丙酮丁醇发酵的研究进展及其高产策略

从代谢机理的阐明、生产菌种的改良和发酵工艺的改进3个方面综述了丙酮丁醇发酵近年来的研究进展。针对丙酮丁醇发酵工艺中存在的问题,提出高丁醇耐受性菌种的选育、高丁醇比例菌种的选育、发酵细胞的高效利用、发酵与高效低能耗分离工艺的耦合等高产策略。     

生物燃料丁醇的研究与前景

丁醇是一种新型的生物能源,在替代汽油作为燃料方面具有高热值、易混溶性、高辛烷值和低挥发性等优良特性.由于原料的价格和产物的抑制作用导致丁醇发酵成本偏高以及产物浓度过低.为降低发酵成本,减少产物的抑制作用,需要从原料选取、菌种的改良、发酵工艺和丁醇提取工艺等方面做深入的研究.     

纤维素发酵制丁醇获专利

中科院成都生物研究所申报的以纤维素为原料发酵生产丁醇的方法获国家知识产权局发明专利。该所研究人员针对目前以纤维素为原料发酵生产燃料丁醇工艺中丁醇含量低的问题,发明了一种以玉米芯水解液为底物、阳离子交换树脂脱毒后发酵生产丁醇的新方法,可提高丁醇产量、降低生产成本。生物丁醇作为石油替代品的前景诱人,但其生产成本较高,缺乏市场竞争力。目前,国内外丁醇发酵方面的     

新型生物能源丁醇的研究进展和市场现状

对生物丁醇的理化性质和应用领域、国内外市场现状、生产技术现状和发展限制因素进行了总结分析,并提出了改良菌种,提高丁醇耐受性和产丁醇比例;开发高效的发酵工艺;开发高效低能耗的分离工艺;拓展原料品种,开发纤维素丁醇生产工艺等技术改进和发展方向的建议,以期能促进生物丁醇行业的产业化和可持续发展。     

萃取耦合发酵生产生物丁醇的研究进展

丁醇是一种很有潜力的生物燃料,可由发酵法生产,但由于高浓度丁醇对发酵菌体自身有毒害作用,导致生物法生产丁醇产量和生产强度较低。萃取耦合发酵技术可有效解除丁醇发酵中的产物抑制问题,本文对该技术中萃取剂的选择、萃取发酵动力学研究以及耦合工艺的改进的研究进展进行了阐述,并对其发展前景进行了展望。     

纤维素直接发酵生产丁醇

<正> 据日本《化学工业时报》报道,日本出光兴产公司研究成功以纤维素为原料直接发酵制取丁醇的工艺。该工艺是采用根据基因重组技术改良的具有分解纤维素和产生丁醇两种功能的新菌种。与以往酶分解法相比,丁醇产生速度高二倍。以往由纤维素发酵制造丁醇要分二步进行。首先将除去木质素的纤维素以纤维素酶分解成葡萄糖,然后再于中温下发酵制取丁醇。由纤维素直接生产丁醇的高温发酵法具有防止染菌、降低冷却成本和回收成本的优点,世界各国都予高度重视。     

瘤胃菌与丁醇菌共生发酵麸皮生产丁醇

寻求瘤胃纤维素降解菌群NLH151与丁醇菌zr11共生发酵麸皮生产丁醇的最佳工艺条件。考察了接种方式、共培养温度、pH值等因素对纤维素降解率及丁醇生产能力的影响,得出了2种菌最佳共生培养的发酵条件。共生发酵时,麸皮质量浓度为20 g/L,共培养温度为33℃,pH值为6.0—6.5,瘤胃菌NLH151与丁醇菌zr11的接种量(体积分数)分别控制在15%和8%,瘤胃菌接入24 h后接入丁醇菌,共发酵48 h,总溶剂质量浓度可达到10.33 g/L,其中丁醇为7.8 g/L。该研究为利用农业废弃物进行新能源的开发提供了实验依据。     

汽爆玉米秸秆脱毒及发酵丁醇工艺的实验研究

研究了不同脱毒方法对汽爆玉米秸秆发酵产丁醇的影响及发酵工艺。实验共考查了十种不同的脱毒工艺路线,结果表明:汽爆玉米秸秆经水洗预处理脱毒后,经酶解、离心去除沉淀物,并补加营养物质是一条较佳的工艺路线。在此基础上,进一步利用单因素实验和正交实验,考察了发酵温度、pH值、接种量、菌种种龄、培养基组成、发酵时间对丁醇发酵的影响,得到较优的丁醇发酵工艺条件为,发酵温度37℃,pH7.0,接种量7%,菌种种龄27h,培养基组成:酵母抽提物1.0g·L-1、KH2PO40.8g·L-1、MgSO4·7H2O 0.1g·L-1、(NH4)2SO42.0 g·L-1、FeSO4.7H2O 0.03g·L-1、尿素2.0g·L-1,发酵时间48 h。在此优化条件下,发酵液中起始糖浓度为50g·L-1时,丁醇的发酵浓度达到了9.42g·L-1。     

