[发明专利]一种微生物间歇供氧补料发酵生产丁醇的工艺

说明书

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，特别涉及一种微生物间歇供氧补料发酵生 产丁醇的工艺。

背景技术

丁醇是一种重要的有机溶剂和化工原料，广泛应用于喷漆、炸药、皮革处 理、香料、塑料、制药、植物抽提取及有机玻璃、合成橡胶、农用化学品等方 面，可用作油漆和表面涂料的溶剂，用于生产邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻 苯二甲酸丁苄酯(BBP)等增塑剂，用来制造醋酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙 烯酸丁酯、正丁胺、氨基树脂、乙二醇醚等。近年来受世界石油资源、价格、 环保和全球气候变化的影响，发展生物燃料已成为许多国家提高能源安全、减 排温室气体、应对气候变化的重要措施。目前市场上以燃料乙醇和生物柴油最 为常见。生物丁醇与乙醇相似，可以和汽油混合用于清洁能源，并具有能量密 度高、腐蚀性小、对水的宽容度大等许多优于乙醇之处，因此，生物丁醇的研 究开发日益受到许多国家的重视。2006年杜邦和BP公司宣布研制成功了一种新 型生物燃料丁醇，以替代逐年价格上涨和供应量有限的汽油[钱明.BP和杜邦 加快生产生物丁醇.中国石化报，2007-3-14，(5)]。英国有关机构与企业也计 划利用英格兰东部的甜菜生产生物丁醇，并将其与传统汽油混合，用作车辆驱 动燃料[焦瑞身主编.微生物工程[M].北京：化学工业出版社，2003，148—155 ；功能材料信息.英计划用甜菜生产生物丁醇.用作车辆驱动燃料.2006，3(5)： 47]。

工业上生产丁醇的方法有以下几种[化学工业出版社组织编写.中国化工 产品大全.北京：化学工业出版社，1998，511-512]：

(1)羰基合成法丙烯与CO和H2在加压加温及催化剂存在下羰基合成正、 异丁醛，加氢后分馏得正丁醇。这是工业上生产丁醇的主要方法。

(2)醇醛缩合法，乙醛经缩合成丁醇醛，脱水生成丁烯醛，再经加氢后得 正丁醇。

(3)发酵法以淀粉等为原料，接入丙酮-丁醇菌种，进行丙酮丁醇(ABE) 发酵，发酵液精馏后得产品正丁醇。

近几十年来丁醇工业的生产大多以石油资源为原料，采取化学法合成，此 法受世界石油短缺和价格飙升所限，且投资大，技术设备要求高，显然不具有 扩展优势，于是在上世纪曾经一度兴盛而后遭受石油工业冲击并衰退的丁醇发 酵工业再度复苏，重新成为各国研究的焦点。

发酵法生产丁醇的优势

(1)化工合成法以石油为原料，投资大，技术设备要求高；而微生物发酵 法一般以淀粉质、纸浆废液、糖蜜和野生植物等为原料，利用丙酮丁醇菌所分 泌的酶来分解淀粉成糖类，再经过复杂的生物化学变化，生成丙酮、丁醇和乙 醇等产物，同时还产生大量的CO2和H2等化工产品，其工艺设备与酒精生产 相似，原料价廉，来源广泛，设备投资较小；

(2)发酵法生产条件温和，一般常温操作，不需贵重金属催化剂；

(3)选择性好，安全性高，副产物少，易于分离纯化；

(4)降低了对有限石油资源的消耗和依赖。

目前对丁醇发酵工艺的研究主要集中在以下几个方面：

(1)间歇发酵

工业发酵多以玉米为原料。其工艺流程为：玉米→粉碎→配料→蒸煮→后 熟→料冷却→接种→在一定温度和时间下完成发酵→蒸馏，得到丁醇、乙醇、 丙酮[张益芬，杨蕴刘，陈军，焦瑞身.高丁醇比丙酮丁醇梭菌及其培养方法与 应用.专利公开号：CN1063483C]。

(2)连续发酵

1960年，丙酮丁醇连续发酵已经工业化实施。多以玉米、糖蜜为原料。用6～ 11个发酵罐组进行发酵，还有在活化罐采用不同的培养溶液，以便使梭菌总是 保持其活性阶段，以溢流的方式进行丙酮丁醇的连续发酵生产，其产量与间歇 法相比，提高约20％[颜方贵主编.发酵微生物学.北京：化学工业出版社， 1991，89-98]。

以玉米或糖蜜为原料的丙酮丁醇发酵工艺在我国以及许多其它国家已使 用了几十年。但无论间歇发酵还是连续发酵，因菌种自身生理生化特性，使得 发酵培养都维持在厌氧条件下，培养基一般处在静止或低速搅拌下进行，在大 规模培养时，不利于发酵初期菌体对营养基质的吸收以及传质的进行，特别是 在非玉米的合成培养基中菌株难以生长。同时，要采用制氮设备维持发酵的厌 氧环境，也增加了固定设备的投资及能耗。

发明内容