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丁醇的发酵控制

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微生物发酵生产丁醇

微生物发酵生产丁醇

► ► 韩国 为应对高油价，韩国产业资源部2007年表示，计 划大力研发生化丁醇(Bio-butanol，直接替代汽 油的生物燃料)、生物合成石油等下一代新能源 技术和天然气固化储存和运输技术。第一阶段从 2007年至2010年3年内，计划投入200亿韩元开发 上述技术，其中政府投资113亿韩元，由韩国化 学研究院、CS精油、SK建设、三星综合技术院 (SAlT)和汉城大学(Hansung University)等29个 企业和研究机构共同参与。一阶段研发结束时， 将开发出生产能力3万L/a生化丁醇、35桶生物合 成柴油和20t固化天然气的成套设备。 中国 国内的科研院所以及一些发酵企业也都开始着手 丁醇的研究开发，开始这方面研究的科研院所有 中国科学院上海植物生理生态研究所、上海工业 微生物研究所、清华大学核能与新能源技术研究 院等，其中中国科学院上海植物生理生态研究所 “七五”期间承担过高丁醇比丙酮丁醇菌的选育， 并成功选育出了7：2：1丙酮丁醇菌种。相关的 企业有河南天冠集团的子公司上海天之冠可再生 能源有限公司、华北制药公司、河北冀州溶剂厂 等，其中上海天之冠可再生能源有限公司和中国 科学院上海植物生理生态研究所关于发酵法生产 丙酮丁醇的项目已经申请了国家“973”、国家 "863"计划以及中国科学院计划，项目的重点是 构造高产、高底物选择性的丙酮丁醇菌种和开发 新的发酵工艺，包括纤维质原料发酵生产丙酮丁 醇、溶剂抽提耦联发酵技术以及研究先进的发酵 过程装备等
谢谢聆听
THANK YOU FOR YOUR ATTENTION
秸秆发酵生产丁醇的方法
2015210574 陈思思
丁醇优势
丁醇与乙醇相比具有以下优势： ①能量含量高，与乙醇相比可多 走30%的路程；②丁醇的挥发性 是乙醇的1/6倍，汽油的1/13.5， 与汽油混合对水的宽容度大，对 潮湿和低水蒸气压力有更好的适 应能力；③丁醇可在现有燃料供 应和分销系统中使用，而乙醇则 需要通过铁路、船舶或货车运输； ④与其他生物燃料相比，腐蚀性 较小，比乙醇、汽油安全；⑤与 现有的生物燃料相比，生物丁醇 与汽油的混合比更高，无需对车 辆进行改造，而且混合燃料的经 济性更高；⑥与乙醇相比，能提 高车辆的燃油效率和行驶里程； ⑦发酵法生产的生物燃料丁醇会 减少温室气体的排放。与乙醇一 样，燃烧时不产生SOx或NOx， 这些对环境有利；
发酵过程控制

发酵过程控制


3搅拌热：液体之间 液体和设备之间的摩 擦
（4）蒸发热：发酵过程中以蒸汽形式散发 到发酵罐的液面;由排气管带走的热量
（5）辐射热：罐内外温差，使发酵液中有 部分热通过罐体向外辐射。
2 温度对微生物生长的影响
dx x x dt
1 dx x dt
当μ>>α时;α可忽略，微生物处于生长状态 μ α皆与T有关， 其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：
3 参数检测
❖ 参数检测方法 细胞浓度的测量
化学法：如DNA RNA分析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、
浊度分析等
➢ 新技术：以电容法为测量原理的在线 活细胞浓度测量传感器
原位活细胞在线检测仪
二 代谢调控在发酵过程控制中的应用 1 初级代谢物的生产调节
初级代谢物：指一类低分子量的终点产物及这些 终点产物的生物合成途径中的中间体
3 参数检测
参数的测量形式 ➢ 离线测量：基质糖 脂类、无机盐等、前体和代谢产物
（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等） ➢ 在线测量：如T 、pH、DO、溶解CO2、尾气CO2、黏度、
搅拌转速等 优点：及时、省力;可从繁琐操作中解脱出来，便于
计算机控制 困难：传感器要求较高。
3 参数检测
❖ 对传感器的要求 能经受高压蒸汽灭菌； 传感器及其二次仪表具有长期稳定性； 最好能在过程中随时校正;灵敏度好； 探头材料不易老化，使用寿命长； 安装使用和维修方便； 解决探头敏感部位被物料反应液粘住 堵塞
2发酵过程中pH的变化规律
生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的 趋势
生产阶段：pH趋于稳定;维持在最适于产物合 成的范围
自溶阶段：pH又上升或下降
发酵液pH的改变对发酵的影响 1会导致微生物细胞原生质体膜的电荷改变;
pH值对微生物发酵的影响及其控制

pH值对微生物发酵的影响及其控制

pH值对微生物发酵的影响及其控制一、pH值对发酵的影响发酵培养基的pH值，对微生物生长具有非常明显的影响，也是影响发酵过程中各种酶活的重要因素。

pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响有以下几个方面：①影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；②影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄；③影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收；④pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。

