專利名稱：：一種生產(chǎn)丁醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)丁醇的方法。
背景技術(shù)：
：丁醇是一種用途十分廣泛的重要精細化工原料，廣泛用于各種塑料和橡膠制品的生產(chǎn)及其它有機化合物的制造；生物丁醇的無腐蝕性、低蒸氣壓、與汽油具有相當熱值的優(yōu)點，使其具備了替代車用汽油的必要條件，BP公司日前正在和DuPont公司合作開發(fā)新一代生物燃料，美國也將用生物燃料如生物柴油、乙醇和生物丁醇替代部分石油基汽油或柴油訂為國策。所以市場上對生產(chǎn)丁醇的需求越來越高。生產(chǎn)丁醇的傳統(tǒng)方法為ABE發(fā)酵，是使用丙酮丁醇梭菌生產(chǎn)丙酮和丁醇。上個世紀20年代許多國家都能夠以ABE發(fā)酵商業(yè)運行生產(chǎn)丙酮和丁醇，二戰(zhàn)后，隨著化學合成技術(shù)的快速發(fā)展，ABE發(fā)酵走向衰退?，F(xiàn)今隨著石油化工成本的升高，ABE發(fā)酵生產(chǎn)丁醇重新恢復(fù)了生機。但是，傳統(tǒng)ABE發(fā)酵存在一些難以解決的問題高成本的生長培養(yǎng)基，生產(chǎn)過程中低濃度丁醇對生產(chǎn)菌種的高毒性，以及由此帶來的低產(chǎn)物濃度的高成本回收問題。雖然已有一些通過誘變、原生質(zhì)體融合和基因工程等手段對現(xiàn)有菌種進行改良，一定程度上提高了生產(chǎn)菌的底物利用率，拓寬了底物利用范圍，增強生產(chǎn)菌的丁醇耐受性。但是丁醇對發(fā)酵菌種的高毒性抑制問題一直沒有得到解決，使得丁醇分批發(fā)酵產(chǎn)量仍難超過12-14g/L。除了從菌種自身角度進行生產(chǎn)優(yōu)化外，另外一種提高產(chǎn)量及生產(chǎn)強度的方法便是從細胞外的環(huán)境中尋找突破口，改造傳統(tǒng)分批發(fā)酵工藝以解決丁醇毒性及回收問題。細胞回收系統(tǒng)和固定化細胞反應(yīng)器使生產(chǎn)強度得到提高，但是這種高生產(chǎn)強度常伴隨低產(chǎn)量、低糖利用率等問題，即便通過回收發(fā)酵流出物提高殘?zhí)寝D(zhuǎn)化率，ABE發(fā)酵的產(chǎn)物抑制問題——丁醇毒性問題仍然難以使丁醇發(fā)酵濃度超過14g/L。為了克服以上困難，一些原位分離抑制產(chǎn)物的耦合發(fā)酵工藝開始出現(xiàn)。這些工藝包括氣提發(fā)酵，液液萃取發(fā)酵，滲透萃取發(fā)酵，滲透蒸發(fā)-發(fā)酵耦合工藝。滲透萃取和滲透蒸發(fā)分別是基于膜分離技術(shù)上的萃取和蒸發(fā)，通過控制丁醇等目標產(chǎn)物優(yōu)先通過膜，實現(xiàn)減小產(chǎn)物抑制的目標，具有高效、低能耗的優(yōu)勢，但是，膜的化學穩(wěn)定性差、機械強度弱、價格較高等特點、成為制約其發(fā)展的瓶頸。氣提法和液液萃取法是分別用惰性氣體和有機溶劑對產(chǎn)物丁醇進行原位提取的技術(shù)。氣提法的原理是當發(fā)酵產(chǎn)生的氣體(C02和H2)或外界通入的N2經(jīng)過發(fā)酵罐時，這些氣體攜帶并冷卻濃縮發(fā)酵產(chǎn)物丁醇于另一個容器，又重新被循環(huán)利用回到發(fā)酵罐，以攜帶更多的丁醇，因此，溶液組分被不斷氣提到氣相中，使產(chǎn)物抑制及時被消除。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)丁醇的方法。