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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、化妆品等多个领域,其生产方法主要为生物转化法。生物转化2,3-丁二醇最为理想的底物是木质纤维素降解物,但由于木质纤维素的难降解性,水解液中糖浓度低且含某些有害成分抑制菌体生长,使得2,3-丁二醇的产量低,从而限制了木质纤维素原料在工业上的应用。干枯的菊芋茎叶是一种木质纤维素原料,在应用过程中也存在上述问题。本论文着眼于菊芋茎叶水解糖浓度低的现状,提出在茎叶水解后的糖液中补加菊芋块茎,进一步将块茎水解,得到较高浓度的还原糖,进而提高其发酵产2,3-丁二醇的能力。首先,考察了菊芋茎叶及块茎水解的最适条件。菊芋茎叶预处理的最适条件为:1%硫酸浸泡茎叶14 h后,130℃保温1.5 h。菊芋茎叶酶水解的最适条件为:纤维素酶用量40 U/g,木聚糖酶用量28 U/g,温度50℃,pH 5.0,转速100 rpm,水解时间24 h。菊芋块茎酸水解的最适条件为:硫酸用量7%(w/w)、料液比1:3、水解温度80℃、水解时间30 min。其次,通过摇瓶实验,分别考察了菊芋茎叶及块茎水解液发酵的可行性,不同碳源、微量元素以及培养基中其它成分对Klebsiella pneumoniae CICC 10011发酵2,3-丁二醇的影响。结果表明,以菊芋茎叶及块茎水解液为底物发酵生产2,3-丁二醇是可行的,其产物浓度和生产强度显著高于同浓度的葡萄糖、果糖、木糖或葡萄糖-果糖-木糖混合糖;培养基中无需外加营养成分,直接以经氨水调pH值的菊芋茎叶及块茎水解糖液为培养基完全能够满足发酵的需要。再次,建立了分步糖化发酵工艺,采用间歇发酵方式,发酵52h,目标产物浓度为652.6 mmol/L(58.4 g/L),生产强度为12.55 mmol/(L·h),转化率为0.73 mol/mol;与菊芋块茎的发酵结果相比,目标产物浓度提高37.3%,转化率提高10.6%。采用批式流加发酵方式,发酵72 h,目标产物浓度为816.7 mmol/L(73.2 g/L),生产强度为11.3mmol/(L·h)。在此基础上,建立了同步糖化发酵工艺,考察了通气量对2,3-丁二醇发酵影响。采用在发酵过程中变化通气量的方式,发酵68 h,目标产物浓度为901.2 mmol/L(80.5 g/L),比恒定通气条件的最好结果提高16.9%,生产强度为13.2 mmol/(L·h),目标产物的得率为1.81 g/(3 g茎叶+4 g块茎),为理论得率的65.3%,与实际估算得率相接近。同步糖化发酵不但提高了产物浓度,而且还省去了菊芋茎叶及块茎的单独水解时间,提高了生产效率。最后,通过年产1000吨2,3-丁二醇的经济效益分析可以得出,以菊芋茎叶及块茎为原料发酵生产2,3-丁二醇的投资回收期约需3年,投资获利丰厚。