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摘 要

丁醇是一种优良的有机溶剂和重要的化工原料，广泛应用于化学工业。近年的研究表明丁醇是一种极具潜力的新型燃料。生物丁醇一般是通过梭菌的厌氧发酵制备，但是利用梭菌发酵产丁醇存在发酵周期长，溶剂生产效率低，且转化率低等缺陷，提高发酵法制备丁醇的生产效率将是当前的研究重点。细胞固定化是一种将游离细胞固定于限定的空间区域并使其长期保持活力和反复使用的技术，可有效提高生产效率。

本文采用无机载体对Clostridium beijerinckii IB4进行吸附固定化，并构建固定床反应器用于丁醇发酵，考察其提高丁醇生产效率的可行性。本文对一系列无机多孔载体进行了筛选，其中，火山岩对细胞的固定率接近26%，故采用火山岩作为本次研究的固定化材料。在此基础上利用火山岩分别构建了内置式和外置式固定床反应器，进行重复批次发酵。内置式固定床反应器的丁醇和总溶剂产量稳定在15.17g/L和11.72g/L左右，平均溶剂生产强度为0.543g/L/h，比游离细胞发酵提高55.2%，总溶剂收率达到45.8%，。而外置式固定床反应器的丁醇和总溶剂产量稳定在14.34 g/L和10.91 g/L左右，平均溶剂生产速率为0.609g·L^-1·h^-1，比游离细胞发酵提高74.1%，总溶剂收率达到42.06%。以上结果说明利用火山岩构建的固定床反应器进行重复批式发酵，外置式结构性能优于内置式结构，重复批式操作方法简单，细胞可循环使用，生产速率显著提高，能够实现生物丁醇的长期高效稳定制备。

关键词： 丁醇； 无机载体； 固定化； 发酵

Butanol production by Clostridium immobilized on inorganic carriers

Abstract

Butanol is a good organic solvent and an important chemical raw material, widely used in chemical industry. Recent studies suggest that butanol is a potential new fuel. Bio butanol is usually through anaerobic fermentation of Clostridium preparation，but the traditional fermentation has many shortcomings, such as long incubation period，low solvent productivity, and low solvent yield.，to improve the preparation of butanol fermentation production efficiency will be the focus of the current research.The immobilized cell is a kind of free cells fixed in the restricted areas and keep its vitality and the long-term repeated use of the technology, which can effectively improve production efficiency.

This paper study immobilization of Clostridium beijerinckii IB4 by different inorganic carriers, and the results showed that the immobilization efficiency of volcanic grain was 26%, so the volcanic grain was used as carrier in this study. The inboard fixed bed reactor and outboard fixed bed reactor were established, the repeated batch fermentation in these reactors were studied. The butanol and solvent were 15.17g/L and 11.72g/L in the inboard fixed bed reactor, the solvent producitivity achieved 0.543 g/(L⋅h), which was increased by 55.2% than free cell fermentation, the yield was 45.8%. The butanol and solvent were 14.34g/L and 10.91g/L in the outboard fixed bed reactor, the solvent producitivity achieved 0.609 g/(L⋅h), which was increased by 74.1% than free cell fermentation, the yield was 42.06%. The results showed the efficiency outboard fixed bed reactor was higher than inboard fixed bed reactor. The repeated batch fermentation was handy in operation, cells could be recycled and productivity was enhanced obviously.

Keywords: butanol; inorganic carrier; immobilization ; fermentation

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第一章 文献综述 5

1.1发酵法制备丁醇的研究概况 5

1.2固定化细胞发酵制备丁醇的研究进展 5

1.3本课题的研究内容 6

第二章 实验材料与方法 7

2.1实验材料 7

2.1.1供试菌株. 7

2.1.2实验试剂 7

2.1.3实验仪器与设备 7

2.1.4培养基 9

2.2发酵方法 10

2.2.1丁醇发酵固定化载体的筛选 10

2.2.2游离细胞单批发酵产丁醇 12

2.2.3内置式固定床的发酵 12

2.2.4外置式固定床的发酵 12

2.3产物检测的指标及方法 13

第三章 结果和讨论 15

3.1 实验结果 15

3.1.1 C. beijerinckii IB4单批发酵结果 15

3.1.2固定化材料的选择 15

3.1.3内置式固定床重复批式发酵制备丁醇 16

3.1.4外置式固定床重复批式发酵制备丁醇 18

3.2 结果分析与讨论 20

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 文献综述

1.1发酵法制备丁醇的研究概况

丁醇的生物合成是通过产溶剂梭菌Clostridia的厌氧发酵（如丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum、拜氏梭菌Clostridium beijerinckii）^[1]，可将来源于淀粉质、糖蜜质、纤维质等合适的碳水化合物转化为丙酮(Acetone)、丁醇(Butanol)和乙醇(Ethanol)等溶剂，因而也被简称为ABE发酵^[2]。在生物法制备丁醇的过 程中，丁醇对菌体具 有毒害作用^[3]，当丁醇浓 度达到5g/L时，对细 胞有明显的毒害作用，当 丁醇浓度达到10 g/L，可导 致细胞大批死亡^[4]。目前通过以下2个方法解决 这个问题：（1）采用诱变、基因工程手 段改造菌种使其能耐受 溶剂和高底物浓度^[5]；（2）采 用技术手段，将产物 在发酵过程中移走，减少其 对细胞的毒害。采用诱 变、基因工程手段改造的 菌种虽然生 产性能有所提高，但产物 ABE浓度仍≤3%，并不能显著 降低分离成本^[6]。Qureshi认为^[7]：将分 离技术原位集成于丁醇 发酵，是降低分离成本 最根本的手段。

1.2固定化细胞发酵制备丁醇的研究进展

细胞固定化是利用物理或化学手段将游离细胞固定于限定的空间区域并使其长期保持活力和可以反复使用的技术^[8]。目前微生物细胞的固定化方法以包埋法和吸附法最为常用^[9]。包埋法是将微生物封闭在天然高分子多糖类或合成高分子凝胶的网络中，从而使微生物固定化，但包埋法对细胞的传质有不利影响^[10]。吸附法是将微生物细胞附着于固体载体上，微生物细胞与载体之间不发生化学反应，具有操作简单、固定化条件温和、细胞活性损失小、载体可以反复使用等优点^[11]。

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