本发明专利技术公开了一种氧化还原电位调控厌氧发酵生产丁醇的方法，包括菌种活化、种子培养、厌氧发酵三步骤，根据丙酮丁醇梭菌厌氧发酵生产丁醇时氧化还原电位变化的特性，在发酵体系中引入ORP电极，结合氧化剂过氧化氢、硫酸铁或铁氰化钾，以及还原剂维生素C、硼氢化钠或硫化钠对发酵体系的ORP进行调节，将厌氧发酵的初期ORP控制在-550±5mv，当OD600长到2后，再将ORP控制在-525±5mv。此方法操作简便，对于厌氧发酵控制参数的研究和生物基丁醇的制备研究，具有重要的理论意义和应用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用氧化还原电位调控厌氧发酵生产丁醇的方法，属于生物化工
技术介绍
20世纪初，丙酮、丁醇发酵是仅次于乙醇发酵的第二大发酵工业，但随着石油化工的发展，逐步被化学法替代。随着石油资源的日益紧缺，生物法生产丙酮、丁醇重新显示出优势。受世界石油资源价格、环保和全球气候变化的影响，发展生物燃料已成为许多国家提高能源安全、减排温室气体、应对气候变化的重要措施。生物丁醇以其能量密度高、腐蚀性小、对水的宽容度大、可以和汽油混合等许多优于生物乙醇之处而受到世界各国的广泛关注。丁醇不仅是优良的有机溶剂和重要的化工原料，能应用于化工、塑料、有机合成、油漆等工业，而且还是一种极具潜力的新型生物燃料，在替代汽油作为燃料方面优于乙醇。丁醇，又称正丁醇，是重要的有机化工原料，可用作油漆和表面涂料，也用于生产邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)等增塑剂，还用来制造醋酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯、正丁胺、氨基树脂、乙二醇醚，并可用于表面涂料、皮革处理、香料、橡胶加工助剂和农用化学品等方面。随着我国化学工业和医药工业的不断发展，丁醇将有一定增长 0从丁醇的消费市场看，丙烯酸丁酯和醋酸丁酯需求的强劲增长将是推动丁醇消费增长的主要动力。丙酮、丁醇发酵是丙酮丁醇梭状芽孢杆菌(Clostridium acetobutylicum，简称丙丁菌)等在厌氧条件下将葡萄糖、木糖等代谢为丙酮、丁醇和乙醇的生物化学过程。丙丁菌的代谢途径开始是从葡萄糖经丙酮酸到大量乙酸、丁酸积累，然后从乙酸和丁酸形成丙酮、 丁醇和乙醇。发酵体系的氧化还原电位值是PH值、溶解氧浓度、平衡常数和大量溶解培养基中物质的氧化还原电位的综合反映. Agric. Biol. Chem., 1974,38 :2399-2405]。胞外的氧化还原电位可以影响胞内的酶活、NADH/NAD+的比例，从而可以影响菌体的代谢。目前，有关氧化还原电位用于发酵过程的调控已经在许多专利中出现。中国专利CN101307339报道了江南大学孙志浩等调节厌氧发酵产琥珀酸过程中菌体生长与产酸的ORP值，选取适合于菌体生长与产酸的ORP值作为发酵控制参数，以达到提高琥珀酸产量和降低副产物浓度的目的。中国专利CN101235397报道了华东理工大学王永红等控制发酵液的氧化还原电位为-190 -150mv，使得菌体较快适应发酵环境，以高的比生长速率生长，可大大提高乳酸菌生产乳酸的产量。中国专利CN101182555报道了南京工业大学李建等将氧化还原电位控制在最适值，达到了丁二酸的高效率生产，减少了副产物生成， 缩短了发酵时间。丙酮丁醇梭菌的氧化还原电位包括两方面。一方面由于它缺乏氧化还原电位较高的细胞色素和细胞色素酶，对于许多代谢物就不能或很少氧化，能量供应就不足。因此，它不能在有氧或氧化还原电势较高的环境中生长。另一方面，当丙酮丁醇梭菌种子液接入培养基后，细胞的周围被菌液带来的还原性物质所包围，开始进行代谢。培养基中的营养物被微生物的氧化还原酶系氧化，并通过酶系的传递，使培养基中的氧及其它氧化物质被还原， 细菌中获得能量，同时培养基中的氧化型物质浓度降低。也就是说，细菌本身的代谢起到了还原的作用，使自己建立了一个还原电位低到可以生长的环境，得以继续进行生长繁殖。丙酮丁醇发酵过程是一个厌氧发酵的过程，且可分为两个时期，即产酸期、产醇期。在产酸期，PH值下降，丙丁菌细胞数目激烈增加，溶剂产生很少，主要发酵产物是乙酸、 丁酸、H2和(X)2等；在产醇期，丁酸和乙酸被还原，pH值上升，其减酸速率与前发酵期的升酸速率相似，其中丁酸的减少比乙酸多，转变成丙酮、丁醇等溶剂，在这个时期，发酵现象最旺盛，菌体活力最强，菌体数量最多。两个发酵阶段的氧化还原电位值有一定的变化规律，产酸期ORP值较高有利于均提升长，产醇期ORP值较低有利于产醇。