培养基中营养物质的代谢，是引起pH值变化的主要原因，发酵液pH值的变化乃是菌体代谢的综合效果。

由于pH值不当，可能严重影响菌体的生长和产物的合成，因此对微生物发酵来说有各自的最适生长pH值和最适生产pH值。

各种不同的微生物，对pH值的要求不同。

多数微生物生长都有最适pH值范围及其变化的上下限：上限都在8.5左右，超过此上限，微生物将无法忍受而自溶；下限以酵母为最低(2.5)。

但菌体内的pH值一般认为是中性附近。

pH值对产物的合成有明显的影响，因为菌体生长和产物合成都是酶反应的结果，仅仅是酶的种类不同而已，因此代谢产物的合成也有自己最适的pH值范围，如合成青霉素的最适pH值范围为6.5～6.8。

这两种pH值的范围对发酵控制来说都是很重要的参数。

另外，pH值还会影响某些霉菌的形态。

一般认为，细胞内的H＋或OH－能影响酶蛋白的解离度和电荷情况，改变酶的结构和功能，引起酶活性的改变。

但培养基的H＋或OH－并不是直接作用在胞内酶蛋白上，而是首先作用在胞外的弱酸(或弱碱)上，使之成为易于透过细胞膜的分子状态的弱酸(或弱碱)，它们进入细胞后，再行解离，产生H＋或OH－，改变胞内原先存在的中性状态，进而影响酶的结构和活性。

所以培养基中H＋或OH－是通过间接作用来产生影响的。

pH值还影响菌体对基质的利用速率和细胞的结构，影响菌体的生长和产物的合成。

发酵过程控制

发酵过程控制


2010-10-26
2）发酵过程中pH的变化规律 ）发酵过程中 的变化规律
生长阶段： 相对于起始 相对于起始pH有上升或下降的 生长阶段：pH相对于起始 有上升或下降的 趋势 生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合 趋于稳定， 生产阶段： 趋于稳定 成的范围 自溶阶段： 又上升 自溶阶段：pH又上升
2010-10-26
(一)温度对发酵的影响及其控制 一 温度对发酵的影响及其控制
1. 影响发酵温度的因素 2. 温度对微生物生长的影响 3. 温度对产物合成的影响 4. 最适温度的选择与控制
2010-10-26
(1)发酵热 发酵热
发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热 发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
2010-10-26
1. 过程控制的重要性
生物因素： 菌株特性(营养要求 生长速率、 营养要求、 决定发酵 生物因素： 菌株特性 营养要求、生长速率、 呼吸强度、产物合成速率) 呼吸强度、产物合成速率 单位(水平 水平) 单位 水平 设备性能： 的因素 外部环境因素 设备性能：传递性能 物理： 工艺条件 物理：n、T、 化学：pH、DO、浓度 化学 浓度 过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（ 过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数 的确定） 的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的 控制。 控制。
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4. 最适温度的选择与控制
最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握 通气条件较差情况下， 通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正 常良好通气条件下低一些。 常良好通气条件下低一些。 培养基成分和浓度的影响
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4. 最适温度的选择与控制
新型能源生物丁醇 (2)

新型能源生物丁醇 (2)