本發(fā)明所提供的生產(chǎn)丁醇的方法，包括用發(fā)酵培養(yǎng)基發(fā)酵丁醇產(chǎn)生菌得到丁醇的步驟，所述方法中包括從發(fā)酵產(chǎn)物中萃取丁醇的步驟。所述萃取丁醇的方法包括向所述發(fā)酵的反應(yīng)體系中加入丁醇萃取劑的步驟。所述萃取丁醇的方法還可包括向所述發(fā)酵的反應(yīng)體系中通入惰性氣體的步驟。所述向所述發(fā)酵的反應(yīng)體系中加入丁醇萃取劑的方法為自所述發(fā)酵開始時計起第0-30小時加入，優(yōu)選為第12-30h，最優(yōu)選為第24h;所述向所述發(fā)酵的反應(yīng)體系中通入惰性氣體的方法為自所述發(fā)酵開始時計起第0-30小時加入，優(yōu)選為第12-30h，最優(yōu)選為第24h。所述丁醇萃取劑與所述發(fā)酵培養(yǎng)基的體積比為1:2-1:10，優(yōu)選為l:5。本發(fā)明所用的丁醇萃取劑可以為對生產(chǎn)菌種毒性較小的且與水相不互溶的溶劑構(gòu)成，只要有機溶劑滿足以下條件即可對水相細胞的毒性越小越好，對于丁醇的萃取率達到50%以上且高于對丙酮和乙醇的萃取率，盡量節(jié)省有機相用量。所述丁醇萃取劑具體可以是油醇和癸醇以1:1-10"體積比組成的混合物，最佳的是油醇和癸醇以4:l體積比混合組成的混合物。所述通入惰性氣體的方式為間歇通入或連續(xù)通入。所述間歇通入的方式為每隔2-24小時通入一次，每次通入的時間為1-12小時，每次通入的速度為0.1-1.5L氣體/min;所述連續(xù)通入的方式為以0.1-1.5L氣體/min的速度連續(xù)通入；所述間歇通入的方式比較優(yōu)選為每隔4-20小時通入一次，每次通入的時間為2-IO小時，每次通入的速度為0.5-1.0L氣體/min;所述連續(xù)通入的方式為以0.5-1.0L氣體/min的速度連續(xù)通入；所述間歇通入的方式最優(yōu)選為每隔12h通入一次，每次通入的時間為lh，每次通入的速度為0.6L氣體/min;所述連續(xù)通入的方式優(yōu)選為以0.3L氣體/min的速度連續(xù)通入。所述惰性氣體為氮氣、氫氣、氦氣或二氧化碳氣體；本發(fā)明所用的丁醇產(chǎn)生菌可以是生產(chǎn)丁醇為主、包括丙酮、乙醇中的任意一種或兩種產(chǎn)物的梭菌，如丙酮丁酉享梭菌(C7ostrj'o7f//0aceto/w^F_/ict)、手羊氏梭菌(67os力ric^'wfflZej/e2\z'/cAi_z')及67。5"Z^'o7〃/z5"3cc力aro力i/^iic鵬等o本發(fā)明方法中所述發(fā)酵的溫度可為35-39t:，優(yōu)選為37'C;所述發(fā)酵的反應(yīng)體系的pH值可為4.5-5.5，優(yōu)選為5;所述發(fā)酵優(yōu)選為靜置發(fā)酵。本發(fā)明方法中，所述發(fā)酵還包括如下步驟自發(fā)酵開始時計起，第36小時時向所述反應(yīng)體系中補充加入葡萄糖；補充加入的葡萄糖在發(fā)酵液中的濃度最好為65g/L。本發(fā)明所用的培養(yǎng)基可以是玉米培養(yǎng)基、秸稈培養(yǎng)基，或葡萄糖培養(yǎng)基等與油相不互溶的培養(yǎng)基。本發(fā)明的丁醇萃取劑對丁醇的選擇性好、萃取效率高，同時對發(fā)酵菌株傷害較小。