生物丁醇分离技术的研究进展及发展趋势

生物基（正）丁醇是一种重要的化学品和替代燃料,其主要制备途径为糖质底物的丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵。受制于发酵副产物多、溶剂浓度低、产物共沸等因素,传统的生物丁醇分离过程存在分离能耗大、成本高等问题,制约其产业化制备。为解决生物丁醇分离的技术瓶颈,近年来,应用新型分离技术实现与ABE发酵过程的耦合成为研究的热点。本文综述了生物丁醇分离技术的最新研究进展,讨论了基于汽液平衡、相转移、膜分离技术等新型分离方式的技术特点;并针对多级分离级联系统开发、面向终产物的精馏技术的新趋势、新特点进行剖析和讨论。随着分离技术的发展和进步、生物炼制工艺开发和集成,生物丁醇的制备成本可望进一步降低,提升市场竞争力。     

可再生原料发酵生产生物丁醇的研究进展

介绍了生物丁醇制造技术发展现状及产丁醇微生物及其代谢机制,简述了基于可再生原料生物丁醇制造工艺中存在问题及其应对策略,介绍了国内外针对可再生物料发酵生产生物丁醇的最新研究进展,最后展望了生物丁醇的未来发展前景。     

影响丙酮丁醇发酵的主要因素及 解决方案的研究进展

制约丙酮丁醇发酵工业化生产的主要问题是丙酮丁醇梭菌在发酵过程中孢子的形成、溶剂产量低、副产物的生成以及丁醇对菌株的毒性等因素。此外,使用木质纤维素等廉价、环保的原料作为发酵底物生产生物丁醇也是目前研究的热点之一。本文就以上问题综述了近年来的研究进展,如孢子形成的分子机制及解除孢子形成与溶剂生成之间联系的途径,丁醇抑制梭菌细胞生长的机制及降低丁醇毒性的方法,通过基因工程改造减少副产物的生成,增加丁醇产量等,并讨论了进一步改造菌种及降低生物丁醇成本的策略。     

丙酮-丁醇发酵分离耦合技术的研究进展

介绍了近年来采用吸附、气提、液液萃取和渗透汽化从丙酮-丁醇发酵体系中分离丙酮,丁醇、乙醇的研究进展及最新的应用动态,评述了上述几种方法在分离丙酮.丁醇发酵产物(丙酮、丁醇、乙醇等)方面的优点和不足,并对各类方法做了比较,最后对丙酮.丁醇发酵分离耦合的发展方向进行了展望.     

红薯发酵产丁醇的工艺优化

对以红薯为原料、丙酮丁醇梭菌发酵产丁醇的工艺条件进行了优化,考察了红薯浓度、外加氮源及浓度、乙酸钠添加量对发酵的影响。结果表明:当红薯浓度为8%、乙酸铵浓度为2%(即碳氮比为20)、乙酸钠添加量为0.4%时,发酵液中丁醇含量达到最高,为14.410mg·mL-1,较优化前显著提高。为发酵法产丁醇的工业化生产奠定了基础。     

基于pH控制的丙酮丁醇间歇发酵过程动力学模型

基于微生物发酵动力学模型和丙酮丁醇发酵工艺的特点,由5组控制pH下的实验数据建立该发酵过程的动力学模型,采用改进的自适应遗传算法对模型的12个参数进行优化,并采用一组控制pH数据对模型进行了外推验证,结果表明,该模型能够较好地描述pH的丙酮丁醇间歇发酵过程.     

响应面法优化甘露醇产丁醇的发酵条件

以褐藻的主要成分甘露醇为底物,利用丙酮丁醇梭菌ATCC824发酵生产丁醇。采用Plackett-Burman（P-B）和Box-Behnken优化发酵条件。在Plackett-Burman实验设计时,考察牛肉膏、酵母浸粉、胰蛋白胨、乙酸铵、 KH2PO4、MgSO4?7H2O、FeSO4?7H2O、接种量、发酵温度、初始pH值这10个因素对丁醇产量影响,筛选出影响丁醇发酵的重要参数是发酵温度、初始pH值、乙酸铵浓度,利用Box-Behnken设计确定最优发酵条件为发酵温度37.3 ℃、初始pH值6.38、乙酸铵浓度2.82 g/L。数学模型分析预测最大丁醇产量为8.47 g/L。经实验验证表明,在优化条件下的丁醇产量平均值达到8.52±0.55 g/L。这说明利用统计学方法优化甘露醇的丁醇发酵条件是有效的。     