生物酶法
利用酶催化反应将淀粉、 纤维素等物质转化为生物 丁醇。
合成气发酵法
将合成气（一氧化碳和氢 气的混合物）通过微生物 发酵转化为生物丁醇。
生物丁醇的生产原料
糖类物质
合成气
葡萄糖、木糖等糖类物质是生物丁醇 生产的主要原料，可从淀粉、纤维素 等物质中提取。
一氧化碳和氢气的混合物，可通过煤 化工或天然气转化获得，再用于生产 生物丁醇。
废弃物、纤维质等作为原料。
生物丁醇的分子式：C4H9OH。
03
生物丁醇的特性
物理性质
与乙醇相似，具有较高的能量密度（约21MJ/kg），沸点约 117.7°C，不溶于水，易溶于有机溶剂。
化学性质
具有醇羟基，可发生氧化、酯化等反应。
安全性
低毒，但大量摄入可能对肝脏产生毒性。
生物丁醇的用途
01
02
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05
生物丁醇的挑战与解决 方案
生物丁醇的生产成本问题
总结词
生产成本高昂是生物丁醇推广应用的主要障碍之一。
详细描述
生物丁醇的生产需要大量原材料和能源，导致其成本较高。此外，生物丁醇的生 产过程还需要专业的设备和工艺，进一步增加了生产成本。
生物丁醇的储存和运输问题
总结词
生物丁醇的储存和运输存在安全隐患 和困难。
技术进步推动
生物丁醇技术的不断进步和创新，将进一步降低 生产成本，提高产量和纯度，为大规模应用奠定 基础。
生物丁醇的技术创新
提高发酵效率
通过优化菌种、改进发酵工艺和提高设备效率等手段，提高生物 丁醇的发酵效率，降低生产成本。
分离提纯技术改进
改进生物丁醇的分离提纯技术，提高产品纯度，降低杂质含量，满 足不同应用领域的需求。
燃料乙醇生产工艺

燃料乙醇生产工艺

燃料乙醇生产工艺燃料乙醇是一种可再生的能源，被广泛应用于汽车燃料和化工工业。

乙醇的生产工艺涉及多个步骤，包括生产原料的选择、发酵和蒸馏。

首先，生产燃料乙醇的关键是选择合适的原料。

目前主要使用的原料有玉米、甘蔗、甜菜根和木质纤维等。

这些原料含有丰富的淀粉或糖分，可以通过发酵转化为乙醇。

其次，原料经过清洗和破碎处理后，进入发酵罐进行发酵。

在发酵过程中，添加适量的酵母菌和发酵剂，促进糖分的转化。

一般情况下，发酵温度保持在30摄氏度左右，发酵时间为24至48小时。

在发酵过程中，糖分被转化为乙醇和二氧化碳。

发酵完成后，乙醇溶液进入蒸馏塔进行蒸馏。

蒸馏过程中，乙醇的沸点较低，可以与水分开。

蒸馏塔将乙醇和水分离，得到高浓度的乙醇溶液。

一般情况下，蒸馏工艺包括多级精馏和回流冷凝等步骤，以提高乙醇的纯度。

最后，经过蒸馏的乙醇进一步经过脱水处理，去除残余的水分，以增加乙醇的纯度。

脱水处理通常使用丁醇或丙烯醇等脱水剂，将乙醇溶液与脱水剂混合，去除其中的水分。

燃料乙醇生产工艺的关键在于发酵和蒸馏两个步骤。

发酵过程需要控制适当的温度和酵母菌的添加量，以促进糖分的转化。

蒸馏过程则需要采用合适的工艺和设备，以实现乙醇和水的分离。

乙醇的生产工艺也有一些挑战和改进空间。

例如，原料的选择可以根据地区的资源和气候条件进行调整，以提高生产效益。

此外，发酵和蒸馏过程中的能源消耗也是一个关键问题，可以通过改进设备设计和采用高效能源的方式来减少能源消耗。

总之，燃料乙醇生产工艺包括原料选择、发酵和蒸馏等步骤。

通过合理控制发酵和蒸馏过程，可以生产出高纯度的乙醇。

未来，随着生产工艺的不断改进和技术的推进，燃料乙醇的生产将更加高效和可持续。

发酵工艺控制——PH

发酵工艺控制——PH

发酵工艺控制—— pH对发酵的影响及控制发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。

它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。

因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。

尽管多数微生物能在3～4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。

一、PH对发酵的影响微生物生长和生物合成都有其最适和能够耐受的pH范围，大多数细菌生长的最适pH 范围在6.3～7.5，霉菌和酵母生长的最适pH范围在3～6，放线菌生长的最适pH范围在7～8。

有的微生物生长繁殖阶段的最适pH范围与产物形成阶段的最适pH范围是一致的，但也有许多是不一致的。

表7-1列举了几种生长最适pH范围与产物形成最适pH范围不一致的例子。

pH还会影响菌体的形态。

例如，产黄青霉细胞壁的厚度随pH的增加而减小；当pH低于6时，菌丝的长度缩短，直径为2～3μm，当pH=7或>7时，直径为2～18μm，酵母状膨胀菌丝的数目增加。

pH下降后，菌丝形态又恢复正常。

pH还影响细胞膜的电荷状态，引起膜的渗透性发生改变，进而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的形成。

