文献综述

固定床发酵制备生物丁醇的研究

丙酮和丁醇是非常重要的化工原料、工业溶剂及燃料，广泛应用于化工、塑料、有机合成、油漆等工业[1-2]。随着石化资源的耗竭、石油价格的飞涨，丁醇所具有的优良化学特性使生物丁醇成为重要的新兴生物燃料之一[3]。由于比乙醇多两个亚甲基，丁醇具有更高的疏水性，较低的挥发性，可与汽油以任意比例混合，并具有与汽油相当的热值[4]。因此，近年来生物丁醇得到了越来越广泛的关注。丙酮丁醇发酵的主要产物是丙酮、丁醇和乙醇，产物比例为3：6：1。直到20世纪50年代中叶，ABE发酵一直作为生产丙酮丁醇的主要途径，后来由于石化工业的发展，发酵法生产丙酮丁醇的底物成本高及产物回收耗能大，逐渐被淘汰。用于进行丙酮丁醇发酵的微生物一般称为丙酮丁醇梭菌，或产溶剂梭菌(丙酮、乙醇和丁醇)。该菌是严格厌氧的革兰氏阳性细菌，在发酵过程中形成孢子，能将糖类物质等转化为溶剂[5]，发酵初期产生大量的有机酸如乙酸、丁酸等，pH值迅速下降；当达到一定酸度后，进入产溶剂期，此阶段有机酸被还原，产生大量溶剂，主要为丁醇和丙酮[6]。菌种改良是提高丙酮一丁醇发酵经济竞争力的关键手段之一。除此之外，固定床，将丙酮丁醇梭菌固定于其上的固定化技术也是提高丙酮-丁醇发酵效率的有效手段。本文通过寻找合适的固定化材料并且构建固定化纤维床发酵制备丁醇的方法，展开了对发酵法制备生物丁醇的研究。

1.1丙酮丁醇发酵的研究进展及其高产策略

丙酮丁醇发酵复兴的决定性因素是溶剂产率、生产强度、生产成本特别是产物分离成本。围绕这3个决定性因素，提出丙酮丁醇发酵的高产策略：

(1)高丁醇耐受性菌种的选育，由于丁醇对细胞的毒性，发酵液中丁醇的含量难以达到较高的浓度，这大大影响了溶剂产率。提高菌种对丁醇的耐受性，是间歇发酵提高溶剂产率的先决条件。Zhou 等[7]报道，细胞自溶素活性的降低可以增加细胞对丁醇的耐受性。他们用氯霉素处理菌种，使得自溶素的活性降低 40%,丁醇的产量提高了 30%。(2)高丁醇比例菌种的选育，一般丙酮丁醇发酵中，产物丙酮、丁醇、乙醇的比例大概为3：6：1，而实际上需要更高比例的有更广泛用途的丁醇。强化丁醇生产中的关键酶，如乙酰乙酰-CoA∶乙酸/丁酸∶CoA转移酶、丁醛脱氢酶等，加强丁醇的生成代谢，是提高丁醇比例的较好方法。另外，通过乙醛脱氢酶基因的敲出，切断乙醇生成代谢，减少乙酰-CoA 的消耗，是提高丁醇比例的间接途径。(3)发酵细胞的高效利用，由于丁醇对细胞的毒性，现有的间歇发酵工艺中细胞的利用率较低。可以通过开发连续发酵工艺，如多级连续发酵[8]、固定化发酵[9-10]、细胞循环高密度发酵[11]，大大提高细胞的利用率。(4)发酵与高效低能耗分离工艺的耦合。原位萃取、气提和渗透蒸发等分离技术在丙酮丁醇发酵中的应用可以大大降低产物分离过程中的能耗，特别是膜分离工艺与发酵过程的耦合，将会极大的提高丙酮丁醇发酵的经济竞争力。

1.2固定床发酵丁醇的研究进展

1.2.1细胞固定化技术的发展

70年代，在固定化酶的基础上，发展起固定化细胞技术，首次使用固定化细胞研究溶剂生产是由瑞典皇家工学院的Haggstrom[12-13]，后来南非的Largier[14]，德国Frick[15]，日本的田谷正仁[16]等，他们都采用包埋法，获得的结果也都不甚理想。1985年，瑞典的Forberg使用吸附法，用山毛棒刨花做载体吸附细胞，在一个300ml单级玻璃罐内进行连续发酵，溶剂含量可达6.31g/l，获得较好的结果。

1.2.2固定化细胞技术的优点