文 献 综 述

一、丁醇的介绍

丁醇是一种大宗的化工原料和新一代的可再生替代能源。丁醇不仅是一种重要的有机溶剂和化工原料还是一种新型的极具潜力的生物燃料，其热值远高于乙醇(与汽油相当)，腐蚀性小，蒸气压低，能与汽油以任意比互掺使用。我国在建国初期已经以玉米淀粉为原料进行稳定的丁醇工业化生产，随着石化资源的耗竭、粮油的短缺以及温室效应等环境问题的日益突出，利用可再生资源、农业废弃物等生产化工原料和能源物质越来越受到重视。木质纤维素丁醇的生产过程涉及纤维素酶类的生产，木质纤维素的酶法降解，己糖、戊糖的转运和利用以及丁醇发酵等多个步骤，工艺复杂，使得木质纤维素产丁醇成本居高不下，缺乏市场竟争力。利用某些厌氧菌分泌的多酶复合体一一纤维小体，统合生物加工工艺(consolidated bioprocessing，CBP)将产酶、水解和溶剂发酵集成在一个反应器内进行，可以有效简化工艺，减少操作费和设备费，降低成本，提高效率。

要利用纤维素高效产丁醇，参与该过程的微生物，既要能够高产多种木质纤维素水解酶类，又要能够高效利用水解得到的己糖、戊糖生产丁醇。本课题主要是通过将厌氧的木质纤维素降解菌和能同时利用己糖和戊糖的丁醇生产菌混菌培养。

二、木质纤维素制备丁醇

木质纤维素包括纤维素、半纤维素和木质素,维素占15．40％，半纤维素占30．40％，木质素占20％。纤维素是由D．吡喃葡萄糖基以β-1，4糖苷键连接而成的天然链状高分子化合物，其水解或酶解的主要产物是葡萄糖、纤维二糖等己糖。木质纤维素中的纤维素的主要水解产物为葡萄糖、纤维二糖等己糖，半纤维素的主要水解产物为木糖、阿拉伯糖等戊糖，因此木质纤维素的水解液中既含有己糖又含有戊糖。木质素不能水解为单糖，且对纤维素酶和半纤维素酶降解纤维原料中的碳水化合物有空间阻碍作用，从而降低反应速率。全世界纤维素的年产量约为1011吨，但只有少量纤维素被有效利用，绝大多数被作为废物弃置在自然界中，反而造成了一定的环境污染问题。利用木质纤维素发酵生产丁醇有明显优势，其原材料来源广泛，供应充足，价格低廉，还可以减少环境污染，提高资源利用率，保证国家能源和粮食安全等。但由于木质素是秸秆细胞壁的主要成分,一般微生物很难降解,因而大部分秸秆以堆积、烧荒等形式直接倾入环境,造成极大的浪费,并且造成环境污染。而嗜纤维梭菌是自然界中能够降解木质素最有效的生物之一,使秸秆的消化率大大增强,从而为制作秸秆饲料提供了广阔前景。

三、混菌发酵制备丁醇

参考文献，对混菌培养生产丁醇而言，共生组合首先要求种群在丁醇生产和纤维素降解上能够互补。目前丙酮丁醇发酵工业使用的重要菌种基本上都不具备高效降解纤维素的能力；而能够高效降解纤维素的细菌如热纤梭菌、解纤梭菌(C.cellulolyticum)和嗜纤梭菌(C．cellulovorans)等不能够生产丁醇。将丁醇生产菌和纤维素降解菌混菌培养是一种相对简单的木质纤维素直接发酵生产丁醇的方法。热纤梭菌是最有效的纤维素降解菌之一，丁醇生产菌与之偶联发酵能够实现直接利用木质纤维素产丁醇的过程，但是由于热纤梭菌与丁醇生产菌的培养温度不匹配，使得发酵需要分阶段变温进行，而这大大延长了发酵时间(7．8天)，严重影响了丁醇的生产强度。因此温度的匹配对于混菌组合的选择也是十分重要的。另外，一些有特殊功能的纤维素降解菌或溶剂生产菌也是很好的组合选择。对混菌培养生产丁醇而言，共生组合首先要求种群在丁醇生产和纤维素降解上能够互补。目前丙酮丁醇发酵工业使用的重要菌种基本上都不具备高效降解纤维素的能力；而能够高效降解纤维素的细菌如热纤梭菌、解纤梭菌(C.cellulolyticum)和嗜纤梭菌(C．cellulovorans)等不能够生产丁醇。将丁醇生产菌和纤维素降解菌混菌培养是一种相对简单的木质纤维素直接发酵生产丁醇的方法。因此温度的匹配对于混菌组合的选择也是十分重要的。另外，一些有特殊功能的纤维素降解菌或溶剂生产菌也是很好的组合选择。

在混菌培养体系中，由于热纤梭菌与拜氏梭菌的培养温度不匹配，导致偶联发酵过程分两阶段进行，对溶剂的生产强度造成了一定的影响。虽然嗜纤维梭菌的生长速率略慢于热纤梭菌，但其最适生长温度与拜氏梭菌接近，有利于实现同步糖化发酵。此外，嗜纤维梭菌在降解纤维素的同时还能生产一定量的丁酸，可为拜氏梭茵提供更多的丁醇生产前体。因此，论文还构建了嗜纤维梭菌与拜氏梭菌恒温混菌培养体系。通过对混菌培养过程中拜氏梭茵接种时机、两菌接种比例、pH控制策略等条件的考察和优化。本实验讲嗜纤维素菌和巴式梭菌由秸秆为主要原料制成的培养基上,不同的降解菌之问具有较强的相互作用，因此在实际处理中，采用混合菌降解稻草秸秆的效果比单一菌落要更好。其中嗜纤维素菌降解秸秆成为葡萄糖、木糖等并产生丁酸，而巴氏梭菌则可以利用嗜纤维菌分解得到的葡萄糖和木糖将丁酸转化成丁醇。通过共培养技术实现秸秆到丁醇的生物转化，进一步通过对混菌培养过程中巴氏梭菌接种时机、两菌接种比例、pH控制策略等条件的考察和优化，提高丁醇的产量。

三、本次研究的目的与意义