本發(fā)明利用丁醇在某些有機溶劑中溶解度遠大于在水中溶解度的特性，建立了液液萃取原位分離丁醇的發(fā)酵工藝，同時根據(jù)丁醇具有一定揮發(fā)性的特點，建立了通入一定量惰性氣體以攜帶丁醇從發(fā)酵液中分離的發(fā)酵工藝。本發(fā)明方法將上述兩種工藝集成在一起，建立了萃取氣提耦合的丁醇發(fā)酵工藝。該方法通過液液萃取和氣提使丁醇等從發(fā)酵產(chǎn)物中及時分離，而菌體和發(fā)酵原料保留在發(fā)酵水相中，從而降低發(fā)酵產(chǎn)物對發(fā)酵反應(yīng)的抑制作用，在不額外增加設(shè)備的基礎(chǔ)上，提高了丁醇原位分離效率，降低了丁醇產(chǎn)物抑制，提高了發(fā)酵效率，降低生產(chǎn)成本。另外，本發(fā)明所使用的萃取劑對丁醇的選擇性萃取效率較高，發(fā)酵體系中丁醇被優(yōu)先萃取到有機相中，乙醇和丙酮的萃取率較低，終產(chǎn)物中丁醇比例較高，從而提高目的產(chǎn)物的得率。實驗證明，本發(fā)明方法中每升發(fā)酵液中得到的丁醇產(chǎn)量比傳統(tǒng)發(fā)酵工藝高11.93g，而且丁醇在所有產(chǎn)物(丁醇、丙酮和乙醇)中的比例也提高了5.0%，在回收的氣體中未檢測出丁醇，表明丁醇在惰性氣體的帶動下幾乎全部進入到萃取劑中，從而減少了從回收產(chǎn)物中提取丁醇的步驟，進一步簡化了生產(chǎn)操作、降低了成本。因此，本發(fā)明方法解決了目前丙酮丁醇發(fā)酵中出現(xiàn)的產(chǎn)物抑制、丁醇的生產(chǎn)強度和生產(chǎn)效率均較低、回收成本較高的問題，適合于推廣應(yīng)用。圖1為丁醇標準品氣相色譜圖。圖2為丁醇發(fā)酵有機相氣相色譜圖。圖3為丁醇標準品液相色譜圖。圖4為丁醇發(fā)酵水相液相色譜圖。具體實施例方式下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從生物公司購買。下述實施例中，所用的能生產(chǎn)丁醇的菌株為丙酮丁醇梭菌(67^tr/力'咖3c"。力w妙c咖)SMB-1(CGMCCN2.2287)(中國專利CN101250496)。酵母粉購自英國0X0ID公司(目錄號1023098)，蛋白胨購自英國0X0ID公司(目錄號594566)，牛肉膏購自北京雙旋微生物培養(yǎng)基制品廠，玉米粉購自普通超市。所用的種子培養(yǎng)基(RCM)的組成每升培養(yǎng)基含酵母粉3.0g，蛋白胨10.0g，牛肉膏10.0g，葡萄糖5.0g，淀粉10.0g，乙酸鈉3.0g，L-半胱氨酸鹽酸鹽0.5g，pH6.8。培養(yǎng)溫度為37'C。所述發(fā)酵培養(yǎng)基如下二種CGM培養(yǎng)基的組成為每升培養(yǎng)基含KH2P04，0.75g;K2HP04'3H20，0.75g;MgS04'7H20，0.4g;MnS04-H20，0.01g;FeS04.7H20，0.01g;NaCl，1,0g;酵母.粉，5.0g;(NH4)2S04，2.0g;葡萄糖，65g。玉米淀粉培養(yǎng)基的組成為每IOOmL水中加入8.0g玉米粉，加熱糊化。實施例l、以CGM培養(yǎng)基液液萃取-連續(xù)氣提發(fā)酵將acez^tofyh'c鵬SMB-1CGMCCN2.2287接種于RCM培養(yǎng)基，于37。C溫箱中靜置培養(yǎng)至對數(shù)期，作為發(fā)酵種子液。將上述獲得的發(fā)酵種子液按照體積百分比為5%的量接種到裝有3LCGM培養(yǎng)基的7L發(fā)酵罐中進行發(fā)酵?？