对产物的稳定性同样有影响。

除此之外，pH对某些生物合成途径有显著影响。

例如，丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的pH范围是5.5～7.0为好，发酵后期pH=4.3～5.3时积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。

又如，黑曲霉在pH=2～3时产生柠檬酸，pH近中性时，积累草酸和葡萄糖酸。

谷氨酸发酵中，pH=7或微碱时形成谷氨酸，pH酸性时产生N—乙酰谷酰胺。

从以上看出，为要更有效地控制生产过程，必须充分了解微生物生长和产物形成的最适pH范围。

二、影响发酵pH的因素发酵过程中，pH的变化是微生物在发酵过程中代谢活动的综合反映，其变化的根源取决于培养基的成分和微生物的代谢特性。

发酵过程优化与控制PPT课件

发酵过程优化与控制PPT课件

菌种生产性能越高，其生产条件越难满足。
.
3
发酵过程技术原理
分批发酵 补料-分批发酵 半连续发酵 连续发酵
.
4
分批发酵
几个重要参数：
为比生长速率,h-1； -qs 为比基质消耗速率,(g/g)/h； qp 为比产物形成速率,(g/g)/h 。
uX dX dt
q xX d S dt
补充养分，同时解除/消弱代谢产物的抑制。
不足：
丢失了未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体；送去提炼 的发酵液体积更大；丢失代谢产生的前体物；利于非产生 菌突变株的生长。
实施：海洋微藻合成藻红素和EPA。
需要摸索最佳的培养基更新速率。
.
10
连续发酵
发酵过程中一面补入新鲜的料液，一面以相同的流速 放料，维持发酵液原来的体积。（恒化培养）
.
1
发酵过程优化与控制
发酵
狭义——厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成 乳酸或乙醇等的分解代谢过程。
广义——微生物把一些原料养分在合适的发酵 条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过 程。
.
2
发酵是一个很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素： 菌种性能、培养基组成、原料质量、灭菌条件、种子 质量、发酵条件和过程控制等
pH变化会影响酶活，菌对基质的利用效率和细
胞结构，从而影响菌的生长和产物的合成。
.
23
选择最适发酵pH的原则是获得最大比生产速率和
适当的菌量。
分阶段pH控制策略
如何控制发酵液pH？
基础培养基的配方；通过加酸碱或中间补料 例如，青霉素发酵，通过调节加糖速率来控制pH；链 霉素的生产，补充NH3来控制pH，同时为产物合成提 供氮源。
培养液pH可反映菌的生理状况：pH上升超过最适值，意 味着菌处于饥饿状态，可加糖调节；糖的过量又使pH下 降；用氨水中和有机酸需防止微生物中毒，可通过监测 培养液种溶氧浓度的变化来控制。
发酵类产品成本控制概述

发酵类产品成本控制概述

因此要充分利用已经发展起来的各种菌种筛选方法， 如选择性培养筛选、富集培养分离筛选等，以提高菌种的筛 选效率，降低筛选风险。
另外，应该尽量筛选发酵过程中费用低廉的优良菌种。 如在单细胞蛋白质的生产研究中，可筛选嗜热放线菌 （Thermoactinomyces），因为：（1）它的最适生长温度为 55℃，可以节省冷却费用；（2）在蛋白质中，甲硫氨酸含 量较高，可以作为饲料蛋白质的添加剂；（3）菌体呈丝状， 可以简化从发酵液中获得菌体的过滤技术。
为进一步降低成本，可考虑采用工农业废物作为培 养基。
三、工厂与设备规模
一般认为设备越大，生产越经济，然而在成本与设 备大小之间有个经验关系。按照这个关系，随着设备的 增加，成本也随之增加。
n是一个指数或等级因素。在酿造业中的n值， Pratten认定为0.6。单细胞蛋白质工厂则为0.7或0.8。
Байду номын сангаас
关于发酵罐规模的大小的决定，还受到许多因素的限制， 如冷却、通气量和发酵罐的建造方法等。发酵罐的体积是与 r3（发酵罐的半径）成正比。发酵罐的表面积也是与r2成比 例。因此，放大容器，势必降低表面积对容积的比值，因而 降低发酵罐的夹套冷却效率。所以，当发酵罐容积超过一定 值以后，就难以利用其表面积作充分的热交换以保持恒温培 养。除非利用内蛇管或外循环热交换器增加冷却能力。添置 这类设施，必定会增加成本，或干扰发酵罐内的搅拌效果。 另一方法是更换生产菌株，它是能适应较高温度发酵的。发 酵过程对氧的需求，限制了发酵罐无限地放大。在醋酸生产 中，有效的通气是极度重要的。在1977年最大的醋酸生产罐 容积是50M3。
在多种处理方法能符合经济观点。Pape指出最廉价的处 理方法是控制堆积量，随后再予以焚烧，或堆放在废弃的盐 矿中。废水的生物降解是工厂中最昂贵的处理方法，但却是 常用的方法。因为在废水中只含有少量的有机物，如将它分 离、浓缩和焚烧，将是一笔更大的支出。
发酵法制备生物丁醇的研究进展

