丁醇是一种重要的化工原料.doc

丁醇是一种重要的化工原料，还是一种极具潜 力的新型生物燃料，被称为第二代生物燃料，在替代 汽油作为燃料方面性能优于乙醇：丁醇含有的热值 比乙醇高25％，与汽油相当；丁醇的燃点高于乙醇， 使用更安全；与乙醇相比，丁醇更易溶于汽油和柴 油，而不易溶于水；丁醇腐蚀性小，易于运输，可直接 应用于汽车而不必改造现有发动机?。 丁醇生物发酵一般是利用丙酮丁醇梭菌(Clostridiwn∞渤以锄)在严格厌氧条件下进行的，其主要产物是丁醇、丙酮和乙醇，含量约为6：3： l，简称AB或ABE发酵[2]2。ABE发酵是最古老的发 酵工业之一，曾经在生产规模上仅次于乙醇发酵。 但从20世纪60年代以后，由于化学合成丁醇的竞 争，ABE发酵工业逐渐萎缩[3-4J，其原因是发酵法的 生产成本较高。导致丁醇发酵成本高的因素有bj： 底物费用高(如淀粉)、产物浓度低(存在严重的产物 抑制作用)、产物回收费用高。随着全球能源危机的 不断加剧，以生物质为原料，采用生物发酵法生产各 种化工产品及液体燃料受到了广泛关注。本文将从 原料的选用，高效菌种的构建、新型发酵反应器及工 艺的应用、先进产物回收系统建立等几个方面进行 概述。 1原料的选用 1912年切姆·魏茨曼发现丙酮丁醇菌可以淀粉 为基质发酵生产丙酮、丁醇和乙醇。第一次世界大 战之后生物丁醇发酵转而利用价廉的糖蜜为原料。 随着原料价格的上涨，几乎占据生产总成本的 60％一70％，成为影响丁醇价格的重要因素，制约着 ABE发酵的经济可行性引5。丙酮丁醇菌具有宽泛的 底物谱，不仅能以己糖(葡萄糖、果糖等)和戊糖(木 糖、阿拉伯糖等)为底物，还能利用淀粉、木聚糖等多 溶剂浓度、生产率和转化率分别达25 g／L、0．6 g／(L ·h)、0．42 g／g(葡萄糖)。这表明利用木质纤维素为 原料进行丁醇发酵是可行的，具有广阔前景。 2高效菌种的构建 2．1丁醇发酵的菌种及代谢途径 长久以来人们对丙酮丁醇梭菌的分类比较模 糊。DNA杂交技术和16S rRNA测序结果表明【7]，生 产丙酮、丁醇的梭菌分为2类：淀粉分解梭菌和糖化 梭菌。其中C．acetobutyliaan ATCC824和C．acetobutylicum DSMl732是淀粉分解梭菌的代表菌株，糖 化梭菌则分为3个不同的种：C．beijerinckii NCIMB8052、C．actobutyliazm Nl_4和C．actobutylicum NCP P262。 丙酮丁醇梭菌分泌多种酶如口一淀粉酶、口一葡 萄糖酶、卢一淀粉酶、卢一葡萄糖酶、葡萄糖淀粉酶等， 能将多糖如淀粉、木聚糖分解成单糖[8]8。六碳糖(葡 萄糖、果糖)和五碳糖(木糖、阿拉伯糖)通过细胞膜 表面运输系统进入细胞，随后进行糖酵解和戊糖磷 酸化途径，继而在一系列酶的催化下，生成丁醇，其 合成如图1所示。 2．2基因工程菌的构建 丁醇的生物发酵有许多内在的限制因素，如低 产物浓度、低生产率、低丁醇比率等。采用基因工程 图1 丁醇生物合成 靶向技术构建新的菌株可显著提高原始菌株的性 能，从而达到以下几个目的：提高底物的利用率，甚 至能直接以木质纤维素为降解底物；提高丁醇的产 量及获得高丁醇比溶剂；增强菌株的丁醇耐受力，来 提高丁醇的浓度等。 通过转基因技术可以提高丁醇的产量，Mermel． stein等[9]将带有乙酰乙酸脱羧酶基因(ado)，辅酶A 转移酶(cffA／ctfB)的质粒pFNK6移入C．acetobutyti 优m ATCC824。结果菌株表现稳定，丙酮、丁醇、 乙醇产量分别提高95％、37％、90％。Christopher 等[10]将过量表达热激蛋白(groES和groEL)的质粒 转入C．∞咖6删玩m ATCC824中，构建了新的菌 株。过量表达goES和groEL的菌株产生的总溶剂 浓度与野生菌株、质粒对照菌株相比分别提高40％ 和33％，并且新构建菌株的代谢活性周期比野生菌 株延长了2．5倍。 基因工程技术还可改变终产物之间的比值，提 高丁醇所占的比重，减少丙酮、乙醇等副产物的产 生，为丁醇的进一步回收提供便利。Tummala等[11] 通过过度表达乙醇／乙醛脱氢酶，并且通过反义 RNA技术抑制乙酰辅酶A转移酶(CoAT)活性，下调 乙酰辅酶A转移酶基因(ctfB)的表达，最终使得丁醇 产量增加到2．8倍。另外，在利用反义RNA技术抑 制丙酮合成途径中酶的活性时发现，乙酰辅酶A是 丙酮生物合成的限速酶，抑制乙酰辅酶A的活性可 以显著地降低丙酮的生成量【12j。虽然DNA重组技 术获得了很大的进步，但是到目前为止，还没能构建 出适合工业化生产的高丁醇产量菌株，这是因为控 制丁醇合成的酶是由一系列基因来调控的，其调节 过程相当复杂。 诱变也是菌株改良的一种有效手段。过氧