全 文 ：第 １３卷第 ３期
２０１５年 ５月
生　 物　 加　 工　 过　 程
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ􀆰 １３ Ｎｏ􀆰 ３
Ｍａｙ ２０１５
ｄｏｉ：１０􀆰 ３９６９ ／ ｊ􀆰 ｉｓｓｎ􀆰 １６７２－３６７８􀆰 ２０１５􀆰 ０３􀆰 ００２
收稿日期：２０１４－０２－２１
基金项目：国家自然科学基金（２１１７６１０５）
作者简介：潘贺鹏（１９８８—），男，河南驻马店人，硕士研究生，研究方向：发酵工学；余晓斌（联系人），教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｂｙｕ＠ ｊｉａｎｇｎａｎ．ｅｄｕ．ｃｎ
小麦淀粉废水发酵生产丁醇
潘贺鹏，罗　 玮，顾秋亚，余晓斌
（江南大学 生物工程学院 工业生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 ２１４１２２）
摘　 要：为降低丁醇发酵的生产成本，以工业废弃物小麦淀粉废水为辅料，在分析废水组成的基础之上补加适当营
养成分发酵生产丁醇。 选取对丁醇发酵影响最大的木薯浓度、Ｎ源种类、Ｎ 源浓度、无机盐和原料处理方式等因素
分别进行考察。 结果表明：对于低浓度废水，添加 ７０ ｇ ／ Ｌ木薯、２ ｇ ／ Ｌ酵母粉、１ ｇ ／ Ｌ Ｋ２ＨＰＯ４，原料糊化水解，能够获
得较好的摇瓶发酵效果，丁醇和总溶剂产量最高可分别达到 １４􀆰 ７２和 ２２􀆰 ６５ ｇ ／ Ｌ。 在 ７ Ｌ发酵罐水平上，丁醇和总
溶剂产量也分别能达到 １３􀆰 ５１和 ２３􀆰 １３ ｇ ／ Ｌ。 最终，利用生物柴油进行萃取发酵，其溶剂水平得到进一步提高，丁醇
和总溶剂产量可分别达到 １５􀆰 １３和 ２９􀆰 ３８ ｇ ／ Ｌ。
关键词：小麦淀粉；废水；丁醇；萃取发酵
中图分类号：Ｑ９３９􀆰 ９７　 　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 　 文章编号：１６７２－３６７８（２０１５）０３－０００７－０７
Ｂｕｔａｎｏｌ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｗｈｅａｔ ｓｔａｒｃｈ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ
ＰＡＮ Ｈｅｐｅｎｇ，ＬＵＯ Ｗｅｉ，ＧＵ Ｑｉｕｙａ，ＹＵ Ｘｉａｏｂｉｎ
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ
Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｓｔ ｏｆ ｂｕｔａｎｏｌ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｌｏｗ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｓｔａｒｃｈ
ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｂｕｔａｎｏｌ，ａｃｅｔｏｎｅ ａｎｄ ｅｔｈａｎｏｌ ｗｉｔｈ Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ． Ｍｅｄｉｕｍ
ｗａｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｒｃｈ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃａｓｓａｖａ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ、ｎｉｔｒｏｇｅｎ
ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｓａｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．
Ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ７０ ｇ ／ Ｌ ｃａｓｓａｖａ， ２ ｇ ／ Ｌ ｙｅａｓｔ ｅｘｔｒａｃｔ ｐｏｗｄｅｒ ａｎｄ １ ｇ ／ Ｌ Ｋ２ ＨＰＯ４ ｔｏ ｌｏｗ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｇａｖｅ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅ ｙｉｅｌｄｓ ｏｆ ｂｕｔａｎｏｌ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｓｏｌｖｅｎｔ ｉｎ ｆｌａｓｋ ｗｅｒｅ ａｂｌｅ ｔｏ ａｒｒｉｖｅ ａｔ
１４􀆰 ７２ ａｎｄ ２２􀆰 ６５ ｇ ／ Ｌ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｙｉｅｌｄｓ ｏｆ ｂｕｔａｎｏｌ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｓｏｌｖｅｎｔ ｉｎ ａ ７⁃Ｌ ｆｅｒｍｅｎｔｏｒ
ｃｏｕｌｄ ａｃｈｉｅｖｅｄ １３􀆰 ５１ ａｎｄ ２３􀆰 １３ ｇ ／ Ｌ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｘｔｒａｃｔｉｖｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｙｉｅｌｄｓ ｏｆ ｂｕｔａｎｏｌ ａｎｄ ｔｏｔａｌ
ｓｏｌｖｅｎｔ ｒｅａｃｈｅｄ １５􀆰 １３ ａｎｄ ２９􀆰 ３８ ｇ ／ Ｌ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｈｅａｔ ｓｔａｒｃｈ；ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ；ｂｕｔａｎｏｌ；ｅｘｔｒａｃｔｉｖｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ
　 　 在小麦淀粉加工过程中会产生大量高浓度酸性
有机废水，废水主要成分为溶解性的淀粉、戊聚糖、灰
分和少量蛋白质。 每年我国的小麦淀粉生产企业在
生产过程中会排放大约 ２􀆰 ４×１０７ ｔ 淀粉废水，虽然淀
粉废水一般没有毒性，但直接将废水排放到环境水体
中，不仅会造成水资源的浪费，而且会对环境造成严
重危害。 废水的化学需氧量（ＣＯＤ）通常为１ ～ ３０
ｇ ／ Ｌ，悬浮固体（ＳＳ）为 １􀆰 ５ ｇ ／ Ｌ［１］，排放之前须经过厌
氧或者好氧处理 （如上流式厌氧污泥床反应器
（ＵＡＳＢ）），将废水中的 ＣＯＤ降至 ０􀆰 １５ ｇ ／ Ｌ以下才符
合国家规定排放标准。 目前，国内外对废水的综合利
用主要体现在单细胞蛋白［２］、食用菌、微生物絮凝
剂［３］和生物农药等工业产品上，而利用淀粉废水生产
丁醇的研究报道并不多见。
随着经济的高速发展，人类对能源的需求日益
增大。 生物丁醇作为一种全新的绿色能源，具有生
产条件温和、操作简单以及可以直接代替汽油使用
等特点，这些优势使其逐渐成为人类的理想能源。
但是，高成本是生物丁醇工业化的最大障碍，丁醇
产量难以大幅度提高，造成了当前相关研究只能局
限于实验室规模而难以投入生产［４］。 若使用淀粉
废水为原料，能一定程度降低生产成本，在优化后
的废水培养基的基础上再用液液萃取的方法，进一
步降低有机溶剂对菌体的毒性，提高其产量。 笔者
将对小麦淀粉废水生产丁醇进行研究，以期为此类
废水的利用提供新的思路。