发酵法制备生物丁醇的研究进展

发酵法制备生物丁醇的研究进展唐家发;陈俊杰;庄文豪;王丽倩;李淑君;王慧【摘要】工业上生产丁醇的制备方法可以分为三种：生物发酵法、羰基合成法、醇醛缩合法，其中后两种都属于化学合成法。

利用不可再生的石油资源，存在很大的局限性，而通过生物发酵法生产丁醇的原材料十分广泛。

本文综述了发酵法产生物丁醇在国内外的历史发展过程、产生丁醇的菌种及其机制、发酵法和生物丁醇的优点，并对发酵法和丁醇生产中存在的问题及其解决方法进行了探讨，最后对其发展前景进行了展望。

%The preparation method of the industrial production of butanol can be divided into biological fermentation, carbonyl synthesis and aldol condensation method.The carbonyl synthesis and aldol condensation method belong to chemical synthesis e of non-renewable resources of oil is a big limitation, and raw materials of biological fermentation production of butanol are very extensive.The development process of butanol production by fermentation at home and abroad, butanol production and its mechanism of strain, fermentation and biobutanol, the advantages of and problems existing in the fermentation and butanol production and their solutions were discussed, its development foreground was prospected finally.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2015(000)023【总页数】3页(P15-17)【关键词】生物丁醇;发酵法;机制;优点【作者】唐家发;陈俊杰;庄文豪;王丽倩;李淑君;王慧【作者单位】东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040【正文语种】中文【中图分类】TQ214目前，中国是一个能源生产和消费大国，仅次于美国，位居世界第二。

丁辛醇OXO反应工艺的DCS控制

丁辛醇OXO反应工艺的DCS控制

摘要OXO反应器是石油化工行业醇类生产装置中的一个工艺单元，由于其本身的复杂性，不容易被控制在理想工况。

因此利用先进的DCS控制系统和方案对生产过程的压力、温度、液位、流量等参量进行控制是很有必要的。

本文结合实际的化工工艺与实际控制的DCS系统介绍课题研究背景，分析了国内外丁辛醇的生产现状，描述了课题研究的意义。

其次介绍了丁辛醇的不同的几种不同生产工艺，并就其中之一的OXO合成工艺进行详细分析。

然后对DCS控制系统的功能以及市场上主要的产品类型进行了简要的介绍并且进行选型，并对所选的TDC3000型号的软硬件进行配置。

再基于前文对于OXO反应器工艺的分析，对反应器在控制上的扰动进行分析，设计工艺控制方案，根据工艺控制方案给出详细的控制组态方案。

最后对论文进行总结并列出相应的参考文献。

关键词：羰基合成工艺（OXO），丁辛醇，TDC3000，复杂控制，组态AbstractOXO reactor is one of process unit producing alcohols in petrochemical industry. Due to complexity of the reactor, it is not easy to control it in the idealized condition. Therefore, it is essential to control the PTLF and other parameters in the process through advanced distributed control system. The paper firstly introduces the research background of the topic combined with actual chemical process and DCS system. Secondly, it introduces several kinds of ways of producing butanol and octanol, and analyzes detailedly one of the ways, OXO. Thirdly, it briefly introduces the function of DCS and main DCS products in the market and selects the type of DCS, then configures HW and SW of TDC3000 series. Fourthly, based on analysis of OXO reactor process, it analyzes disturb on the control of the reactor, designs the process control solution and designs detailed configuration according to the process control solution. Lastly, it concludes the whole paper and lists literature cite.Keywords：OXO, Butanol and octanol, TDC3000, Complex control, Configuration目录1 绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 国内外生产现状 (1)1.3 研究意义 (2)1.4 本文的主要内容和内容安排 (3)2 丁辛醇及其OXO合成生产工艺 (4)2.1 引言 (4)2.2 丁辛醇性质 (4)2.3 丁辛醇生产工艺方法概述 (5)2.4 OXO工艺流程 (6)2.5 本章小结 (9)3 DCS控制系统以及TDC3000系统 (10)3.1 引言 (10)3.2 DCS控制系统 (10)3.3 TDC3000控制系统 (11)3.4 TDC3000硬件配置 (12)3.5 TDC3000软件配置 (14)3.6 本章小结 (15)4 OXO合成生产工艺控制方案 (16)4.1 引言 (16)4.2 OXO合成生产工艺的扰动分析 (16)4.3 OXO合成生产工艺的控制要求 (17)4.4 OXO合成生产工艺的控制方案确定 (17)4.5 本章小结 (22)5 OXO合成生产工艺DCS控制的实施 (23)5.1 引言 (23)5.2 控制模块 (23)5.3 DCS控制组态 (24)5.4 本章小结 (33)6 总结与展望 (34)6.1 本文工作的总结 (34)6.2 未来工作的展望 (34)参考文献 (35)致谢 (37)1 绪论1.1 研究背景丁辛醇是重要的基本有机化工原料。

