[发明专利]一种添加锌离子调控厌氧发酵生产丁醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种添加锌离子调控厌氧发酵生产丁醇的方法，属于生物化工技术领域。

背景技术

近年来，随着全球石油资源逐渐枯竭、世界石油价格不断上涨，全球气候呈现的不断恶化趋势，能源问题成为当前世界经济及工业可持续发展亟待解决的问题，发展可替代能源刻不容缓。作为新型的生物燃料，全球对于生物丁醇的需求量逐年增加，生物丁醇的生产研究也因此成为当前可再生绿色能源开发利用的热点之一。生物丁醇不仅是优良的有机溶剂及重要的化工原料，更是一种极具潜力的新型生物燃料，被称为第二代生物燃料。其与生物乙醇相比，具有高于乙醇的热值及良好的燃料经济性，可提高汽车燃料效率和行车里程数，丁醇的性质更接近于烃类，与汽油的配伍性好，无需改造汽车。

丁醇，又称为正丁醇，是一种重要的化工原料和化学溶剂，在多个领域有着重要的应用及用途。主要用于制造邻苯二甲酸二丁酯DBP和丙烯酸丁酯BA等脂肪族二元酸酯类及磷酸酯类，同时还可用于生产丁酸、丁醛、丁胺乳酸及塑料和橡胶制品等。此外，丁醇作为重要溶剂，大量用于脲醛树脂、纤维素树脂、醇酸树脂和涂料等的生产中。丁醇还可以作为香料，主要用于制备香蕉、奶油、威士忌和干酪等型香精。亦用作萃取剂、色素稀释剂等。综上，丁醇具有极为广阔的消费市场，在全球化工及能源领域需求量保持持续增长，其化工合成法以石油为原料，投资大，技术设备要求高。

丙酮丁醇发酵主要是指利用丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum，简称丙丁菌)等在厌氧条件下将葡萄糖、果糖等作为发酵代谢底物，经过复杂生物化学过程后，形成以丙酮及丁醇为主要代谢产物的发酵工艺。丙酮丁醇发酵是一个厌氧发酵过程，全程主要包括两个时期，产酸期及产溶剂期。在产酸期，产生包括丁酸和乙酸在内的有机酸，发酵液中有机酸浓度上升，pH值迅速下降，产酸期与细胞生长有联系，同时产生H₂和CO₂；当有机酸累积到一定浓度时，发酵进入第二阶段，称为产溶剂期，溶剂产物包括丙酮、丁醇及乙醇(ABE)，有机酸因重吸收而导致浓度下降，同时也产生部分CO₂和H₂。

传统丙酮丁醇发酵存在一系列制约因素，主要体现在丁醇产量及产率较低，发酵终点溶剂浓度较低等问题，提升丙酮丁醇梭菌丁醇合成能力，降低发酵周期成为解决生物丁醇发酵问题的一个突破。在丙酮丁醇梭菌溶剂代谢生成途径中，涉及关键调控酶丁醇脱氢酶、乙酰乙酰-CoA∶乙酸/丁酸∶CoA 转移酶及乙醇脱氢酶等，因此，寻找并实施工艺调控手段，作用于关键代谢途径以有效提高溶剂尤其是丁醇代谢合成能力，缩短发酵周期以获得更高生产速率对于生物丁醇理论研究及工业生产至关重要。

锌(Zn)是生命代谢中重要的微量金属元素：它是多种生物酶类的重要辅基，如碱性磷酸酶、乙醇脱氢酶、氨基肽酶等。能够参与糖类、脂类、蛋白质合成和降解等重要的新陈代谢过程；在调节细胞的增殖、分化和程序性凋亡以及维持细胞膜结构的稳定性及完整性等方面均起到了重要作用。已有研究表明，锌离子添加对酿酒酵母的乙醇产量及乙醇耐受性有一定的提高作用，研究证实，锌离子是乙醇脱氢酶的重要辅基，对乙醇脱氢酶的酶活性有着重要的影响。另一方面，针对丙酮丁醇梭菌代谢途径，亦有研究表明，丙酮丁醇梭菌丁醇代谢途径中的关键酶—丁醇脱氢酶，锌离子在其分离纯化过程中对于酶活性保持至关重要。

在目前厌氧发酵生产丁醇的技术领域，尚无添加锌离子以提高丁醇及总溶剂产量、生产速率及转化率的专利或文献报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种添加锌离子调控厌氧发酵生产丁醇的方法，以达到提高丁醇和总溶剂产量、生产速率和转化率的技术效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种添加锌离子调控厌氧发酵生产丁醇的方法，根据丙酮丁醇梭状菌(Clostridium acetobutylicum)厌氧发酵生产丁醇的特性，包括菌种活化、种子培养、厌氧发酵。厌氧发酵时，添加锌离子调控厌氧发酵生产丁醇，发酵培养基成分包括碳源、氮源、无机盐和生长因子，添加锌离子，添加浓度为0.10 mg/L~120 mg/L。初始pH5.5，121^oC灭菌15 min，厌氧发酵前通入N₂以除去发酵培养基中的溶氧；以10% (v/v)接种量接种于发酵培养基中，培养温度为37.5^oC，搅拌转速为150 rpm。