[發明專利]一種添加植物原料以提高丁醇生產菌發酵性能的方法

有效

• 申請號: 201210171575.0
• 申請日: 2012-05-29
• 公開（公告）號: CN103451240A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 王嵐;張連華;陳洪章
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: C12P7/16
• 分類號: C12P7/16;C12R1/145
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本方法屬于發酵工業領域，特別涉及一種添加植物原料以提高丁醇生產菌發酵性能的方法。

背景技術

丁醇既是重要的大宗化工原料，又是繼乙醇后的一種極具發展前景的新一代液體燃料，通過產溶劑梭菌Clostridia的厭氧發酵，可將合適的碳水化合物轉化為丙酮(Acetone)、丁醇(Butanol)和乙醇(Ethanol)等溶劑，此類溶劑生產技術因而也被簡稱為ABE發酵。

丙酮丁醇發酵的研究始于19世紀。到在20世紀初，由于汽車工業的發展，需要大量的丙酮和丁醇作為合成橡膠的原料，這在一定程度上促進了丙酮丁醇發酵工業的發展。到了1914年，著名的Chaim?Weizmann博士成功分離出了一株菌，命名為Clostridium?acetobutylicum（丙酮丁醇梭菌），它能夠發酵各種谷物原料生成溶劑。該菌的發現為丙酮、丁醇發酵的工業化奠定了基礎。在1914年爆發的第一次世界大戰中，丙酮作為制造炸藥的原料，其需求量大大增加。英國，美國，日本等國建立了多家丙酮丁醇發酵工廠，這使得丙酮、丁醇發酵工業成為繼乙醇發酵工業之后的第二大發酵工業。由于丙酮丁醇梭菌是嚴格厭氧菌，這一工業也成為歷史上最大的厭氧發酵工業。

梭狀芽胞桿菌Clostridia目前是產溶劑工業菌種的唯一來源。近年來，通過系統學、基因組DNA/DNA雜交和DNA指紋圖譜以及發酵性能等方面的比較研究和分析認為，工業用的產溶劑梭菌歸為4個“種”(Species)，所有原來的淀粉發酵型菌株屬于單獨一個種，即丙酮丁醇梭菌Clostridium?acetobutylicum。該類菌呈現較強的淀粉酶活力，適用于發酵玉米和谷類等淀粉質原料，同時具有獨特的系統發育特性，與其他3個緊密相關的種，即拜氏梭菌Clostridium?beijerinckii、糖丁酸梭菌Clostridium??Saccharobutylicum和糖乙酸多丁醇梭菌Clostridium?saccharoperbutylacetonicum的親緣關系較遠。

丙酮丁醇梭菌（C.acetobutylicum）作為一類產孢厭氧菌，其發酵過程分為產酸期和產溶劑期兩個階段。但是對該菌進行連續的傳代培養后發現，其產溶劑能力會逐漸退化，這在產溶劑發酵過程中，尤其在連續發酵過程中，是一個較為嚴重的問題。有研究學者發現，菌種傳代超過10次，就失去了發酵葡萄糖的能力。為了縮短發酵過程的延滯期，增加菌種產溶劑能力，通常丙酮丁醇梭菌需保存于強化培養基基中，發酵前必須經過活化培養即熱激（heat-shocking）化才能在淀粉或葡萄糖培養基中生長良好。

丙酮丁醇梭菌代謝過程中伴隨著生成大量的H₂，這一反應主要是依靠鐵氧還蛋白氧化還原酶和氫酶的催化而完成的。研究證明，丙酮丁醇梭菌生長過程中與培養基中氧化還原電位密切相關，NADH₂/NAD作為胞內氧化還原反應的電子供體，增加NADH₂/NAD的轉化率能夠增加丁醇的產量。為了在微氧或厭氧條件維持微生物細胞內最佳的NADH₂/NAD比率，可采用添加電子受體或改變底物氧化還原狀態以實現對NADH₂/NAD比率的調節。已有研究表明，醛、酮、酸、分子氮或硝酸鹽均能作為外源電子受體，加速NADH氧化，維持細胞處于最佳氧化還原狀態。但是不同種類醛、酮、酸等小分子有機物（如丁香醛，阿魏酸，葛根異黃酮）對菌種生長的影響存在差異，并且向發酵培養基中直接添加醛、酮、酸等有機物，當這些外源電子受體濃度高于10mg/L-100mg/L時，將會對菌體生長造成抑制作用。

植物原料化學組成復雜，其水溶性物質包括多種醛、酮、酸等有機物。例如植物原料中木質素組成單體阿魏酸，黃酮等物質在生物代謝中就表現出抗氧化性，具有得失電子的能力。由此推測向發酵培養基中添加少量植物原料，將有助于調節菌種培養條件，加速發酵途徑中NADH代謝速度，從而提高丙酮丁醇梭菌的發酵性能。

本發明提供一種添加植物原料以提高丁醇生產菌發酵性能的方法，即分別在丁醇生產菌發酵起始階段和產酸階段向發酵培養基中補加少量植物原料，可以使未經活化的丁醇生產菌直接用于發酵生產，縮短了丁醇生產菌發酵延滯期，同時提高了丁醇生產菌的溶劑轉化率。本發明解決了丁醇生產菌普通存在的保存菌種易退化、發酵延滯期長的問題，同時提高了丁醇生產菌的溶劑產量，降低了發酵液中副產物丁酸和乙酸的比例。

發明內容