丙酮丁醇梭菌发酵产丁醇实验设计1-文档资料

37 37
pH 4 5 6
邻氨基苯甲酸浓度g/L 0.0005 0.001 0.0015
发酵温度℃ 32 34 36
4
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
37
42 42 42 42 47 47 47 47 52 52
7
4 5 6 7 4 5 6 7 4 5
（一）实验材料与方法
1. 试验材料：玉米秸秆、纤维素酶、及其他试剂和器材 2. 试验方法： （1） 玉米秸秆的预处理。碱浸泡法: 3%的NaOH,固液比 为1∶10,室温浸泡24 h,过滤,滤渣洗净后于60 ℃烘干水分至恒 重。氨水浸泡: 10%的氨水,固液比为1∶10,室温浸泡24h,过滤,滤 渣洗净后于60 ℃烘干水分至恒重。以不作处理玉米秸秆作为对 照。 （2） 酶水解反应条件。称取1 g秸秆于250 ml锥形瓶,加入纤维 素酶溶液(0. 05 mol/L, pH值4. 8的柠檬酸- 柠檬酸钠缓冲溶液) , 将三角瓶置于恒温水浴振荡摇床上进行酶解反应,温度50 ℃,转速 100 r/min,反应时间36 h。反应结束,离心取上清液进行还原糖的 分析。
二、丙酮丁醇梭菌发酵产丁醇培养基及发酵条件优化 （一）实验设计： 1.培养基及培养方法 (1)培养基
A 种子培养基: 5%玉米醪，pH自然; B 原始发酵培养基: 葡萄糖 50 g／L KH2PO4 0.5／L 醋酸胺 3 g/ L MgSO· 7H2O 0.2g/L K2HPO4 0.5 g/ L 邻氨基苯甲酸 0.01 g/ L pH 自然 C 单因素实验发酵培养基(g/ L ):以原始培养基为基础组分，分别 改变初始糖浓度、初始pH值、碳氮比、发酵温度、转速、邻 氨基苯甲酸浓度;
糖浓度:40 、 60 、 80 、 100 、 120 g/L pH值: 4 、 5 、 6 、 7 、 8 碳氮比: 37、42、47、52、57 邻氨基苯甲酸浓度:0.0005、0.001、 0.0015、0.002、 0.0025和 0.003g/L 发酵温度:32 、 34 、 36 、 38 、 40℃ 转速: 150、160、170、180、200r/min D 正交设计实验发酵培养基(g/ L ): 培养基选取葡萄糖为碳源，醋酸按为无机氮源，并添加适 量邻氨基苯甲酸。由于培养基的碳氮比C/N、初始pH、发酵温 度以及生长因子对微生物的丙酮、丁醇合成影响很大，故对发 酵培养基的C/N ，初始pH，邻氨基苯甲酸浓度，发酵温度进行 均匀设计实验，以达到优化发酵培养基和发酵条件的目的。 按照实验设计按下表配制;

发酵技术中的PH控制

发酵技术中的PH控制1 pH值对菌体生长和代谢产物形成的影响pH表示溶液氢离子浓度的负对数，纯水的[H+]浓度是10-7mol/L，因此pH为7，pH ＞7呈碱性，pH＜7呈酸性，pH值差1时，其[H+]浓度就相差10倍。

