[发明专利]一种以菊芋为原料发酵生产2,3－丁二醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，涉及一种发酵生产2，3-丁二醇的方法，特别 涉及到一种以菊芋为原料经微生物发酵生产2，3-丁二醇的方法。

背景技术

2，3-丁二醇(英文名：2，3-Butanediol，以下简称2，3-BD)是一种极其重要的 化工原料，具有广泛的应用领域。它是极具价值的液体燃料；并且易于脱水得 到重要的工业有机溶剂或燃料添加剂甲乙酮以及合成塑料和人造橡胶的单体 -2-丁烯和1，3-丁二烯；同时2，3-BD也很容易催化脱氢获得乙偶姻和二乙酰化 合物，用来制作高价值香料和食品添加剂；酯化形式的2，3-BD是合成聚亚胺的 前体，可应用于药物、化妆品、洗涤液等；2，3-BD自身也可以作为单体用来合 成高分子化合物；左旋形式的2，3-BD由于其较低的凝固点可用作抗冻剂；此外， 2，3-BD还在染料、炸药、香水、药物载体等领域显示出潜在的应用价值(Appl Microbiol Biotechnol，2001，55(1)：10-18；精细与化工专用品，2006，14(15)： 15-18)。2，3-BD虽然具有如此广泛的应用潜力，但偏高的价格却一直影响并限 制了其大规模生产和广泛的应用。

2，3-BD的生产方法主要有化学法和生物转化法。由于化学法合成比较困难， 至今尚未实现工业化生产；生物转化法是以可再生资源为原料，通过微生物代 谢将单糖转化为目标产物。由于生物转化法具有安全、环保、反应条件温和等 特点，越来越成为国内外研究开发的热点。目前对生物转化法生产2，3-BD的报 道较多，且多是利用葡萄糖为碳源(Appl Microbiol Biotechnol，1991， 34(4)：463-468；Chin J Chem Eng，2006，14(1)：132-136)，而利用葡萄糖为碳源又存 在其价格较高且与人争粮、与粮争地等问题。同时也有报道利用糖蜜、淀粉或 甘蔗汁为碳源发酵生产2，3-BD(Z.Naturforsch，2001，56：787-791；中国专利申请 公开号：CN1710086A)，还有少量报道是以纤维素为碳源(Appl Microbiol Biotechnol，2001，55：10-18；Enzyme Microb Technol，1991，13：110-115；中国专利 申请公开号：CN101153291A)，但最终产物2，3-BD的浓度都不高，因此寻找一 种既廉价又有效的非粮原料来替代粮食作物是推进发酵生产2，3-BD的必经之 路。由于用于生产2，3-BD的菌株具有较宽的底物食谱，己糖、戊糖、特定的二 糖、糖醛酸等都可以作为底物，因此利用种植广泛的、不与粮食争地的非粮廉 价原料菊芋作为发酵底物，是加快2，3-BD实现大规模生产的必然选择。

菊芋(又名洋姜、鬼子姜)作为一种可再生资源，在我国分布广泛。菊芋 适应性和抗病能力都很强，不用施肥，但长势旺盛，尤其适合在废弃土地上种 植，如沙漠、盐碱地等。菊芋非常容易栽培，通常一年种植后可每年收获，可 以连收4-5年。菊芋含有一种贮存性多糖--菊粉，约占菊芋肥大块茎干重的70％ 以上。菊粉又叫菊糖，主要成分是各种果聚糖，经菊糖酶水解得到以果糖为主 并含有部分葡萄糖的水解液，可用来作为发酵生产2，3-BD的底物。另外菊粉中 还含有一定数量的蛋白质、果胶、纤维素及微量元素等其它营养成分对发酵可 能存在促进作用(四川师范大学学报(自然科学版)，1999，22(6)：747-751；北京 工商大学学报(自然科学版)，2004，22(16)：8-17)。Jacques Fages等人也曾尝试 过用菊芋为原料采用批式发酵的方式来生产2，3-BD(Appl Microbiol Biotechnol， 1986，25(3)：197-202)，但在最佳培养条件下得到的2，3-BD浓度仅为44g/L。目 前已有不少文献报道利用菊芋为原料发酵生产燃料乙醇以及微生物油脂(Food Technol Biotechnol，2005，43(3)：241-246；中国专利申请公开号：CN101108997 A；中国专利申请公开号：CN1952163A)，都取得了较好的结果。因此利用非 粮可再生资源菊芋为原料，采用分步糖化发酵或同步糖化发酵工艺获得较高浓 度的2，3-BD，可以在一定程度上降低生产成本，提高生产效率，还能为山区资 源的开发利用开辟一条很好的途径。

发明内容