影響，—丁二醇發(fā)酵的因素

摘 要：2，3-丁二醇是一種被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域的有機(jī)物，具有極大的潛力。由于考慮到能源的安全以及對(duì)環(huán)境的無(wú)危害，用生物法來(lái)制備2，3-丁二醇是最理想的方法。將化學(xué)法與生物法相比，化學(xué)法的成本高、過(guò)程復(fù)雜操作難的特點(diǎn)就會(huì)凸顯出來(lái)。因此為了提高克雷伯氏菌發(fā)酵產(chǎn)2，3-丁二醇，我們探究了影響克雷伯氏菌發(fā)酵產(chǎn)2，3-丁二醇的因素。本文綜述了溫度、pH、溶氧量和接種量對(duì)克雷伯氏菌發(fā)酵產(chǎn)2，3-丁二醇的影響。為2，3-丁二醇的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：克雷伯氏菌ZH-1；2，3-丁二醇；影響因素

在化工、食品以及燃料等多個(gè)領(lǐng)域中，我們都能看到2，3-丁二醇的影子。石油通過(guò)裂解可產(chǎn)生四碳類碳?xì)浠衔?，該化合物在高溫、高壓下水解可得?，3-丁二醇，以上生成2，3丁二醇的這種方法稱為化學(xué)法[1]。該方法與生物法相比，有很多劣勢(shì)。首先是成本高，其次是該資源為不可再生，最后是過(guò)程煩瑣，操作難。所以大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)一直沒(méi)能實(shí)現(xiàn)，2，3-丁二醇的用途也沒(méi)能得到很好地開(kāi)發(fā)和利用[2]。2，3-丁二醇通過(guò)生物法制備既不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染也能夠應(yīng)對(duì)以上化學(xué)法所面臨的困難，實(shí)現(xiàn)可再生資源的利用，從而緩解不可再生資源的使用壓力[3]。細(xì)菌類是發(fā)酵生產(chǎn)2，3-丁二醇的微生物的重要組成，包括克雷伯氏菌屬、芽孢桿菌和腸桿菌屬等[4]。多粘芽孢桿菌和肺炎克雷伯氏菌是最具有工業(yè)化潛力的。而肺炎克雷伯氏菌以其廣泛的底物利用能力、較高的生產(chǎn)效率以及副產(chǎn)物少更是優(yōu)于前者。本文以影響克雷伯氏菌發(fā)酵產(chǎn)2，3-丁二醇的因素為中心進(jìn)行概述。

一、溫度

克雷伯氏菌受到溫度的極大影響。發(fā)酵過(guò)程中底物的反應(yīng)速率和氧的溶解度都會(huì)受到溫度的影響。我們知道溫度會(huì)影響酶的活性，酶又會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)速率，因此溫度就這樣影響了克雷伯氏菌的繁殖速度，進(jìn)而對(duì)克雷伯氏菌的代謝和其代謝產(chǎn)物的生成也受到一定的影響?？死撞暇姆敝撑c其代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生與最適溫度的選擇有著極大的關(guān)系，菌體的種類及生長(zhǎng)階段的不同，所需的最適溫度也不同。因此克雷伯氏菌的繁殖需要一個(gè)最適的溫度，使其代謝產(chǎn)物2，3-丁二醇的產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)。

二、2pH

在細(xì)菌的代謝過(guò)程中，pH充當(dāng)著協(xié)調(diào)的橋梁作用，特別是在發(fā)酵過(guò)程中，pH對(duì)其的影響更為顯著以致有大量副產(chǎn)物的產(chǎn)生。副產(chǎn)物會(huì)在2，3-丁二醇的發(fā)酵階段產(chǎn)生，如琥珀酸、乙醇、乳酸等。產(chǎn)生2，3-丁二醇和副產(chǎn)物所需酶的最適pH不同，因此pH在影響細(xì)菌繁殖的同時(shí)也作用于細(xì)菌的代謝過(guò)程，有機(jī)酸在pH>7的情況下會(huì)生成，此時(shí)2，3-丁二醇的產(chǎn)量會(huì)隨著產(chǎn)生變化；pH<7，有機(jī)酸的產(chǎn)量下降，產(chǎn)物主要以2，3-丁二醇為主，pH的選擇與菌株的種類以及底物有關(guān)，因此有必要考慮其對(duì)克雷伯氏菌以及2，3-丁二醇的作用。