最高、最适、最低三基点，主要是影响微生物活动环境的离子强度、细胞膜的透性及膜上的带电性和氧化-还原电位、酶活性。

❖不同种类微生物，对pH要求不同；❖酵母：pH 3.8－6.0❖细菌：pH 6.5－7.5❖霉菌：pH 4.0－5.8❖放线菌：pH 6.5－8.0同种微生物对pH变化的反映不同。

如，石油代蜡酵母pH 3.5－5.0 生长良好，不易染菌；pH >5.0时，易染细菌；pH <3.0时，生长受抑制，易自溶；❖pH不同，微生物代谢产物不同。

❖❖pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响❖❖微生物生长和发酵的最适宜pH可能不同。

❖❖影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；❖影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄；❖影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收；❖pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。

❖影响氧的溶解和氧化还原电势的高低；❖pH值影响孢子发芽；举例：❖影响菌体的生长：产黄曲霉的细胞壁的厚度就随pH值的增加而减小：其菌丝直径在pH6.0时为2～3 μm；pH7.4时为2～18 μm，并呈膨胀酵母状；pH值下降后菌丝形态又会恢复正常。

❖影响产物合成：合成青霉素的最适pH值范围为6.5～6.8。

❖影响产物稳定性：β-内酰胺抗生素沙纳霉素的发酵中，pH在6.7～7.5之间时抗生素的产量相近，高于或低于这个范围，合成受到抑制。

在这个pH值范围内，沙纳霉素的稳定性未受到严重影响；但pH>7.5时，稳定性下降，半衰期缩短，发酵单位也下降。

第八章 发酵工艺的控制

发酵工艺过程，不同于化学反应过程，它既涉及生物细胞的生长、生理和繁殖等生命过程，又涉及生物细胞分泌的各种酶所催化的生化反应过程。

发酵工程是生物应用工程学科，是微生物学在工业生产领域的大规模应用，是化学工程在生物技术领域的延伸，是生物、化学和工程等学科的综合利用。

8.1发酵过程的主要控制参数1. 物理参数（1）温度（℃）直接影响发酵过程的酶反应速率，氧的溶解度和传递速率，菌体生长速率和合成速率。

（2）压力（Pa）影响发酵过程氧和CO2的溶解度，正压防止外界杂菌污染。

罐压一般控制在0.2×105～0.5×105 Pa。

（3）搅拌速度（r/min）搅拌器在发酵过程中的转动速度。

其大小影响发酵过程氧的传递速率，受醪液的流变学性质影响，还受发酵罐的容积限制（见下表）（4）搅拌功率（kW）搅拌器搅拌时所消耗的功率（kW/m3），在发酵过程中的转动速度。

其大小与液相体积氧传递系数有关。

（5）空气流量（m3空气/（m3发酵液·min））单位时间内单位体积发酵液里通入空气的体积，一般控制在0.5～1.0（m3空气/（m3发酵液·min））（6）粘度（Pa·s）细胞生长或细胞形态的一种标志，反映发酵罐中的菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。

（7）浊度（％）反映应单细胞生长情况（8）料液流量（L/min）进料参数（6）粘度（Pa·s）细胞生长或细Array胞形态的一种标志，反映发酵罐中的菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。

（7）浊度（％）反映应单细胞生长情况（8）料液流量（L/min）进料参数（3）溶解氧浓度（ppm或饱和度，％）溶解氧是好氧发酵的必备条件，是生化产能反应的最终电子受体，也是细胞及产物重要的组分。

