文 献 综 述

一、研究背景及意义

丁醇，又称正丁醇，是一种重要的C₄平台化合物。广泛应用于化工、塑料、有机合成、油漆、食品等工业^[1]；同时，作为一种极具潜力的新型生物燃料，其具有能量密度大、燃烧值高、辛烷值高、腐蚀性小、与水的互溶程度高、可直接用于内燃机及运输方便等优点^[1-2]。使用石油，煤炭等化石能源会对环境造成严重的污染。因此，丁醇作为新型燃料受到广泛的重视，联合国国际能源署已将其列为第二代生物燃料。

丁醇的工业制法主要有化学合成法和生物发酵法。由于化石资源本身的不可降解性，使得众多化学合成品在生产和使用过程中成为环境污染的重要来源。同时，由于石油资源的日益紧缺，微生物发酵法制备丁醇重新具有了市场竞争优势。微生物发酵法生产丁醇一般是利用产丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum、Clostridium beijerinckii、Clostridium saccharobutylicum和Clostridium saccharoperbutylacetonicum，在严格厌氧条件下^[4]，将来源于淀粉质、糖蜜质、纤维质等合适的碳水化合物转化为丙酮（Acetone）、丁醇（Butanol）和乙醇（Ethanol）等溶剂，因而也被简称为ABE发酵^[3]。

生物法制备丁醇具有一些优势：(1)生物发酵法一般以来源于可再生的淀粉质、糖蜜类和纤维类等的碳水化合物为原料，利用产丁醇梭菌通过复杂的生物化学反应，生成丙酮、丁醇和乙醇等产物；而化工合成法以石油为原料；生物发酵法能够有效降低对日益减少的石油资源的消耗和依赖；(2)相对于化工法，发酵法生产条件温和，温度不高，并且不需贵重金属作为催化剂；(3)发酵法的丁醇选择性好、安全性高，易于分离纯化。

目前，国内ABE发酵生产生物丁醇的主要原料为玉米、谷物、糖蜜等淀粉质和糖蜜质资源。由于原料成本是影响生物丁醇价格的主要因素之一，在粮食短缺与能源危机的双重威胁下，探索可再生的、廉价的木质纤维原料生产燃料丁醇成为生物质能源发展战略的重要组成部分^[4,5,6]。

二、梭菌菌株代谢途径

C．beijerinckii 发酵包括2个不同的时期:产酸期和产溶剂期。产酸阶段,细胞处于指数生长期，主要产生乙酸、丁酸、H₂ 和CO₂ ,有机酸的产生引起了发酵液pH 的下降；随着有机酸积累到一定阶段(pH达到4.3) ,发酵进入产溶剂期,此时细胞处于稳定期, 产生的乙酸和丁酸在这一阶段转变为ABE,随着发酵的进行, 贝氏梭菌开始衰老,活力下降,加上底物的消耗, 溶剂的毒害作用,使菌体开始自溶或生成孢子,发酵逐渐由微弱最终达到静止结束。

图1-1 产丁醇梭菌发酵代谢途径