１　 材料与方法
１􀆰 １　 菌种
丙酮丁醇梭状芽胞杆菌（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉ⁃
ｃｕｍ）ＮＵ２２，保藏于工业生物技术教育部重点实验室。
１􀆰 ２　 培养基
ＴＹＡ固体培养基（ ｇ ／ Ｌ）：葡萄糖 ４０、酵母粉 ２、
牛肉膏 ２、胰蛋白胨 ６、ＣＨ３ＣＯＯＮＨ４ ３、Ｋ２ＨＰＯ４ ０􀆰 ５、
ＭｇＳＯ４ ０􀆰 ２、ＦｅＳＯ４·７Ｈ２Ｏ ０􀆰 ０１、琼脂 ２０； ｐＨ 自然，
１２１ ℃灭菌 ３０ ｍｉｎ。
种子培养基：质量分数 ５％玉米醪和玉米粉 ５０
ｇ ／ Ｌ，１００ ℃糊化 ３０ ｍｉｎ；ｐＨ自然。
玉米发酵培养基：质量分数 ７％玉米醪和玉米
粉 ７０ ｇ ／ Ｌ，１００ ℃糊化 ３０ ｍｉｎ；ｐＨ自然。
木薯发酵培养基：木薯粉 ７０ ｇ ／ Ｌ，１００ ℃糊化 ３０
ｍｉｎ；ｐＨ自然。
废水培养基：质量分数 １％淀粉废水，５％ ～ １０％
木薯粉，加入高温 α 淀粉酶（酶用量为每克淀粉 １０
Ｕ）于沸水浴中液化 ３０ ｍｉｎ，调节 ｐＨ至 ７􀆰 ０。
小麦淀粉废水取自江苏联海生物科技有限公司。
１􀆰 ３　 方法
１􀆰 ３􀆰 １　 厌氧培养方法
小瓶实验：将甘油管中保藏的种子置于 １００ ℃
下水浴 ６０ ｓ，涂布在 ＴＹＡ 固体平板上，平板放置在
厌氧盒中，在侧边隔层放置厌氧袋，３７ ℃厌氧培养
２４ ｈ。 待菌株生长至对数生长期，刮取较大的菌落
接种到 ５％的种子培养基中，３７ ℃培养 ２４ ｈ。 将生
长旺盛的种子按照 ８％的接种量接种到废水发酵培
养基中或者 ７％的玉米发酵培养基中，三角瓶需塞
上发酵栓，发酵小瓶在瓶口插上排气导管，出口水
封，静置培养。
上罐实验：菌种活化和种子制备过程同上，将
生长至对数期的液体种子按照 １０％的接种量接种
到 ５ Ｌ发酵罐中，向罐内通入 Ｎ２，在每次取样前后
再次通入 Ｎ２，隔绝空气静置培养。
１􀆰 ３􀆰 ２　 小麦淀粉废水分析方法
水分含量测定用水分天平测定；淀粉含量测定
参照文献［５］；粗纤维含量测定和灰分含量测定参
照文献［６］；粗蛋白含量测定用定氮仪测定总含氮
量，总含氮量×６􀆰 ２５折算为粗蛋白含量。
１􀆰 ３􀆰 ３　 木薯预处理
将木薯去皮、粉碎、烘干，过 ４０ μｍ 筛子，备
用［７］。 １００ ℃糊化 ３０ ｍｉｎ； ９０ ℃下液化水解 ２０
ｍｉｎ，定容，ｐＨ调至 ６，１２１ ℃灭菌 ２０ ｍｉｎ。
１􀆰 ３􀆰 ４　 残糖测定
向 １ ｍＬ发酵液中加入 １０ ｍＬ ２ ｍｏｌ ／ Ｌ的盐酸，
沸水浴 ４０ ｍｉｎ，确保溶液中的大分子多糖全部转化
为葡萄糖，然后蒸馏水定容至 ２５ ｍＬ，使用 ＳＢＡ
４０Ｅ型生物传感仪（山东省科学院生物研究所）对
发酵液中残余的葡萄糖进行定量测定。
１􀆰 ３􀆰 ５　 溶剂分析方法
发酵液经 ５ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ离心 １０ ｍｉｎ后，取上清液
３ ｍＬ，０􀆰 ４５ μｍ微滤膜过滤，滤液采用 ＧＣ ２０１０型气
相色谱仪（日本岛津公司）进行检测［８］。 检测器为火
焰离子化检测器（ＦＩＤ）；色谱柱为 ＰＥＧ１７０１ ３０Ｍ
（０􀆰 ５３ ｍｍ×１􀆰 ０ μｍ）；进样温度为 １６０ ℃；检测温度为
２５０ ℃；柱温为 ４０ ℃ （保温 ３ ｍｉｎ） ～ １８０ ℃ （保温 ５
ｍｉｎ），升温速率 １０ ℃ ／ ｍｉｎ；载气为 Ｎ２，流速为 １􀆰 ５
ｍＬ ／ ｍｉｎ；Ｈ２ 的流速 ４７ ｍＬ ／ ｍｉｎ。
１􀆰 ３􀆰 ６　 生物柴油预处理方法
生物柴油中含有水溶性有毒物质，并且会降低
萃取效率，因此在使用前需进行水洗处理。 在 ５００
ｍＬ三角瓶中按 １ ∶ １的体积比加入生物柴油和蒸馏
水，置于摇床中，以 ２００ ｒ ／ ｍｉｎ 的转速振荡混合 ２ ｈ