刂瓢l(fā)酵罐中pH值為5.0(發(fā)酵初始不控制pH，當發(fā)酵液pH降到5.0之后，通過自動流加4mol/L的NaOH自動控制pH在5.0)，發(fā)酵溫度為37。C，發(fā)酵方式為靜止發(fā)酵。從發(fā)酵開始時計起，發(fā)酵24h后，向反應(yīng)體系中加入0.6L由油醇和癸醇(油醇和癸醇體積比為4:1)混勻組成的有機溶劑(有機溶劑與發(fā)酵培養(yǎng)基的體積比為1:5)，同時，通過發(fā)酵罐底部的通氣管道通入氮氣，氮氣流速為0.3L/min，連續(xù)通氣；發(fā)酵36h時補加葡萄糖，使其在發(fā)酵液中的濃度為65g/L，繼續(xù)發(fā)酵至60h停止。得到的發(fā)酵液中下層為水相和上層為有機相。取2ml有機相發(fā)酵液，用氣相色譜法檢測其中丁醇、丙酮和乙醇的含量。取2ml水相發(fā)酵液，用高效液相色譜法測量產(chǎn)物中丁醇、丙酮和乙醇的含量。氣相色譜法樣品前處理方法為將2ml有機相發(fā)酵液8000rpm離心5min，得到2ml上清液，將上清液用0.22ym的有機濾膜過濾后，得到2ml樣品，作為色譜檢測樣品；色譜條件為島津GC-2019氣相色譜儀，氫焰離子化檢測器；程序升溫:70。C保留5min，70-130。C升溫速度10°C/min，保留5rain，130-230。C升溫速度20°C/min，保留20min;AgilentDB-WAX30m*0.25mm氣相色譜柱；載氣為氫氣，流速14ml/rain;檢測溫度250°C，進樣溫度250°C。丁醇標準品購自Sigma公司(目錄號4C006217);在如上色譜條件下標準品中丁醇的保留時間為1L6分鐘，其圖譜如圖l所示(A表示丁醇，B表示丙酮，C表示乙醇)；有機相發(fā)酵液的圖譜如圖2所示(A表示丁醇，B表示丙酮，C表示乙醇)。高效液相色譜法樣品前處理方法為將2ml水相發(fā)酵液12000rpm離心lrain，得到2ml上清液，將上清液用0.22um的有機濾膜過濾后，得到2ml樣品，作為色譜檢測樣品；色譜條件為Agilent1200液相色譜儀，示差檢測器；BioRadAminexHPX-87H有機酸柱(300*7.8mm)，柱溫15°C;上樣量10li1;流動相為0.05mMH2S04，流速0.5ml/min。丁醇標準品購自Sigma公司(目錄號4C006217);在如上色譜條件下標準品中丁醇的保留時間為40.9分鐘，其圖譜如圖3所示(A表示丁醇，B表示丙酮，C表示乙醇)；發(fā)酵液水相的圖譜如圖4所示(A表示丁醇，B表示丙酮，C表示乙醇)。根據(jù)上述測定結(jié)果，換算為發(fā)酵液中丁醇濃度C=Cw+Co*0.6/3.3(C表示發(fā)酵液中丁醇濃度，Cw和Co分別為發(fā)酵水相和有機相的丁醇檢測濃度；發(fā)酵結(jié)束時，發(fā)酵水相總體積3.3L，有機相體積0.6L)。實驗設(shè)3次重復(fù)，結(jié)果見表l。表l中總?cè)軇┦侵付〈?、丙酮和乙醇的和。實施?、以CGM培養(yǎng)基液液萃取-間歇氣提發(fā)酵發(fā)酵種子液的培養(yǎng)與實施例1中所述相同。將上述獲得的發(fā)酵種子液按照體積百分比為5%的量接種到裝有3LCGM培養(yǎng)基的7L發(fā)酵罐中進行發(fā)酵?？刂瓢l(fā)酵罐中pH值為4.5(發(fā)酵初始不控制pH，當發(fā)酵液pH降到4.5之后，通過自動流加4mol/L的NaOH自動控制pH在4.5)，發(fā)酵溫度為35。C，發(fā)酵方式為靜止發(fā)酵。