[发明专利]利用酪丁酸梭菌发酵甘蔗渣水解液生产丁酸的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及生产丁酸的工艺，尤其是利用酪丁酸梭菌发酵甘蔗渣水解液生产丁酸的工艺，属于有机酸发酵技术领域。 

背景技术

正丁酸（Butyric acid，以下简称丁酸），又名酪酸，分子中含有四个碳原子，是以直链型方式相连接的短链饱和脂肪酸，具有刺激性气味，极稀溶液也有汗臭味。丁酸常以酯的形式或游离状态存在于自然界中。丁酸是一种多用途的精细化学品，广泛应用于食品、化学和医药等行业。在食品工业中配制糖果、饮料调味剂，在香料工业中用于配制果子香精；丁酸纤维素在防老化、耐水性、收缩性等方面均优于醋酸纤维素；醋酸丁酸纤维素酯能溶于许多溶剂中，与树脂、塑料互混能力比单醋酸纤维素酯强，并具有良好的耐热、耐光和抗湿性；还能用于医药中间体的制备，如γ-氨基丁酸的抗缺氧能力显著，(R)-2-羟基-4-苯基丁酸乙酯是用于合成多种血管紧张素转化酶抑制剂的重要中间体，用于治疗高血压和充血性心力衰竭等心血管疾病；此外，丁酸钠盐还可作为替代抗生素的饲料添加剂饲喂家禽，以促进生长。 

目前，丁酸的生产工艺以化学合成法为主，包括正丁醛氧化法、丙烯羰基合成法、丁醇氧化法等，其中以间歇式丁醛氧化制备丁酸工艺在工业上的应用最为广泛，但工艺复杂操作条件苛刻，环境污染严重等传统化工普遍存在的问题没有得到有效解决。随着化石性资源日渐枯竭、传统化工造成环境的严重污染以及人们对生物基化学品和生物能源需求的快速增加，化学工业呈现出从石油基到生物基的转变趋势。在这一转变过程中，可再生生物质资源利用和生物加工是一个重大的研究方向，特别是非粮原料和废弃生物质已成为当前生物炼制工程的热点。另外，由于丁酸和下游衍生产品相当比例应用于食品、饲料和医药等行业，从生物质出发经过生物合成的丁酸（称为生物丁酸）更受欢迎。 

微生物发酵法利用的产丁酸菌多为专性厌氧菌，主要包括梭菌属（Clostridium）、丁酸弧菌属（Butyrivibrio）、丁酸杆菌属（Butyribacterium）、八叠球菌属（Sarcina）、真杆菌属（Eubacterium）、梭杆菌属（Fusobacterium）和巨球形菌属（Megasphaera）等。其中，梭菌属细菌为革兰氏阳性的产芽孢杆菌，属化能异养型的专性厌氧菌，易从土壤、废水、动物消化系统、乳制品污染环境中分离得到，生长培养基配方简单，对环境的适应性强，已成为众多国内外学者研究微生物发酵生产丁酸的出发菌株。在众多产丁酸菌株中，酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum）能代谢葡萄糖、木糖和果糖合成丁酸、乙酸、氢气和二氧化碳，相比于丙酮-丁醇菌株，其代谢途径简单，主产物丁酸产量稳定、得率高，副产物氢气产量高，亦能利用廉价的生物质资源作为原料，具有广阔的商业应用前景。但迄今为止，由于生物发酵法生产丁酸存在原料成本高（占产品成本的20-50%）、单位体积产量低（质量浓度小于100 g/L）、副产物乙酸含量高等缺点，使其始终无法替代化学合成法，因此，寻找廉价的基质原料，在此基础上探索高效稳定的发酵工艺以提高单位体积丁酸产量并降低副产物，对于生物法制备丁酸的工业化应用具有重要的现实意义。 

甘蔗渣主要由半纤维素和木聚糖构成，经水解可生成葡萄糖和木糖。而酪丁酸梭菌能够利用葡萄糖、木糖、乳糖、果糖、阿拉伯糖、蔗糖、甘油等生产丁酸，而且能够利用多种非粮作物（如木薯）及工农业废弃物（乳清、玉米皮酸水解物、甘蔗糖蜜、木薯渣水解液和玉米浆等）生产丁酸，表明丁酸发酵能够充分利用多种可再生资源转化的可发酵性糖，是生物炼制工程中最有前景的方向之一。