发酵工艺 案例4 丁醇的发酵

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
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pH<5，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
发丁醇的分离
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。
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。
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。
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(tetraethyl orthosilicate)／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(tetraethyl orthosilicate)／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．199 r1 h．1提高到0．44 g lJ h．1，在 分离发酵耦合期间(53—65 h)，葡萄糖的利用 率由0．49 g l。1 h．1提高到0．75 g 14 h1，葡萄糖消耗速率提高了45．9％。
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，pH 6.0~7.0，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
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。
丁醇的发酵
目录
31
发酵菌种的选取
2
发酵代谢机理
3
产物的分离
4
发酵的新发现
5 发酵的意义及存在的问题
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。