從發(fā)酵開始時計起，發(fā)酵12h后，向反應(yīng)體系中加入0.3L由油醇和癸醇(油醇和癸醇的體積比為1:1)混勻組成的有機溶劑(發(fā)酵培養(yǎng)基與有機溶劑的體積比為10:1)，同時，通過發(fā)酵罐底部的通氣管道通入氮氣，通氣時間為12小時，氮氣流速為0.6L/min，此后每隔24小時通一次氦氣，每次通氣的時間及氣體流速都與上述相同；發(fā)酵36h時補加葡萄糖，使其在發(fā)酵液中的終濃度為65g/L,繼續(xù)發(fā)酵至60小時停止。得到的發(fā)酵液中下層為水相和上層為有機相。按照實施例1中所述方法檢測有機相發(fā)酵液和水相發(fā)酵液中丁醇、丙酮和乙醇的含量。實驗設(shè)3次重復(fù)，結(jié)果見表l。實施例3、以玉米淀粉培養(yǎng)基液液萃取-間歇氣提發(fā)酵發(fā)酵種子液的培養(yǎng)與實施例1中所述相同。將上述獲得的發(fā)酵種子液按照體積百分比為5%的量接種到裝有3L玉米淀粉培養(yǎng)基的7L發(fā)酵罐中進行發(fā)酵。發(fā)酵溫度為39"C，發(fā)酵方式為靜止發(fā)酵。從發(fā)酵開始時計起，發(fā)酵30h后，向反應(yīng)體系中加入1.5L由油醇和癸醇(油醇和癸醇的體積比為10:1)混勻組成的有機溶劑(發(fā)酵培養(yǎng)基與有機溶劑的體積比為2:1)，同時，通過發(fā)酵罐底部的通氣管道通入氫氣，通氣時間為lh，氫氣流速為1.5L氣體/min，此后每隔4小時通一次氣，每次通氣的時間及氣體流速都與上述相同；發(fā)酵36h時補加葡萄糖，使其在發(fā)酵液中的終濃度為65g/L，繼續(xù)發(fā)酵至60h停止。得到的發(fā)酵液中下層為水相和上層為有機相。按照實施例1中所述方法檢測有機相發(fā)酵液和水相發(fā)酵液中丁醇、丙酮和乙醇的含量。實驗設(shè)3次重復(fù)，結(jié)果見表l。實施例4、以玉米淀粉培養(yǎng)基傳統(tǒng)丁醇發(fā)酵將Cace"Zw^hc咖SMB-1用RCM培養(yǎng)基于37。C溫箱中靜置培養(yǎng)至對數(shù)期，作為發(fā)酵種子液。將上述獲得的發(fā)酵種子液按照體積百分比為5%的量接種到裝有3L玉米淀粉培養(yǎng)基的7L發(fā)酵罐中進行發(fā)酵。不控制pH，發(fā)酵溫度為37t:，發(fā)酵方式為靜止發(fā)酵。發(fā)酵36h時補加葡萄糖，使其在發(fā)酵液中的終濃度為65g/L，繼續(xù)發(fā)酵至60h停止。利用高效液相色譜法對發(fā)酵液取樣測量產(chǎn)物丁醇、丙酮和乙醇的含量。高效液相色譜法檢測方法同實施例1中所述一致。實驗設(shè)3次重復(fù)，結(jié)果見表l。表l、萃取氣提耦合發(fā)酵丁醇結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>結(jié)果表明，本發(fā)明的加入萃取劑和通入惰性氣體的發(fā)酵工藝中，每升發(fā)酵液中得到的丁醇產(chǎn)量比傳統(tǒng)發(fā)酵工藝高11.93g，而且丁醇在所有產(chǎn)物(丁醇、丙酮和乙醇)中的比例也提高了5.0%。權(quán)利要求1、一種生產(chǎn)丁醇的方法，包括用發(fā)酵培養(yǎng)基發(fā)酵丁醇產(chǎn)生菌得到丁醇的步驟，其特征在于所述方法中包括從發(fā)酵產(chǎn)物中萃取丁醇的步驟。