三、溶氧量

克雷伯氏菌微好氧時(shí)的典型代謝產(chǎn)物即為2，3-丁二醇，溶氧量影響著克雷伯氏菌產(chǎn)2，3-丁二醇的量，溶氧量越多產(chǎn)量越高，但溶氧量太高，產(chǎn)量也會(huì)相應(yīng)的降低，其原因是2，3-丁二醇的發(fā)酵過(guò)程分兩個(gè)階段：菌體的生長(zhǎng)階段和產(chǎn)物的生成階段[5]，二者是非偶聯(lián)的，在菌體的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期尤其重要，足夠的溶氧量有利于菌體的繁殖，溶氧量太少，抑制了菌體的呼吸作用，影響了菌體的繁殖速度。因此溶氧量會(huì)影響菌體的繁殖速度，當(dāng)菌體繁殖達(dá)到最大值時(shí)，代謝產(chǎn)生2，3-丁二醇這一過(guò)程所需溶氧量較少，一旦超過(guò)代謝副產(chǎn)物就會(huì)增加，致使菌體量和代謝產(chǎn)物2，3-丁二醇下降。

溶氧量可以通過(guò)搖床的轉(zhuǎn)速以及發(fā)酵培養(yǎng)基的裝液量來(lái)確定。搖床轉(zhuǎn)速越快，溶氧量越多；發(fā)酵培養(yǎng)基的裝液量越少，溶氧量也越多。

四、接種量

接入的種子液與待接的發(fā)酵培養(yǎng)基的體積百分比代表著接種量。接種量的多少與克雷伯氏菌到達(dá)延遲期的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，同時(shí)與2，3-丁二醇的產(chǎn)量的多少也有關(guān)。延遲期到達(dá)的時(shí)間晚的話，說(shuō)明接種量少，此時(shí)發(fā)酵周期也會(huì)相應(yīng)的縮短，2，3-丁二醇產(chǎn)量也相應(yīng)的減少，縮短菌體繁殖到達(dá)對(duì)數(shù)期的時(shí)間可以通過(guò)增加接種量實(shí)現(xiàn)，從而使得菌能夠更早地產(chǎn)生2，3-丁二醇，然而接入的種子液多，菌長(zhǎng)的速度太快，培養(yǎng)基濃度過(guò)高，造成菌種缺氧，產(chǎn)物的合成也會(huì)相應(yīng)的受到影響。因?yàn)椴煌奈⑸锓N類產(chǎn)生的不同生理特性，所需的接種量也有區(qū)別。就微生物而言，接種量的多少既與自身有關(guān)，培養(yǎng)基中微生物所處的生長(zhǎng)時(shí)期也起著重要作用[6]。因此接種量的多少對(duì)克雷伯氏菌發(fā)酵產(chǎn)2，3-丁二醇影響也是極大的。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著可再生能源需求的不斷強(qiáng)化以及環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，生物煉制技術(shù)越來(lái)越不可估量，被考慮到眾多國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略之中。因2，3-丁二醇本身的特性及其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，生物煉制制備2，3-丁二醇有著光明的發(fā)展前景。今后的研究重點(diǎn)也將聚焦在提高2，3-丁二醇產(chǎn)量的影響因素上，為2，3-丁二醇的工業(yè)化生產(chǎn)打下牢固的根基。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙世敏.微生物發(fā)酵法生產(chǎn)2，3-丁二醇[D].江南大學(xué)，2008.

[2]生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)2，3-丁二醇的研究[D].大連工業(yè)大學(xué)，2011.

[3]馬成偉，杜彤，孫亞琴等.生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)2，3-BD[J].精細(xì)與專用化學(xué)品，2006，14（15）：15-18.

[4]郭學(xué)武.肺炎克雷伯氏菌產(chǎn)2，3-丁二醇的代謝調(diào)控研究[D].天津大學(xué)，2014.

[5]紀(jì)曉俊，朱建國(guó)，高振等.微生物發(fā)酵法生產(chǎn)2，3-丁二醇的研究進(jìn)[J].現(xiàn)代化工，2006，26（8）：23-27.

[6]Garg SK，Jain A.Fermentative production of 2，3-butanediol：a review[J].Bioresource Technology，1995，51（3）：103-109.

作者簡(jiǎn)介：李麗，山西師范大學(xué)。