[发明专利]一种自由控制丙丁梭菌ABE发酵丙酮产量与丙酮/丁醇比的方法

说明书

本发明公开了一种自由控制丙丁梭菌ABE发酵丙酮产量与丙酮/丁醇比的方法，通过调整发酵培养基初始葡萄糖浓度在20‑60g/L；当丙丁梭菌ABE发酵进入到溶剂生产期后3‑5h或pH触底反弹回升0.2‑0.3以后，控制葡萄糖浓度在接近于0‑3.9g/L的低水平，维持ABE厌氧发酵条件直至发酵结束。使用本发明提供的方法，可以调节丙酮/丁醇比为0.6‑1.02之间、丙酮浓度7.34g/L‑11.74g/L在之间，最大丙酮浓度和丙酮/丁醇比是所见研究报道和相关专利的最高水平，为实现利用生物质原料替代化石原料合成丙酮、自由调控ABE发酵的丙酮/丁醇比、实现ABE发酵产品的多样化提供了参考，对ABE发酵具有重要指导意义。

技术领域

本发明涉及一种提高和自由控制ABE发酵丙酮/丁醇比的方法，尤其是利用丙丁梭菌生产丙酮和丁醇、强化生物丙酮合成的新型发酵方法，属于生物技术领域。

背景技术

丁醇和丙酮都是重要的平台化合物，在化工、塑料、医药、有机合成、涂料和印染等行业具有广泛用途。同时，生物丁醇是一种极具潜力、清洁可再生的新型液态燃料，可作为化石燃料的替代品；而丙酮则是优良的柴油助燃剂，它可以提高柴油的燃烧性能、减少有害气体(NO_X、SO_X等)的排放，环境效益明显(Wu H,Nithyanandan K,Zhang J,et al.Impactsof acetone-butanol-ethanol(ABE)ratio on spray and combustion characteristicsofABE-diesel blends.Appl.Energy,2015,149:367-378)。发展生物燃料和高效燃料添加剂已成为世界各国应对能源危机、减少温室气体排放、改善气候环境的重要措施。丙酮-丁醇-丁醇发酵也称为ABE(Acetone-Butanol-Ethanol)发酵，其主产品是丁醇，丙酮是主要副产品，发酵产物中的丁醇/丙酮/乙醇的摩尔比率大约为6:3:1(质量比约为67:26:7)。目前，人们更为看中的是丁醇发酵生产，几乎所有研究都集中在高效生产丁醇、抑制丙酮合成，增加丁醇在总溶剂中所占有的比率(等同于降低丙酮/丁醇比)，提高原料对丁醇的转化率等方面。

2014年，我国丙酮消费量达130万吨，年增加率逾10％。目前，由于没有专一性发酵生产丙酮的微生物菌株，丙酮基本上完全(90％以上)依靠不可再生的、化石原料合成生产，其可持续发展和碳排放存在很大问题。ABE发酵可以生产少量丙酮，但是，多年来，丙酮生物合成并不受重视。其原因在于：1)发酵浓度太低(一般只有5g/L左右)；2)与主产品(丁醇)抢夺发酵原料、降低原料的目标转化率。但是，即便丙酮发酵浓度很低，它毕竟也是一个副产品、而不能简单地抛弃，其产量仍旧要统计到ABE发酵的原料利用报表中去。目前，发酵法生产丙酮仍利用传统丙丁发酵菌种(丙丁梭菌、拜式梭菌、糖型梭菌等)进行，生产效率低。生命周期评价(life cycle assessment，LCA)法是一种对多重产品生产过程进行经济评价的有效方法。它通过对某一过程的产品多样性、产品价格、温室气体排放，以及生产原料的物性和能量特征进行评估，找出过程经济性、环境效益和产品多样性的最佳切入点，从而实现生产过程性能的整体最优。有研究报道指出，ABE发酵的LCA和经济性依赖于将丙酮作为重要平台化合物和高效清洁燃料添加剂的评价(KA,Rühl J,Blank L M,etal.Integration ofbiocatalyst and process engineering for sustainable andefficient n-butanol production.Eng.Life Sci.,2015,15:4-19)。实际上，侧重LCA的ABE发酵实际上等同于同时强化丙酮和丁醇的合成、并最大可能地提高丙酮/丁醇质量比。