生长速率和丁醇生成速率大大增加。 控制胞内能量和还原力供应能有效地改变微生物发酵过程 中的代谢途径，也可以促进微生物最大化地合成目标产物， 增加代谢速率，提高微生物发酵的经济性和竞争力。