以上，然后静置分层，利用分液漏斗进行两相分离，
油相作为萃取剂备用［９］。
１􀆰 ３􀆰 ７　 萃取发酵方法
将生物柴油按照一定比例加入到装有 ５０ ｍＬ发
酵培养基的厌氧发酵小瓶中，待接过种之后，连接
上输气管，末端置于水中液封。 在 ３７ ℃下培养至发
８ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １３卷　
酵终止，利用分液漏斗将油相和水相进行分离，分
别测定两相中的有机溶剂浓度。
２　 结果与讨论
２􀆰 １　 淀粉废水分析结果
淀粉废水分析结果如表 １所示。
由表 １ 可知：淀粉废水中主要 Ｃ 源为淀粉和
粗纤维，是可以被 Ｃ． ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ ＮＵ２２ 利用的 Ｃ
源，而蛋白质含量较低，可以一定程度地补充 Ｎ
源。 此种废水的最大特点是 ｐＨ 较低，在此 ｐＨ 条
件下微生物无法正常生长繁殖，需要将 ｐＨ 调节至
中性左右。
表 １　 低浓度淀粉废水主要指标
Ｔａｂｌｅ １　 Ｍａｉｎ ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓ ｏｆ ｓｔａｒｃｈ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
ｗ（淀粉） ／ ％ ｗ（粗纤维） ／ ％ ｗ（粗蛋白） ／ ％ ｗ（灰分） ／ ％ ｐＨ
１􀆰 ８９±０􀆰 ２５ １􀆰 ３０±０􀆰 ５１ ０􀆰 ３８±０􀆰 ０１ １􀆰 ００±０􀆰 ０３ ４􀆰 ５０±０􀆰 ０１
２􀆰 ２　 低浓度淀粉废水中补加木薯原料发酵
２􀆰 ２􀆰 １　 木薯预处理对发酵的影响
低浓度废水中淀粉的质量浓度在 ２０ ｇ ／ Ｌ 左右，
Ｃ源严重不足，需要向其中补加 Ｃ源，选用木薯进行
试验。 木薯经过粉碎、过筛、糊化之后可能仍需要
进一步的处理，因而对木薯的水解处理方式也进行
了考察，同时向淀粉废水中添加 ５０ ｇ ／ Ｌ 木薯以考察
添加木薯对丁醇发酵的有效性，结果见表 ２。
由表 ２ 可以看出：木薯在经过糊化液化水解之
后更容易被菌体利用，溶剂产量也进一步提高。 这
是由于该菌的淀粉酶活力有限，不足以将发酵液中
的淀粉完全水解以满足菌体生长的需求。 残糖量
数据恰好可证实这一点，木薯经水解之后能够被菌
体更为彻底地利用。 向低浓度小麦淀粉废水中添
加木薯，溶剂的产量也有很大幅度提升。 这是由于
废水中匮乏 Ｃ 源，Ｎ 源亦不能满足需求，补加木薯
在一定程度上缓解了这种需求。 因此，确定了向废
水中补加木薯水解液的有效性。 ４ 个组别间 ｐＨ 的
差异主要是由于培养基中 Ｎ 源物质的匮乏，Ｎ 源充
足可顺利实现有机酸向溶剂的转型［１０］，若不足则残
留有大量酸，发酵液 ｐＨ就偏低。 由此可知，需要向
培养基中补加 Ｎ源。
表 ２　 木薯水解及添加水解物对溶剂产量的影响
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ ａｄｄｉｎｇ ｏｆ ｃａｓｓａｖａ ｏｎ ｓｏｌｖｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
组别预处理方式 ρ（丙酮） ／（ｇ·Ｌ－１）
ρ（乙醇） ／
（ｇ·Ｌ－１）
ρ（丁醇） ／
（ｇ·Ｌ－１）
ρ（总溶剂） ／
（ｇ·Ｌ－１）
ρ（残糖） ／
（ｇ·Ｌ－１） ｐＨ
５０ ｇ ／ Ｌ未水解木薯 ３􀆰 ５７ １􀆰 １６ ７􀆰 ００ １１􀆰 ７３ ６􀆰 ２０ ４􀆰 ３９
５０ ｇ ／ Ｌ水解木薯 ４􀆰 ２９ １􀆰 ５６ ８􀆰 ６１ １４􀆰 ４６ ２􀆰 １５ ４􀆰 ４１
废水 ４􀆰 ３５ １􀆰 ２８ ０􀆰 ８１ ６􀆰 ４４ ０􀆰 ０１ ６􀆰 １０
废水＋５０ ｇ ／ Ｌ水解木薯 ４􀆰 １６ １􀆰 １８ １１􀆰 ６５ １７􀆰 ０４ ０􀆰 ６０ ５􀆰 １２
