[发明专利]一种通过解除酸崩溃现象提高玉米丁醇发酵性能的方法

说明书

本发明公开了一种通过解除酸崩溃现象提高玉米丁醇发酵性能的方法，将丙酮丁醇梭菌活化至活化培养中，得到丙酮丁醇梭菌种子液；将种子液转接至发酵培养基中，通过丙酮丁醇梭菌的丁醇发酵过程合成丁醇、丙酮和乙醇；当丁醇发酵进行至产溶剂期的初始阶段，向发酵液中添加丁酸溶液和氨基酸溶液；继续进行丁醇发酵，即可解除外添丁酸所出现的“酸崩溃”现象，从而提高了玉米丁醇发酵性能。本发明是一种添加外源氨基酸策略解除“酸崩溃”现象的方法，本发明通过简单地添加外源氨基酸提高了产溶剂梭菌对高丁酸和低pH值环境的耐受能力、强化了细胞对丁酸的高效吸收并提高了丁醇合成效率和产量，进而改善玉米丁醇发酵性能。

技术领域

本发明属于微生物发酵领域，具体涉及一种稳定玉米丁醇发酵过程、强化丁醇合成的方法，尤其是一种解除玉米丁醇发酵过程中“酸崩溃”现象提高玉米丁醇发酵性能的方法。

背景技术

丁醇是一种高效的液态燃料和新型的燃料添加剂，相比于乙醇，丁醇具有能值高、吸水性低、挥发性低和能与汽油任意比混合等优点，近年来对生物丁醇的研究受到了研究者的广泛关注。目前，利用产溶剂梭菌(如丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum、拜氏梭菌Clostridium beijerinckii、糖乙酸多丁醇梭菌Clostridiumsaccharoperbutylacetonicum等)的厌氧发酵过程是生物丁醇生产的主要方式，其中丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum是研究丁醇发酵应用最广泛的产溶剂梭菌，玉米是使用最多的发酵底物。

丁醇的微生物合成过程也称为丙酮-丁醇-乙醇发酵、ABE发酵或丁醇发酵，包括产酸期和产溶剂期两个阶段。在产酸期阶段，产溶剂梭菌将葡萄糖代谢后主要转化为有机酸(乙酸和丁酸)，并伴随着细胞的快速增殖、发酵液的pH值逐渐降低，该阶段合成的溶剂(丁醇、丙酮和乙醇)较少；当低pH环境刺激微生物细胞强化其对有机酸的吸收时，发酵过程即进入第二个阶段(产溶剂期)，该阶段的发酵液pH值逐渐回升，细胞增殖基本停止，溶剂(丁醇、丙酮和乙醇)大量合成，直至发酵结束。然而，由于丁醇的分子结构特征，使得～10g/L的丁醇就对细胞的生长和生理代谢活动产生强烈的抑制作用，因此利用野生型发酵菌株合成丁醇的浓度普遍低于13g/L。如何提高玉米丁醇发酵性能(丁醇产量)是目前玉米丁醇发酵领域亟待解决的关键科学问题。

丁醇发酵过程的经济性主要由发酵原料成本、操作成本和精制成本组成。当使用玉米作为发酵底物时，原料成本占到生产总成本的60-70％，操作成本占约10-15％，精制成本占约20-25％。其中，精制成本占生产总成本的比例主要受到溶剂浓度的影响，当丁醇浓度从12g/L提高至19g/L时，精制成本降低大约50％。由于产酸期产生的丁酸是合成丁醇的重要前体物质，因此添加丁酸是提高玉米丁醇发酵性能的有效途径之一。然而，由于丁酸溶液pH较低，当一次性添加丁酸大于4g/L时，产溶剂梭菌无法及时代谢添加的过量丁酸，丁醇发酵液的pH值下降，而低pH环境也会使得细胞内的分子态丁酸浓度大幅提高，最终导致发酵失败，该现象即为“酸崩溃”。尽管反复多次添加丁酸可以在一定程度上解除玉米丁醇发酵过程的“酸崩溃”现象，但是发酵液中较低的丁酸浓度不利于丁醇的高效合成，也增加了发酵过程的操作复杂性，最终降低了丁醇发酵的整体经济性。因此，如何解除玉米丁醇发酵过程的“酸崩溃”现象，是实现外添丁酸策略改善丁醇合成效率和产量的有效解决方案。

发明内容

发明目的：为了解决外添丁酸导致的“酸崩溃”现象、玉米丁醇发酵性能无法提升的问题，本发明提供了一种通过解除酸崩溃现象提高玉米丁醇发酵性能的方法，本发明是一种添加外源氨基酸策略解除“酸崩溃”现象的方法。本发明通过简单地添加外源氨基酸提高了产溶剂梭菌对高丁酸和低pH值环境的耐受能力、强化了细胞对丁酸的高效吸收并提高了丁醇合成效率和产量，进而改善玉米丁醇发酵性能。

技术方案：为了实现上述目的，如本发明所述一种通过解除酸崩溃现象提高玉米丁醇发酵性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：