外添少量电子受体强化丙丁梭菌丙酮-丁醇-乙醇发酵的丁醇合成

强化利用丙丁梭菌发酵生产丁醇的主要方法有：添加电子载体强化NADH再生速率、通CO气体抑制氢化酶活性、外添少量丁酸等。但是,上述方法存在着总溶剂产量低、精制成本高、辅料价格昂贵等缺点。本研究通过向丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵液添加少量电子受体（Na₂SO₄/CaSO₄,2g/L）,使得梭菌胞内的电子穿梭传递系统的电子流和质子流发生改变,较多电子e^-和质子H⁺走向NADH合成途径,有利于丁醇合成;电子受体添加还可以促进对梭菌生存/丁醇合成的“有益”氨基酸、特别是缬氨酸的胞内积累/分泌,进一步强化了丁醇生产。在7L罐规模的发酵条件下、添加2g/L的电子受体Na₂SO₄,ABE发酵的丁醇浓度达到12.96g/L的最高水平,丁醇/丙酮比也有提高,分别比对照组提高35%和10%。添加Na₂SO₄等廉价电子受体提高了ABE发酵中的丁醇浓度,虽然提高幅度有限,但却可为利用发酵工程技术提高丁醇浓度和丁醇/丙酮比提供一种新的途径。     

不同C源对丙酮丁醇梭菌产丁醇的影响

对丙酮丁醇梭菌在以葡萄糖、木糖、蔗糖、混合糖、玉米芯酸解糖液分别作C源的P2培养基中的产丁醇状况进行研究。结果表明:不同C源对丙酮丁醇梭菌发酵产丁醇有显著的影响;葡萄糖为底物时,丁醇产量最高达到13.50 g/L,总溶剂为19.66 g/L;蔗糖为底物时,丁醇所占比例都在70%以上,丁醇产量可达12 g/L;木糖、混合糖为底物时,丁醇产量在10 g/L左右;只有丙酮丁醇梭菌I4-28能利用玉米芯酸解糖液发酵产丁醇,丁醇产量为7 g/L。     

PDMS膜生物反应器封闭循环连续发酵生产ABE

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum,CICC8012),通过发酵反应与产物渗透汽化原位分离的耦合,实现了丙酮、丁醇和乙醇混合物(ABE)的连续发酵生产。进行了2轮操作持续时间分别为274 h和300 h的发酵实验,分别为间断耦合和连续耦合的操作方式。以连续耦合发酵为例,细胞平均干重为1.68 g L 1,丁醇产量为61.43 g L 1,葡萄糖消耗率为1.12 g L 1 h 1,丁醇的体积产率为0.205 g L 1 h 1,比产率为0.122 h 1,转化率为0.183 g g 1。第二轮连续封闭循环发酵的平均葡萄糖消耗率和丁醇产率,都几乎是第一轮的2倍。两轮发酵的细胞生长、产物浓度、葡萄糖消耗和丁醇生成曲线都出现至少2个峰值,表明丙酮丁醇梭菌能适应这种长期发酵模式并且出现再生长。结果表明,PDMS膜生物反应器封闭循环连续发酵生产ABE(特别是丁醇)的操作模式具有可行性和优越性。     

发酵-渗透汽化连续耦合合成ABE的动力学

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌进行了生产ABE的封闭循环连续发酵实验,研究了发酵和渗透汽化分离连续耦合条件下的发酵动力学行为。发酵-分离连续耦合实验运行持续时间长达192 h。运行过程中,细胞质量浓度维持在0.84～4.00 g/L,发酵液中ABE的总质量浓度为5.14～17.54 g/L,葡萄糖质量浓度大约为16.08～35.15 g/L,总体积产率为0.36 g/(L.h)。结果表明,膜生物反应器系统运行稳定,发酵-渗透汽化分离连续耦合生产ABE的操作模式具有可行性和优越性。     

Zn2+、Ca2+和Mn2+对丙酮丁醇发酵的协同影响

在丙酮丁醇发酵中共同添加0.001g/L ZnSO₄·7H₂O和4.0g/L CaCO₃时,丁醇及总溶剂产量达到14.41g/L和23.69g/L,发酵终点乙酸和丁酸浓度为2.33g/L和1.02g/L。当共同添加0.001g/L ZnSO₄·7H₂O、4.0g/L CaCO₃和0.8g/L MnSO₄·H₂O时,丁醇的比生成速率为0.48g/(g·h),相对于共同添加Zn²⁺和Ca²⁺条件下的丁醇比生成速率0.23g/(g·h)提高了108.69%,而发酵终点乙酸和丁酸浓度分别为1.99g/L和0.54g/L,同比分别降低了14.59%和47.06%。Zn²⁺、Ca²⁺和Mn²⁺ 3种金属离子对丙酮丁醇发酵具有正向协同调控作用。     