通常用饱和百分度表示。

（4）氧化还原电位（mV）培养基的氧化还原电位是影响微生物生长及生化活性的因素之一。

在某些限氧发酵（如氨基酸），氧电极以不能精确使用，氧化还原电位参数控制较为理想。

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发酵的调控
为了更好地发展丙酮-丁醇工艺，可以减少副产物对 发酵的抑制作用，对发酵条件进行优化，或者增加 对发酵过程中辅因子的调节。 • 抑制剂对发酵的影响及脱毒 • 发酵条件优化 • 梭菌辅因子扰动
抑制剂的种类及对发酵的影响
• 纤维原料经预处理酶解后，生成可发酵糖的同时也生成了 一定量的发酵抑制物。这些抑制剂的存在会破坏细胞膜的 稳定性，细胞功能遭到破坏。主要包括有机酸、醛类、酚 类化合物。 • 这些水解副产物如酸类物质（乙酸）、醛类物质（糠醛）、 酚类物质（香豆酸）、盐类物质（Na2SO4、NaCl）在超过 一定浓度时对丁醇发酵菌株的生长与发酵均有显著的抑制 作用。抑制物的种类及产生的多少随原料和预处理方式的 不同而改变。
• ATP主要参与底物水平磷酸化和氧化磷酸化，是在线粒体 中完成ATP合成，可以通过调节电子传递链以及氧气供给 量来影响ATP，进而影响丁醇产量。因此，利用一系列酶 的作用，对电子传递链的活性进行调控，可以影响ATP合 成。 • 另外，NADH/NAD+氧化还原力调控在调节微生物代谢方面 起着至关重要的作用，它一般分为外源生化过程和内源基 因工程手段对氧化还原力进行调控。例如，Yang等利用外 源调节发酵过程中的还原力，通过人工控制溶解氧和酶物 质，效价提高到102.3 g·L-1，收益率是0.44 g·g-1， 以及丁醇生产力达到1.16 g·L-1·h-1。Li等通过内源调 节把烟酸（NADH和NADPH的前体）加入野生型梭状芽孢杆 菌的生长介质中，细胞生长速率和丁醇生成速率大大增加。 控制胞内能量和还原力供应能有效地改变微生物发酵过程 中的代谢途径，也可以促进微生物最大化地合成目标产物， 增加代谢速率，提高微生物发酵的经济性和竞争力。
发酵条件优化
• 对于不同的菌株所需培养的外界条件不同，为了使菌株产 量达到最大化，必须寻找最佳培养条件，使高产基因有效 表达。 • 培养条件的影响因素包括多种，如最适pH和比较完善的 培养系统等，都能影响丙酮-丁醇产量。
ห้องสมุดไป่ตู้
Jiang等发现pH是梭状芽胞杆菌生产丙酮、丁醇、 乙醇过程中的一个重要影响因素。 在这项研究中，梭状芽胞杆菌在不同pH值从4.9 到6.0下进行分批发酵，在pH值为5.5时，ABE产 量逐渐占优势，其最大浓度达到24.6 g·L-1 (15.7 g·Lof-1丁醇、8.63 g·L-1的丙酮和 0.32 g·L-1的乙醇)，此过程历经36 h消费60 g·L-1葡萄糖。与pH不受控制的情况相比，丙 酮-丁醇产量大大提高。除了培养条件之外，培 养系统也能影响丁醇生产效率。Wang等开发出 一种培养系统，该系统利用不同微生物的特定 代谢能力直接产生丁醇。该研究主要目的在于 寻找互补的微生物进行丁醇生产，结果发现， 新的微生物团体N3和菌株c celevecrescens N3-2能有效降解纤维素和产生大量的丁醇。由 此可知，通过改变发酵过程的培养条件，营造 适宜的转化环境，可以从很大程度上推动丁醇 的发酵效率增加。
水解液的脱毒目前常用的脱毒方法有物理法、化 学法和生物法。
物理法主要有旋转蒸发、活性炭吸附、交换树脂等。
其中旋转蒸发适合乙酸、糠醛等易挥发性物质的去除。 活性炭吸附主要依靠吸附作用除去部分木素降解物及其他毒害 物质，木素衍生物的去除率为30%~92.3%[37-39]。但废弃活性 炭的回收再利用仍是一个问题。 交换树脂既可以除去无机离子又可除去水解液中大部分糠醛、 醋酸、木素降解物，而且树脂可再生，可有效降低成本。
• 化学法是通过化学沉淀、改变pH值及一些抑制物的电离特 性从而达到降低毒性的目的，目前常用且效果较好的是氢 氧化钙过中和法。 • 生物法是用特定的酶或微生物作用于发酵抑制物，通过改 变抑制物的结构而降低毒性，可分为酶处理法和微生物处 理法。
实际应用中单一方法难以满足发酵需求，通常是各种方法取 长 补短，综合利用。用氢氧化钙过中和、旋转蒸发、活性 炭吸附脱毒3种方法相结合，可有效去除乙酸、糠醛、HMF 等物质，使发酵顺利进行，将脱毒后液体进行木糖醇发酵时， 木糖醇的产量达到了39.5g/L。
梭菌辅因子扰动
丙酮-丁醇发酵过程中存在许多辅因子，它们有的 能够促进丁醇生产，有的却对丁醇产生很大干扰， 这些辅因子（包括ATP/ADP,NADH/NAD+等）在微生 物代谢系统中广泛存在。它们在发酵过程中几乎 为全部生化反应提供能量、还原力，所以具有掌 控全局的效应。正因为如此,丙酮-丁醇梭菌辅因 子的研究意义十分重大。