严格厌氧发酵体系在线尾气监测系统的设计及在梭菌生产生物能源丁醇的应用

目前关于有氧或微氧的乙醇发酵的尾气检测系统已经建立,但是对于丙酮丁醇梭菌等严格厌氧菌发酵尾气的在线监测鲜见文献报道。因此,本研究以丙酮丁醇梭菌生产丁醇的严格厌氧发酵体系为研究对象,研究了传统有氧或微氧尾气检测方法在丙酮丁醇梭菌厌氧发酵体系中的检测结果,设计并建立了适合厌氧菌发酵的尾气在线监测系统,对丙酮丁醇梭菌的发酵过程实时监测。在建立有效的厌氧发酵尾气分析系统的条件下,比较了丙酮丁醇梭菌在游离细胞条件下和高细胞密度条件下的发酵性能。相比较于游离发酵,高细胞密度发酵的发酵周期明显缩短,丁醇生产强度显著提高。丁醇最高产量为15.4g/L,生产强度0.64g/（L·h）,分别比对照组提高了12.4%和106%,CO₂和H₂最高产气速率分别提高60%和9%,产气量分别提高了20.7%和41.3%。尾气分析系统采集的气体数据为丙酮丁醇梭菌的代谢分析提供了重要依据。     

外添少量电子受体强化丙丁梭菌丙酮-丁醇-乙醇发酵的丁醇合成

强化利用丙丁梭菌发酵生产丁醇的主要方法有：添加电子载体强化NADH再生速率、通CO气体抑制氢化酶活性、外添少量丁酸等。但是,上述方法存在着总溶剂产量低、精制成本高、辅料价格昂贵等缺点。本研究通过向丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵液添加少量电子受体（Na₂SO₄/CaSO₄,2g/L）,使得梭菌胞内的电子穿梭传递系统的电子流和质子流发生改变,较多电子e^-和质子H⁺走向NADH合成途径,有利于丁醇合成;电子受体添加还可以促进对梭菌生存/丁醇合成的“有益”氨基酸、特别是缬氨酸的胞内积累/分泌,进一步强化了丁醇生产。在7L罐规模的发酵条件下、添加2g/L的电子受体Na₂SO₄,ABE发酵的丁醇浓度达到12.96g/L的最高水平,丁醇/丙酮比也有提高,分别比对照组提高35%和10%。添加Na₂SO₄等廉价电子受体提高了ABE发酵中的丁醇浓度,虽然提高幅度有限,但却可为利用发酵工程技术提高丁醇浓度和丁醇/丙酮比提供一种新的途径。     

自产气气提与纤维床反应器耦合发酵生产丁醇

采用发酵产物中的二氧化碳(CO2)和氢气(H2)作为循环气提气源,对丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum CGMCC 5234)发酵产物进行原位气提,实现丙酮、丁醇和乙醇混合物(ABE)的连续纤维床固定化发酵生产。连续发酵实验进行了12批次共309 h,总溶剂ABE当量浓度为133.3 g·L-1(其中丁醇83.5 g·L-1,丙酮38.4g·L-1,乙醇11.4 g·L-1),葡萄糖消耗率为1.29 g·(L·h)-1,总溶剂ABE产率为0.431 g·(L·h)-1,转化率为0.333 g·g-1,其中丁醇产率为0.270 g·(L·h)-1,转化率为0.209 g·g-1,发酵液中丁醇浓度控制在8~12 g·L-1,显著优于游离发酵的结果。气提提取之后冷凝的ABE溶液出现分层现象,其中丁醇相丁醇浓度高达603.7 g·L-1,极大地减缓后续分离提纯的负担。结果表明,自产气循环气提与纤维床固定化耦合连续发酵生产ABE(特别是丁醇)的工艺具有可行性和竞争力。     

PDMS膜生物反应器封闭循环连续发酵生产ABE

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum,CICC8012),通过发酵反应与产物渗透汽化原位分离的耦合,实现了丙酮、丁醇和乙醇混合物(ABE)的连续发酵生产。进行了2轮操作持续时间分别为274 h和300 h的发酵实验,分别为间断耦合和连续耦合的操作方式。以连续耦合发酵为例,细胞平均干重为1.68 g L 1,丁醇产量为61.43 g L 1,葡萄糖消耗率为1.12 g L 1 h 1,丁醇的体积产率为0.205 g L 1 h 1,比产率为0.122 h 1,转化率为0.183 g g 1。第二轮连续封闭循环发酵的平均葡萄糖消耗率和丁醇产率,都几乎是第一轮的2倍。两轮发酵的细胞生长、产物浓度、葡萄糖消耗和丁醇生成曲线都出现至少2个峰值,表明丙酮丁醇梭菌能适应这种长期发酵模式并且出现再生长。结果表明,PDMS膜生物反应器封闭循环连续发酵生产ABE(特别是丁醇)的操作模式具有可行性和优越性。     

代谢工程在生物丁醇生产中的应用及研究进展

传统的丁醇发酵由于其产量和产率都较低,制约了生物丁醇的发展。代谢工程以系统生物学为基础,为生物丁醇生产菌种的改造提供了合理的依据。介绍了丁醇发酵的菌种与丁醇的生物合成途径,综述了代谢工程方法在生物丁醇生产中的应用及其最新研究进展,并对其应用前景进行了展望。