现有的技术中还没有直接通过筛选合适的氧化剂与还原剂来设计合适的ORP调控策略来提高丁醇和总溶剂的产量以及提高总溶剂转化率和生产速率的专利或其他文献报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种利用氧化还原电位调控厌氧发酵生产丁醇的方法，以达到提高丁醇和总溶剂产量、生产速率和转化率的技术效果。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下，包括菌种活化、种子培养、厌氧发酵三步骤，根据丙酮丁醇梭菌厌氧发酵生产丁醇时氧化还原电位变化的特性，在发酵体系中引入ORP电极，结合氧化剂过氧化氢、硫酸铁或铁氰化钾，以及还原剂维生素C、硼氢化钠或硫化钠对发酵体系的ORP进行调节，将厌氧发酵的初期ORP控制在-550士5mv，当0D_ 长到2后，再将ORP控制在-525 士 5mv。其中，氧化剂过氧化氢、硫酸铁、铁氰化钾分别为浓度1 2g/L的水溶液；还原剂维生素C、硼氢化钠或硫化钠分别为为浓度1 2g/L的水溶液。其中，所述的丙酮丁醇梭菌为丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum) XY16CCTCC NO :M 2010011,丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum) ASl. 134CGMCC1. 134，或丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)ASl. 135CGMCC 1. 135ο其中，所述的菌种活化步骤中，菌种由冻存的甘油管中接入50mL血清瓶的pH为 6. 0 7. 0的含有淀粉或糖类的能提供碳源、氮源以及无机盐的液体培养基中，通入N2或 CO2，在恒温培养箱中培养，温度为30 40°C，活化培养12 Mh，用于种子培养基接种和菌种保存。其中，所述的种子培养步骤中，种子培养的培养基为pH 6. 0 7. 0的含有淀粉或糖类的能提供碳源、氮源以及无机盐的液体培养基，培养时将500mL血清瓶中加入种子培养基100 400mL，通入队或0)2，115 121°C灭菌15 30min，冷却后接入活化的种子液， 培养温度为30 40°C，在恒温培养箱中培养，培养时间为8 16h，用于发酵罐接种。其中，所述的厌氧发酵生产丁醇的步骤中，发酵培养的培养基为pH 6. 0 7. 0的含有糖类的能提供碳源、氮源及无机盐的液体培养基，发酵罐中放入PH电极和ORP电极，接种量为5% 10% (ν/ν)，温度为35 40°C，发酵罐通入队或(X)2以保持发酵体系的厌氧环境，搅拌转速在100 200rpm，并利用强酸和强碱控制发酵过程pH在4. 0 6. 0，发酵的初期ORP控制在-550士5mv，当OD6tltl长到2后，再将ORP控制在-525士5mv，发酵总时间为 36 72h。其中，所述的强碱为2mol/L的氢氧化钠水溶液，强酸为2mol/L的盐酸水溶液。本专利技术的有益效果在于本专利技术通过ORP电极检测发酵过程的ORP值变化，加入氧化剂和还原剂，并将体系的PH控制在最适值，达到丁醇的高效率生产，提高了丁醇以及总溶剂的生产强度。本专利技术采用ORP电极测定丁醇发酵体系的ORP值，并利用氧化剂和还原剂控制发酵体系的ORP值，对于厌氧发酵控制参数的研究和生物基丁醇的制备研究，具有重要的理论意义和应用价值。具体实施例方式根据下述实施例，可以更好地理解本专利技术。然而，本领域的技术人员容本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种氧化还原电位调控厌氧发酵生产丁醇的方法，包括菌种活化、种子培养、厌氧发酵三步骤，其特征在于，根据丙酮丁醇梭菌厌氧发酵生产丁醇时氧化还原电位变化的特性，在发酵体系中引入ＯＲＰ电极，结合氧化剂过氧化氢、硫酸铁或铁氰化钾，以及还原剂维生素Ｃ、硼氢化钠或硫化钠对发酵体系的ＯＲＰ进行调节，将厌氧发酵的初期ＯＲＰ控制在－５５０±５ｍｖ，当ＯＤ６００长到２后，再将ＯＲＰ控制在－５２５±５ｍｖ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：姜岷，郭亭，孙佰军，奚永兰，陈可泉，吴昊，韦萍，欧阳平凯，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：84
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