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述萃取丁醇的方法包括向所述發(fā)酵的反應(yīng)體系中加入丁醇萃取劑的步驟。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述萃取丁醇的方法包括向所述發(fā)酵的反應(yīng)體系中通入惰性氣體的步驟。4、根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于所述向所述發(fā)酵的反應(yīng)體系中加入丁醇萃取劑的方法為自所述發(fā)酵開始時計起第0-30小時加入，優(yōu)選為第12-30h，最優(yōu)選為第24h;所述向所述發(fā)酵的反應(yīng)體系中通入惰性氣體的方法為自所述發(fā)酵開始時計起第0-30小時加入，優(yōu)選為第12-30h，最優(yōu)選為第24h。5、根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的方法，其特征在于所述丁醇萃取劑與所述發(fā)酵培養(yǎng)基的體積比為l:2-1:10，優(yōu)選為l:5。6、根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一所述的方法，其特征在于所述丁醇萃取劑為油醇和癸醇以l:1-10:l的體積比組成的混合物；所述體積比優(yōu)選為4:1。7、根據(jù)權(quán)利要求2-6中任一所述的方法，其特征在于所述通入惰性氣體的方式為間歇通入或連續(xù)通入。8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述間歇通入的方式為每隔2-24小時通入一次，每次通入的時間為l-12小時，每次通入的速度為O.1-1.5L氣體/min;所述連續(xù)通入的方式為以0.1-1.5L氣體/min的速度連續(xù)通入；所述間歇通入的方式優(yōu)選為每隔12h通入一次，每次通入的時間為lh，每次通入的速度為0.6L氣體/min;所述連續(xù)通入的方式優(yōu)選為以0.3L氣體/min的速度連續(xù)通入。9、根據(jù)權(quán)利要求2-8中任一所述的方法，其特征在于所述惰性氣體為氮氣、氫氣、氦氣或二氧化碳氣體；所述丁醇產(chǎn)生菌為丙酮丁醇梭菌(67o"ri心咖全文摘要本發(fā)明公開了一種生產(chǎn)丁醇的方法。該生產(chǎn)丁醇的方法，包括用發(fā)酵培養(yǎng)基發(fā)酵丁醇產(chǎn)生菌得到丁醇的步驟，所述方法中包括從發(fā)酵產(chǎn)物中萃取丁醇的步驟。本發(fā)明方法通過液液萃取和氣提使丁醇等從發(fā)酵產(chǎn)物中及時分離，從而降低發(fā)酵產(chǎn)物對發(fā)酵反應(yīng)的抑制作用，在不額外增加設(shè)備的基礎(chǔ)上，提高了丁醇原位分離效率，降低了丁醇產(chǎn)物抑制，提高了發(fā)酵效率。因此，本發(fā)明方法解決了目前丙酮丁醇發(fā)酵中出現(xiàn)的產(chǎn)物抑制、丁醇的生產(chǎn)強度和生產(chǎn)效率均較低、回收成本較高的問題，適合于推廣應(yīng)用。文檔編號C12P7/16GK101418320SQ200810239319公開日2009年4月29日申請日期2008年12月10日優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日發(fā)明者張延平,寅李,王少華,王鑫昕申請人:中國科學院微生物研究所