２􀆰 ２􀆰 ２　 木薯质量浓度对发酵的影响
废水培养基中木薯的添加量直接影响溶剂的
产量，添加量不足则难以满足菌体的生长需求，添
加量过多则使残糖量增大，违背了废物利用的初
衷。 因此，笔者就废水木薯的最佳添加量进行了优
化，同时附带考察菌体对糖的利用效率。 分别以
５０、６０、７０、８０、９０和 １００ ｇ ／ Ｌ的纯木薯淀粉以及添加
废水的上述组别进行丁醇发酵试验，考察菌株利用
木薯粉的发酵产溶剂性能，结果如图 １和图 ２所示。
由图 １可以看出：在纯木薯发酵组中，随着木薯
粉质量浓度的提高，丁醇的产量也同步提高，总溶
剂也呈现同步变化，直至木薯质量浓度达到 ９０ ｇ ／ Ｌ
后开始出现下降趋势。 说明此时发酵液中糖浓度
过高，已经出现糖抑制现象。 而对于废水木薯混合
发酵组来说，在 ５０ ｇ ／ Ｌ 的木薯时，相对于纯木薯发
酵，丁醇和总溶剂产量同比分别增加 ３７􀆰 ７４％和
２１􀆰 ０９％；随着木薯浓度的增加，溶剂产量也是稳步
提升，直至高于 ８０ ｇ ／ Ｌ时，二者产量才开始下降，丁
９　 第 ３期 潘贺鹏等：小麦淀粉废水发酵生产丁醇
图 １　 木薯质量浓度对丁醇产量的影响
Ｆｉｇ􀆰 １　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃａｓｓａｖａ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｎ
ｂｕｔａｎｏｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
图 ２　 发酵液中残糖量
Ｆｉｇ􀆰 ２　 Ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｕｇａｒ ｉｎ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｂｒｏｔｈ
　 　 　 　 　 　
醇及总溶剂最高产量分别达到 １３􀆰 ０６和 １９􀆰 ９４ ｇ ／ Ｌ。
由上述结果可知，当木薯质量浓度低于 ８０ ｇ ／ Ｌ 时，
废水对发酵的促进作用最为明显，在木薯质量浓度
达到 ８０ ｇ ／ Ｌ时，Ｃ 源已经不是限制因素，而其他营
养物质成为主要限制因素，比如可以适量补加 Ｎ 源
以进一步优化培养。
由图 ２可知：在低于 ６０ ｇ ／ Ｌ的木薯质量浓度下，
残糖量较低，在 ７０ ｇ ／ Ｌ之后，残糖量一直急剧增加，
木薯质量浓度在达到 ８０ ｇ ／ Ｌ以后，此时糖已经开始
有大量剩余，残糖量达到了 ８􀆰 ２ ｇ ／ Ｌ，虽然此时溶剂
量最大，但残糖量较高背离了笔者研究废物利用的
初衷。 综合考虑产量和残糖量，对于淀粉废水中木
薯添加量选择 ７０ ｇ ／ Ｌ 的木薯质量浓度作为最佳添
加量。 由图 １ 可知，废水混合 ７０ ｇ ／ Ｌ 木薯用于发
酵，相对于纯木薯发酵而言，丁醇和总溶剂产量分
别提高了 １７􀆰 ３６％ 和 １３􀆰 ２８％， 残糖量下降了
３０􀆰 ７７％，同时节约了工业用水。
２􀆰 ２􀆰 ３　 无机盐对丁醇发酵的影响
淀粉废水中的各类无机盐离子含量并非菌株
生长的最适浓度，根据周灿灿［１１］研究，Ｍｇ２＋、磷酸
盐、Ｃａ２＋及 Ｆｅ２＋等无机盐离子对丙酮丁醇发酵（ＡＢＥ
发酵）都有较为显著的影响，故而对无机盐离子进
行优化。 分别对这几种无机盐选择 ０􀆰 ５Ｘ、Ｘ和 １􀆰 ５Ｘ
ｇ ／ Ｌ的质量浓度进行试验，Ｘ 为每一种盐对应的标
准浓度。 ＦｅＳＯ４、Ｋ２ＨＰＯ４、ＭｇＳＯ４和 ＣａＣＯ３对应的 Ｘ
值分别为 ０􀆰 １５、１􀆰 ００、０􀆰 １５和 ０􀆰 １０ ｇ ／ Ｌ，每种无机盐
中的最高产量如表 ３所示。
表 ３　 无机盐对溶剂产量的影响
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｓａｌｔ ｏｎ ｓｏｌｖｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
