[发明专利]一种直接酶解植物秸秆发酵生产2.3－丁二醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于微生物发酵领域，特别涉及利用一株具有分泌纤维素酶能力的芽孢杆菌，在不外加纤维素酶条件下，直接利用秸秆发酵产2.3-丁二醇的方法。

背景技术

2.3-丁二醇作为一种潜在的非常有价值的平台化合物，在国际上引起了广泛的关注。它是一种无色无味的手性化合物，分子量90.12kDa，沸点较高(180-184℃)，凝固点较低(-60℃)，是优良的抗冻剂。作为化工中间体，它可以经脱水转化为具有高燃烧值在燃料添加剂方面广泛应用的丁二酮和在合成橡胶上广泛应用的1.3-丁二烯；通过缩合、聚合等反应可生成别的化合物，如：苯乙烯，辛烷和2.3-丁二醇二乙酸酯等等，作为添加剂可广泛应用于油墨、化妆品、洗液、防冻剂、熏蒸剂、软化剂、增塑剂、炸药和药物的手性载体等等。在材料和纺织生产加工行业分别用来生产聚丁烯对苯二酸酯树脂、γ-丁内酯和斯潘德克斯弹性纤维等等。由于它的如此广泛的用途，国际市场上的需求在不断高涨。特别是环境上的考虑，作为液体燃料添加剂在当今世界内引起了更加重视。

细菌类微生物发酵生产2.3-丁二醇的代谢途径研究得已非常清楚(附图1)，主要涉及到乙酰乳酸合成酶、乙酰乳酸脱羧酶、3-羟基丁酮还原酶和3-羟基丁酮氧化酶等关键酶，这为微生物发酵生产2.3-丁二醇提供了很好的理论依据。以葡萄糖作为初始底物细菌微生物发酵生产2.3-丁二醇的终产品除2.3-丁二醇外，通常还伴有3-羟基丁酮、乙酸、乙醇、乳酸和琥珀酸等。其中3-羟基丁酮经3-羟基丁酮还原酶还原可生成2.3-丁二醇，该反应是可逆的。2.3-丁二醇有三种立体异构体：右旋(dextro-)、左旋(levo-)和中间(meso-)异构体形式。通常，不同微生物能产生其中的两种立体异构体形式。

目前广泛报道产2.3-丁二醇的菌种有克雷伯氏菌(Klebsiella)、枯草芽孢杆菌(B.Ssubtilis)、多粘类芽孢杆菌(B.Polymyxa)、地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)、产气气杆菌(Aerobacter aerogenes)、产气肠杆菌(Enterobacter aeroyenes)、沙雷氏菌、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)、产气气杆菌(Aerobacter aerogenes)、阴沟肠杆菌(Enterbacter cloacae)以及沙雷氏菌属(Serratia)和假单胞菌属(Pseudomonas)的一些微生物。其中克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)和多粘类芽孢杆菌(Bacillus polymyxa)产2.3-丁二醇能力和潜力较大，因而研究得也较广泛(Yu&Saddler，appl.Environ.Microbiol.，1982，777-784.)。但这些研究大多是直接以葡萄糖或者以纤维素的酸/碱/酶法水解糖液作为碳源，未见到有能直接利用纤维素作碳源的研究报道。

目前大多利用液态发酵生产2.3-丁二醇，由于发酵液含水量很大而2.3-丁二醇沸点又很高，所以这给后续的提取工艺带来了很大的困难。如：全蒸发、膜蒸馏、真空膜蒸馏以及有机溶剂萃取等等(M.J.Syu.Appl.Microbiol.Biotechnol.，2001，55：10-18)。因而本发明在本课题有着多年来固态发酵相关研究的深刻认识和良好基础上，采用固态发酵生产2.3-丁二醇。

尽管以天然可再生资源的木质纤维废弃物作为碳源具有很强的经济可行性，但由于纤维素酶的昂贵价格以及理化预处理导致水解物中的发酵抑制物等问题，使纤维质类可再生资源通过微生物发酵生产2.3-丁二醇难以工业化。鉴于此，本发明公开了一种直接以秸秆作为唯一碳源，在不外加纤维素酶的条件下通过微生物液体和固态发酵生产2.3-丁二醇的方法，能够解决生产2.3-丁二醇时，必须外加纤维素酶或用理化预处理常常导致糖液中存在发酵抑制物的问题；通过固态发酵还能够解决液态发酵时2.3-丁二醇浓度低，难以蒸馏提取和提取成本偏高的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述2.3-丁二醇研究开发中的技术难点和存在的问题，提供一种利用一株具有分泌纤维素酶能力的芽孢杆菌，在不外加纤维素酶条件下，直接利用秸秆发酵产2.3-丁二醇的方法。本发明的技术方案如下：

本发明提供的直接酶解植物秸秆发酵制备2.3-丁二醇的方法，该方法为：提供一具有分泌纤维素酶能力的芽孢杆菌；以秸秆类或木质纤维素作唯一碳源，使用该芽孢杆菌在培养基不外加纤维素酶的条件下，进行发酵生产2.3-丁二醇；其具体步骤如下：