丁醇的发酵控制
微生物发酵生产丁醇
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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
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
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。
2010-10-26
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
2010-10-26
4. 最适温度的选择与控制
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。
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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
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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
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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
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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。
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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）
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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。
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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。
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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。
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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。