自产气气提与纤维床反应器耦合发酵生产丁醇

采用发酵产物中的二氧化碳(CO2)和氢气(H2)作为循环气提气源,对丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum CGMCC 5234)发酵产物进行原位气提,实现丙酮、丁醇和乙醇混合物(ABE)的连续纤维床固定化发酵生产。连续发酵实验进行了12批次共309 h,总溶剂ABE当量浓度为133.3 g·L-1(其中丁醇83.5 g·L-1,丙酮38.4g·L-1,乙醇11.4 g·L-1),葡萄糖消耗率为1.29 g·(L·h)-1,总溶剂ABE产率为0.431 g·(L·h)-1,转化率为0.333 g·g-1,其中丁醇产率为0.270 g·(L·h)-1,转化率为0.209 g·g-1,发酵液中丁醇浓度控制在8~12 g·L-1,显著优于游离发酵的结果。气提提取之后冷凝的ABE溶液出现分层现象,其中丁醇相丁醇浓度高达603.7 g·L-1,极大地减缓后续分离提纯的负担。结果表明,自产气循环气提与纤维床固定化耦合连续发酵生产ABE(特别是丁醇)的工艺具有可行性和竞争力。     

发酵-渗透汽化连续耦合生产ABE的动力学研究

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌进行了生产ABE的封闭循环连续发酵实验,研究了发酵和渗透汽化分离连续耦合条件下的发酵动力学行为。发酵-分离连续耦合实验运行持续时间长达 192 h。运行过程中,细胞浓度维持在 0.84~4.00 g/L,发酵液中ABE的总浓度为5.14~17.54 g/L,葡萄糖浓度大约为16.08~35.15 g/L,总体积产率为0.36 g/(L?h)。实验结果表明,膜生物反应器系统运行稳定,发酵-渗透汽化分离连续耦合生产ABE的操作模式具有可行性和优越性。     

木质素中酚酸物质对于丙酮丁醇发酵的影响

木质纤维素预处理过程中产生的酚酸类物质影响丙酮丁醇梭菌生长代谢,研究了酚酸结构类型化合物阿魏酸、香草酸、丁香酸和对羟基苯甲酸对于丁醇发酵的影响。研究发现添加低浓度酚酸(低于 100 mg/L)对丁醇发酵与丙酮丁醇梭菌生长具有促进作用,当加入 50 mg/L 对羟基苯甲酸,实验组丁醇产量比对照组高 21.32%,加入 100 mg/L 香草酸组生物量为对照组的4.50倍,而酚酸浓度继续增大时(高于 100 mg/L),呈现明显抑制作用,且浓度越高,抑制作用越强,当香草酸浓度为 1 000 mg/L 时,丁醇产量抑制率达到 96.67%,4种酚酸物质浓度为 1 000 mg/L 时所有实验组生物量为0;据此结果提出了通过加大接种量增强菌体抑制点来解除抑制的方法,接种量增加到 30%,不脱毒直接发酵可得 9.16 g/L 丁醇,达到正常发酵水平。不同种类的酚酸物质对于丁醇发酵与生长的影响总体趋势是一致的,但其毒性大小不尽相同,因此进一步选用定量构效方法 (QSAR)考察酚酸物质对于丙酮丁醇发酵的毒性影响因素,发现酚酸物质其毒性与电离常数和分子质量相关性非常显著,相关系数分别为0.816和0.876,即电离常数越小,分子质量越小,则毒性越大,与疏水性呈现不显著的负相关。     

溶剂分级木质素对ABE发酵液吸附分离性能

运用溶剂分级的方法制备成本低廉、环境友好型木质素基吸附材料,探究了其对ABE发酵液的吸附分离性能。研究发现经丙酮溶解分级后的丙酮不溶木质素(AIAL)具有良好的吸附性能。吸附动力学实验表明AIAL的动态吸附过程在40 min可以达到平衡,数据可用Lagergren拟一级动力学模型拟合;等温吸附实验表明AIAL对丁醇、丙酮和乙醇饱和吸附量分别为198,151.3和98.5 mg/g,较分级前提升了19.3%,30.2%和53.2%,数据可用Langmuir-Freundlich模型拟合;模拟发酵液中的吸附实验表明丁醇、丙酮和乙醇之间竞争吸附作用较小;脱附液中ABE质量浓度达到90.75 g/L;表征分析结果表明:AIAL和丁醇、丙酮和乙醇容易形成π体系。     

