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2,3-丁二醇(2,3-Butanediol)是一种重要的化工原料和液体燃料,被广泛应用于化工、食品、医药、燃料及航空航天等多个领域,其生产方法主要为生物转化法。目前生物转化法生产2,3-丁二醇大多用葡萄糖作为碳源,而葡萄糖的价格较高,且存在与人争粮、与粮争地的问题。此外,由于2,3-丁二醇具有较强的亲水性和较高的沸点,且发酵液成分复杂,因而该产品下游分离比较困难。原料成本高、产品分离困难已经成为2,3-丁二醇大规模工业化生产的瓶颈。针对这些问题,本论文研究了生物转化法生产2,3-丁二醇的工艺,并采用新型双水相体系对发酵液中的2,3-丁二醇进行分离萃取,最后考察了利用廉价的非粮原料菊芋作为底物发酵2,3-丁二醇的可行性。首先,以Klebsiella pneumoniae DSM 2026为菌种,通过批式发酵实验,确定了生物转化法生产2,3-丁二醇的最适条件为:初始底物浓度8%,微氧发酵,通气量为0.04vvm,pH值为5.5。在该条件下进行批式流加发酵,可以获得目标产物浓度为42.60 g/L,生产强度为0.76g/(L·h),葡萄糖的质量转化率为23%。在此基础上,考察了微氧条件下K.pneumoniae DSM 2026在连续发酵中的动态行为,结果表明,较大程度地扰动底物浓度并不能诱发长周期振荡现象的产生,但却在底物浓度没有扰动情况下出现了CO2短周期振荡现象,且仅当稀释速率在0.20~0.25 h-1范围内才能出现这种振荡,振荡周期为9.3~15.0 min。其次,以K.pneumoniae CICC 10011为菌种,通过批式发酵实验,确定了生物转化法生产2,3-丁二醇的最适通气量为0.10 vvm,最适pH为5.8。在该条件下进行批式流加发酵,可以获得目标产物浓度为85.61 g/L,生产强度为1.53 g/(L·h),葡萄糖的质量转化率为45%。通过对批式流加发酵过程中两株克雷伯氏菌代谢流量的分析表明,K.pneumoniaeCICC 10011代谢产生的各种有机酸和乙醇浓度均明显低于K.pneumoniae DSM 2026,而目标产物浓度以及产物转化率却相对较高,是发酵2,3-丁二醇的优良菌株。再次,对新型双水相分离体系—异丙醇/硫酸铵体系从发酵液中萃取分离2,3-丁二醇进行了研究。结果表明,目标产物2,3-丁二醇和乙偶姻主要富集在上相中,而葡萄糖主要富集在下相中;当异丙醇和硫酸铵的质量浓度分别是34%和20%时,2,3-丁二醇和乙偶姻的分配系数分别为8.29和8.98,回收率分别达到91%和92%;采用该条件对发酵液直接进行萃取,细胞的去除率在99%以上,可溶性蛋白去除率可达85%。双水相萃取2,3-丁二醇除去了部分水和一些大分子物质,将固液分离和浓缩两步集成化,降低了后续蒸馏时的粘度,极大地简化了分离工艺。而且经过双水相萃取后所得的菌体,可以直接作为下一批发酵的种子继续使用。细胞循环发酵可以减少种子培养步骤,节约发酵时间。最后,探索了利用非粮廉价的菊芋为原料生物转化法生产2,3-丁二醇的可行性。通过摇瓶发酵实验考察了不同底物、不同水解方式以及微量元素对发酵的影响,结果表明,菊芋是良好的发酵生产2,3-丁二醇的底物,采用酸水解或酶水解两种方式制得的糖液发酵效果基本一致,菊芋中含有的微量元素完全能够满足发酵的需要,发酵过程中无需添加微量元素。在此基础上,在5L发酵罐中分别采用分步糖化发酵和同步糖化发酵两种工艺发酵生产2,3-丁二醇,结果表明,同步糖化发酵不但省去了单独糖化步骤,而且还提高了产物浓度和生产效率,采用批式流加发酵方式,发酵40 h,目标产物浓度和生产强度分别达到91.63 g/L和2.29g/(L·h)。与分步糖化发酵相比,发酵时间从56h缩短到40h,产物浓度提高了30%,生产强度提高了83%。实验结果表明以菊芋为原料发酵生产2,3-丁二醇具有一定的产业化前景。