无机盐 ρ（无机盐） ／（ｇ·Ｌ－１）
ρ（丙酮） ／
（ｇ·Ｌ－１）
ρ（乙醇） ／
（ｇ·Ｌ－１）
ρ（丁醇） ／
（ｇ·Ｌ－１）
ρ（总溶剂） ／
（ｇ·Ｌ－１）
ρ（残糖） ／
（ｇ·Ｌ－１） 发酵后 ｐＨ
空白 ０ ４􀆰 １８ １􀆰 ４５ １１􀆰 ４２ １７􀆰 ０５ ３􀆰 ９１ ５􀆰 ０３
ＦｅＳＯ４ １􀆰 ５Ｘ ４􀆰 １５ １􀆰 ５６ １１􀆰 ６６ １７􀆰 ３７ ３􀆰 ５３ ４􀆰 ９８
Ｋ２ＨＰＯ４ Ｘ ５􀆰 １６ １􀆰 ５６ １２􀆰 ４０ １９􀆰 １２ ２􀆰 ０５ ５􀆰 ０２
ＭｇＳＯ４ ０􀆰 ５Ｘ ４􀆰 ３９ １􀆰 ４０ １１􀆰 ０２ １６􀆰 ８０ ４􀆰 ０８ ５􀆰 ０１
ＣａＣＯ３ ０􀆰 ５Ｘ ４􀆰 １３ １􀆰 ３０ １０􀆰 ２１ １５􀆰 ６４ ４􀆰 ８１ ４􀆰 ０３
　 　 从表 ３ 可以看出：只有 Ｋ２ＨＰＯ４对丁醇发酵有
一定程度影响，其他种类的无机盐影响都不大。 而
通过试验可知，Ｋ２ＨＰＯ４的添加量在 １ ｇ ／ Ｌ 左右时对
丁醇发酵的正作用最佳。
２􀆰 ２􀆰 ４　 Ｎ源对发酵的影响
木薯淀粉中的 Ｎ元素含量较低，难以满足菌株
的生长需求，需要向发酵液中补加 Ｎ源［１２－１３］。 现挑
选微生物易利用的 ６种 Ｎ 源类物质作为考察，分别
０１ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １３卷　
为酵母粉、胰蛋白胨、玉米浆、乙酸铵、（ＮＨ４） ２ＳＯ４和
尿素，按照碳氮比（碳氮物质的量之比）２０ ∶ １的比例
补加 Ｎ源类物质。 以废水添加 ７０ ｇ ／ Ｌ 木薯水解液
作为对照组，分别向其中补加不同种类的 Ｎ 源类物
质，考察菌株对 Ｎ源的需求情况，发酵结果见图 ３。
图 ３　 Ｎ源对丁醇和总溶剂的影响
Ｆｉｇ􀆰 ３　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｓｏｕｒｃｅｓ ｏｎ ｂｕｔａｎｏｌ
ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｓｏｌｖｅｎｔ ｙｉｅｌｄｓ
由图 ３可知：有机Ｎ源中酵母粉和玉米浆的效果
最佳，丁醇和总溶剂产量均较高，分别达到了 １４􀆰 ７２、
２２􀆰 ６ ｇ ／ Ｌ和 １３􀆰 ０６、２０􀆰 １５ ｇ ／ Ｌ，并且酵母粉组别残糖
量剩余较少，而无机 Ｎ源中只有乙酸铵有一定效果，
并且无机 Ｎ源组菌体生长明显弱于有机 Ｎ源组。 从
溶剂产量和残糖量比较可知，酵母粉是废水培养基中
的最佳 Ｎ源，下面对其添加量进行优化。
２􀆰 ２􀆰 ５　 酵母粉质量浓度对发酵的影响
酵母粉作为发酵的主要 Ｎ 源，其质量浓度对发
酵效果有很大影响，向上述已改进的培养基中添加
不同浓度酵母粉，考察酵母粉质量浓度对丁醇发酵
的影响，结果见图 ４。
图 ４　 酵母粉质量浓度对溶剂产量的影响
Ｆｉｇ􀆰 ４　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｙｅａｓｔ ｅｘｔｒａｃｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ
ｏｎ ｓｏｌｖｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
由图 ４可知：在培养基优化时，并不是营养越丰
富，产量就越高。 在 Ｎ 源过高时，营养物质反而会
对产品的发酵产生抑制效应。 在酵母粉质量浓度
为 ２􀆰 ０ ｇ ／ Ｌ的情况下，丁醇和总溶剂产量都能达到
最佳，分别为 １４􀆰 ７２和 ２２􀆰 ６５ ｇ ／ Ｌ，相对于 ７０ ｇ ／ Ｌ纯
木薯培养基，分别提高了 ３５％和 ３７％，且残糖量并
不高，仅有 ３􀆰 ２４ ｇ ／ Ｌ，这就同时满足了降低残糖和促