严格厌氧发酵体系在线尾气监测系统的设计及在梭菌生产生物能源丁醇的应用

目前关于有氧或微氧的乙醇发酵的尾气检测系统已经建立,但是对于丙酮丁醇梭菌等严格厌氧菌发酵尾气的在线监测鲜见文献报道。因此,本研究以丙酮丁醇梭菌生产丁醇的严格厌氧发酵体系为研究对象,研究了传统有氧或微氧尾气检测方法在丙酮丁醇梭菌厌氧发酵体系中的检测结果,设计并建立了适合厌氧菌发酵的尾气在线监测系统,对丙酮丁醇梭菌的发酵过程实时监测。在建立有效的厌氧发酵尾气分析系统的条件下,比较了丙酮丁醇梭菌在游离细胞条件下和高细胞密度条件下的发酵性能。相比较于游离发酵,高细胞密度发酵的发酵周期明显缩短,丁醇生产强度显著提高。丁醇最高产量为15.4g/L,生产强度0.64g/（L·h）,分别比对照组提高了12.4%和106%,CO₂和H₂最高产气速率分别提高60%和9%,产气量分别提高了20.7%和41.3%。尾气分析系统采集的气体数据为丙酮丁醇梭菌的代谢分析提供了重要依据。     

ClostridiumsaccharobutylicumDSM13864细胞表面理化特性及固定化细胞产丁醇的性能

糖丁基梭菌Clostridium saccharobutylicum DSM 13864能利用多种糖类为底物发酵产丁醇。本文研究了该菌体细胞表面的理化特性,并以砖块作为细胞固定化材料进行丁醇发酵。采用细菌吸附有机溶剂(MATS)法证明糖丁基梭菌细胞表面有强烈的亲水性,并且等电点在pH值为3左右,这些特性有利于菌体与表面亲水多孔的砖块吸附。在60g/L葡萄糖发酵培养基中,以5～8目砖块作为固定化材料,流速为1.1L/min,发酵48h后,丁醇的浓度、得率和生产率分别达到11.02g/L、0.18g/g和0.23g/(L·h),相比悬浮细胞发酵分别提高了10.53%、5.88%和9.52%。结果表明:砖块作为一种固定化材料可有效提高糖丁基梭菌的发酵产丁醇水平。     

基于果糖与葡萄糖不同混合比例的丙酮丁醇发酵

介绍了以不同底物的丁醇发酵结果,阐述了在以55g/L葡萄糖与果糖（1∶4）混合糖模拟菊芋物料为底物的丁醇发酵过程中存在果糖利用及丁醇产量较低等问题,研究了基于葡萄糖与果糖不同混合比例（1∶2、2∶3、3∶2及3∶1）的丁醇发酵性能。研究结果说明了随着混合比例提高,发酵时间由76h缩短至48h,菌体最大生物量OD620由2.1提高至4.3,而当葡萄糖与果糖混合比例为1∶2时,发酵过程中菌体细胞对果糖代谢能力最佳,且终点残糖浓度仅为2.1g/L,果糖利用效率达到95.03%,丁醇及总溶剂产量分别达到9.7g/L与16.0g/L。     

玉米浆干粉在葡萄糖和木糖混合丙酮丁醇发酵中的应用

为降低丙酮丁醇梭菌发酵生产丁醇的成本,研究了以玉米浆干粉为氮、磷源等营养因子的单糖培养基发酵条件。结果表明：只需添加适量的玉米浆干粉,无需添加其它营养物质,以葡萄糖或葡萄糖与木糖混合糖为原料的培养基可以满足丙酮丁醇梭菌的生长及溶剂产生所需要的营养元素,50 g/L葡萄糖-2.5 g/L玉米浆干粉培养基溶剂转化率可以达到35.14%,总溶剂产量17.57 g/L,丁醇产量11.21 g/L。30 g/L葡萄糖+20 g/L木糖-2.5 g/L玉米浆干粉溶剂转化率可以达到33.66%,总溶剂16.83 g/L,丁醇11.10 g/L,为进一步研究木质纤维素原料水解液生产丁醇提供理论指导。     