进溶剂合成的要求。
综上所述，选择向废水中添加 ７０ ｇ ／ Ｌ 木薯、１
ｇ ／ Ｌ Ｋ２ＨＰＯ４和 ２ ｇ ／ Ｌ酵母粉，原料糊化水解，这样的
培养基组成是该菌株最利于进行丁醇发酵的配方，
此为废水优化培养基。
２􀆰 ２􀆰 ６　 发酵罐中发酵性能
分别以 ７０ ｇ ／ Ｌ的纯木薯、１０ ｇ ／ Ｌ的小麦淀粉废
水＋７０ ｇ ／ Ｌ的木薯粉和废水优化培养基作为发酵培
养基，在 ７ Ｌ发酵罐上进行丁醇发酵实验，前期每隔
１２ ｈ 取一次样品，中后期每隔 ４ ｈ 取一次样品。 发
酵过程中各溶剂与残糖以及发酵液 ｐＨ 随时间变化
关系曲线如图 ５所示。
由图 ５和实验可知：在发酵的第 ８小时，菌体开
始大量产气，发酵罐的顶部出现明显的厚厚一层醪
盖，发酵过程的第 １２小时开始，溶剂开始大量合成，
产酸也最为旺盛。 以纯木薯为培养基发酵，ｐＨ最先
开始上升，将有机酸转化为溶剂，其他 ２组稍晚。 第
６８小时开始，到达发酵后期，菌体生长减缓直至停
止的时候，醪盖消失。 到达发酵终点时，３ 组的丁醇
和总溶剂产量分别达到 １１􀆰 ０９、１２􀆰 ７１、１３􀆰 ５０ ｇ ／ Ｌ 和
１９􀆰 ２５、２２􀆰 ０６、２３􀆰 １３ ｇ ／ Ｌ。 相应地，发酵液残糖和总
溶剂生产强度分别为 １４􀆰 ３８、 １０􀆰 ４７、 ６􀆰 ４７ ｇ ／ Ｌ 和
０􀆰 ２１、０􀆰 ３０、０􀆰 ３２ ｇ ／ （Ｌ·ｈ）。 由此可知，添加淀粉废
水后不仅能够提高溶剂产量，还能增加菌体对底物
的利用效率。 另外从发酵曲线上也能看出，优化后
的培养基还能大大缩短发酵周期，以纯木薯为培养
基发酵，由 １００ ｈ左右到优化培养基发酵 ６８ ｈ左右，
这对于缩短丁醇的生产周期和降低生产成本具有
重要意义。
相对于小瓶发酵，上罐发酵的残糖量较大，同
样的条件下也无法达到小瓶试验的溶剂产量水平。
在罐上发酵时，对于本次厌氧发酵来说，由于采用
静态发酵，会导致传质效果不佳；另外，在取样时较
容易混入空气，轴封不严使 Ｏ２混入等都有可能影响
菌体生长，最终导致残糖量升高和溶剂量下降。 为
了提高菌体对底物的利用情况，可采用萃取发酵的
１１　 第 ３期 潘贺鹏等：小麦淀粉废水发酵生产丁醇
图 ５　 发酵过程曲线
Ｆｉｇ􀆰 ５　 Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｂａｔｃｈ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃ􀆰 ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ
方式，即可降低有机溶剂对菌体的毒害作用，又能
提高对底物的利用率［１４］。
谭秀花［７］以小麦淀粉废水添加质量分数为 ５％木
薯进行丁醇发酵，经培养基优化后，丁醇与总溶剂最高
产量分别可达到 １９􀆰 ３２和 ３２􀆰 ３４ ｇ ／ Ｌ。 Ｔｈａｎｇ等［１３］使用
Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｓａｃｃｈａｒｏｐｅｒｂｕｔｙｌａｃｅｔｏｎｉｃｕｍ Ｎ１ ４，以质量分
数为 ７％木薯淀粉进行分批发酵试验，丁醇及总溶剂产
量分别为 １６􀆰 ２和 ２０􀆰 ５ ｇ ／ Ｌ，同样条件下 Ｌéｐｉｚ⁃Ａｇｕｉｌａｒ
　 　 　 　
等［１５］以 Ｃ􀆰 ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋｉｉ ＢＡ１０１为出发菌株进行丁醇发酵，
总溶剂及生产强度分别为 ２７􀆰 ２８ ｇ ／ Ｌ和 ０􀆰 ２８ ｇ ／ （Ｌ·ｈ）。
本文实验结果与国外最高水平仍有一定差距。
２􀆰 ２􀆰 ７　 萃取发酵结果
以生物柴油为萃取剂［１６］，采用废水优化培养
基，按照油水体积比为 ３ ∶ ５进行萃取发酵，接种之后