Assessment of in situ butanol recovery by vacuum during acetone butanol ethanol (ABE) fermentation

BACKGROUND: Butanol fermentation is product limiting owing to butanol toxicity to microbial cells. Butanol (boiling point: 118 °C) boils at a higher temperature than water (boiling point: 100 °C) and application of vacuum technology to integrated acetone–butanol–ethanol (ABE) fermentation and recovery may have been ignored because of direct comparison of boiling points of water and butanol. This research investigated simultaneous ABE fermentation using Clostridium beijerinckii 8052 and in situ butanol recovery by vacuum. To facilitate ABE mass transfer and recovery at fermentation temperature, batch fermentation was conducted in triplicate at 35 °C in a 14 L bioreactor connected in series with a condensation system and vacuum pump. RESULTS: Concentration of ABE in the recovered stream was greater than that in the fermentation broth (from 15.7 g L^?1 up to 33 g L^?1). Integration of the vacuum with the bioreactor resulted in enhanced ABE productivity by 100% and complete utilization of glucose as opposed to a significant amount of residual glucose in the control batch fermentation. CONCLUSION: This research demonstrated that vacuum fermentation technology can be used for in situ butanol recovery during ABE fermentation and that C. beijerinckii 8052 can tolerate vacuum conditions, with no negative effect on cell growth and ABE production. Copyright © 2011 Society of Chemical Industry     

瘤胃菌与丁醇菌共生发酵麸皮生产丁醇

寻求瘤胃纤维素降解菌群NLH151与丁醇菌zr11共生发酵麸皮生产丁醇的最佳工艺条件。考察了接种方式、共培养温度、pH值等因素对纤维素降解率及丁醇生产能力的影响,得出了2种菌最佳共生培养的发酵条件。共生发酵时,麸皮质量浓度为20 g/L,共培养温度为33℃,pH值为6.0—6.5,瘤胃菌NLH151与丁醇菌zr11的接种量(体积分数)分别控制在15%和8%,瘤胃菌接入24 h后接入丁醇菌,共发酵48 h,总溶剂质量浓度可达到10.33 g/L,其中丁醇为7.8 g/L。该研究为利用农业废弃物进行新能源的开发提供了实验依据。     

汽爆秸秆膜循环酶解耦合丙酮丁醇发酵

利用新型的汽爆玉米秸秆膜循环酶解耦合发酵系统进行了丙酮丁醇发酵的研究,并对使用该系统所导致的丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum AS1.132)代谢的变化进行了讨论. 在稀释率为0.075 h-1的条件下,丁醇的产量为0.14 g/g (纤维素+半纤维素),最大丁醇产率达到0.31 g/(L×h),溶剂组成为丁醇:丙酮:乙醇65.3:24.3:10.4(体积比),纤维素和半纤维素的转化率分别为72%和80%,使用单位纤维素酶所产生的丁醇量为3.9 mg/IU,是分步水解批次发酵的1.5倍. 利用该系统使酶解和发酵分别在各自最适的条件下同时连续进行,减少了纤维素酶的用量,有效地解除了酶解产物对纤维素酶的抑制作用,并减轻了溶剂产物尤其是丁醇对微生物活性的影响,延长了发酵周期.     

自产气气提与纤维床反应器耦合发酵生产丁醇

采用发酵产物中的二氧化碳（CO₂）和氢气（H₂）作为循环气提气源,对丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum CGMCC 5234）发酵产物进行原位气提,实现丙酮、丁醇和乙醇混合物（ABE）的连续纤维床固定化发酵生产。连续发酵实验进行了12批次共309 h,总溶剂ABE当量浓度为133.3 g·L^-1（其中丁醇 83.5 g·L^-1,丙酮38.4 g·L^-1,乙醇11.4 g·L^-1）,葡萄糖消耗率为1.29 g·（L·h） ^-1,总溶剂ABE产率为0.431 g·（L·h） ^-1,转化率为0.333 g·g^-1,其中丁醇产率为0.270 g·（L·h） ^-1,转化率为 0.209 g·g^-1,发酵液中丁醇浓度控制在8～12 g·L^-1,显著优于游离发酵的结果。气提提取之后冷凝的ABE溶液出现分层现象,其中丁醇相丁醇浓度高达603.7 g·L^-1,极大地减缓后续分离提纯的负担。结果表明,自产气循环气提与纤维床固定化耦合连续发酵生产ABE（特别是丁醇）的工艺具有可行性和竞争力。