按照小瓶厌氧发酵模式进行。 萃取发酵结果如表 ４
所示。
表 ４　 废水培养基萃取发酵结果
Ｔａｂｌｅ ４　 Ｅｘｔｒａｃｔｉｖｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒ ｍｅｄｉｕｍ
ｇ ／ Ｌ
组别 两相 ρ（丙酮） ρ（乙醇） ρ（丁醇） ρ（丁醇总和） ρ（总溶剂总和） ρ（残糖）
１ 水相油相
５􀆰 ９２６
２􀆰 ３６２
２􀆰 ７４５
０
８􀆰 ５７８
９􀆰 ７７６ １５􀆰 １３ ２９􀆰 ３８ １􀆰 ５３
２ 水相油相
４􀆰 ４７４
１􀆰 ６３４
１􀆰 ５２７
０
８􀆰 ５７６
９􀆰 ３８８ １５􀆰 ０７ ２５􀆰 ６０ ２􀆰 ９４
２１ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １３卷　
　 　 由表 ４ 可知，萃取发酵对丁醇产量的提高并不
明显，但是大大提高了丙酮的产量，而且残糖量进
一步下降，这样就达到了既提高溶剂产量、又降低
残糖量的目的。 丁醇在水相和油相里面的浓度较
为接近，这是萃取剂生物柴油的萃取特性所决定
的。 生物柴油对水溶液中丁醇的萃取率为 ０􀆰 ６ 左
右，对乙醇的萃取率为 ０，对丙酮的萃取率为 ０􀆰 ３，
由此可见该萃取剂对丁醇的萃取选择性还是较
高的。
３　 结论
对于低浓度废水，需要补加 ７０ ｇ ／ Ｌ 木薯、１ ｇ ／ Ｌ
Ｋ２ＨＰＯ４、２ ｇ ／ Ｌ 酵母粉，原料糊化水解，这样的培养
基组成最利于该菌株进行丁醇发酵。 相对于纯木
薯培养基，优化后的培养基发酵可使丁醇和总溶剂
产量分别提高 ３５％和 ３７％。
上罐发酵的效果基本满足要求，丁醇、总溶剂
产量及生产强度分别达到 １３􀆰 ５０、２３􀆰 １３ ｇ ／ Ｌ和 ０􀆰 ３２
ｇ ／ （Ｌ·ｈ），溶剂产量略低于小瓶水平。 此结果为淀
粉废水投入丁醇的工业生产提供了重要参考，具有
一定可行性。
利用废水培养基进行萃取发酵能够较好地解
决残糖高的问题，最终丁醇和总溶剂产量分别可达
到 １５􀆰 １３和 ２９􀆰 ３８ ｇ ／ Ｌ。 考虑到 Ｃ源消耗较为彻底，
可继续提高废水培养基中的木薯浓度进行萃取发
酵，以进一步提高溶剂的产量。
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ｂｕｔａｎｏｌ ｕｓｉｎｇ ｅｘｔｒａｃｔｉｖｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ：ＵＳ，１２７５８８７０［ Ｐ］． ２０１０⁃
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Ｂｕｔａｎｏｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋｉｉ ＢＡ１０１ ｕｓｉｎｇ
ｃａｓｓａｖａ ｆｌｏｕｒ ａｓ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ：ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｖｅｒｓｕｓ ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ［ Ｊ］ ．Ｗｏｒｌｄ Ｊ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，２０１１，２７（ ８）：
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ｄｕｒｉｎｇ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］ ．Ｂｉｏｐｒｏｃ Ｅｎｇ，１９８７（２）：１⁃１２．
（责任编辑　 管　 珺）
３１　 第 ３期 潘贺鹏等：小麦淀粉废水发酵生产丁醇