十一 · 五“863工业生物技术” 专题系列报道（3）
生物法制备2,3-丁二醇
华东理工大学 沈亚领 朱家文
2,3-丁二醇（2,3-butanediol，BD）在化工、食品、航空航天燃料等领域应用广泛。其脱水产物甲乙酮可作树
脂、油漆等的溶剂；酯化后的脱水产物1,3-丁二烯可用于合成橡胶、聚酯和聚氨酯；热值较高(27200kJ/kg)可作为
燃料添加剂；与甲乙酮脱氢形成辛烷异构体可生产高级航空用油；另外还可制备油墨、香水、熏蒸剂、增湿剂、软
化剂、增塑剂、炸药及药物手性载体等。
华东理工大学相关课题组在国家“863规划”的资助下，经过2年多的研究实践，在生物法制备2,3-丁二醇（化
学合成困难），实现由传统的石油冶炼向可再生资源为原料的绿色环保型生物炼制转型方面取得了预期进展。在成果
产业化推广方面，已编制完成了2，3-丁二醇产能100t/a的投资建设规划书，产能1000t/a的扩大建设规划书编制
也已接近尾声。产业化实施后预计将有力推动下游产品新产业链的形成和发展，推动相关技术的升级和进步。
一、 项目目标及完成情况
项目目标：探明粘质沙雷氏菌合成2,3-丁二醇的关键调控因子；挖掘一批功能基因；定向改造粘质沙雷氏菌，
并确立大规模发酵生产2,3-丁二醇的新工艺；建立高效、节能和环保的分离纯化工艺，为最终实现2,3-丁二醇的工
业化生产打下基础。
目标任务还包括建立可有效提高粘质沙雷氏菌2,3-丁二醇发酵水平和高效分离纯化的平台技术，为利用代谢工
程技术有效调控并设计生物炼制过程中微生物“细胞工厂”提供可靠的范例，并期望这些平台技术在生物基产品生
产中具有实际指导意义。
完成情况：①克隆对粘质沙雷氏菌合成2,3-丁二醇有重要功能或调控作用的新基因10个以上，完成对6个基
因功能的解析并申请了新基因发明专利。②利用新型发酵调控策略，在5000L发酵罐中成功实现放大，在5000L罐
上获得2,3-丁二醇最终产量130.5g/L，得率为0.601g/g蔗糖，生产能力为3.215g/L·h。在全面完成合同指标的
基础上，针对实际产业化过程可能面临的具体问题，对菌种和培养基成分作了进一步优化改造探索，并在3.7L发酵
罐上进行验证，40小时2,3-丁二醇发酵终浓度达到146g/L，得率达到0.645g/g蔗糖，生产能力为3.65 g/L·h，
相关技术在30L规模实现放大。③在产物分离纯化技术方面确立了集成化的2,3-丁二醇分离技术，总收率达到75
％以上，符合用户产品质量要求。
二、 关键技术及主要成果
本课题组首先采用宏观的发酵优化策略，对发酵条件和发酵培养基组分进行优化，结合本发酵产品2,3-丁二醇
的生物合成特征(微生物生长最适pH值和产物合成最适pH值不一致，微生物生长需要充足的溶氧和产物合成需要微
氧或无氧)，最终建立分阶段pH-RQ发酵调控策略，同时考虑到微氧状态带来的各类副产物的增加会影响底物的转化
率和生产能力，基于代谢流分布的计算，通过寻找廉价的电子受体和目的代谢途径相关基因转录诱导剂的添加，获
得了2,3-丁二醇的高产、高转化率和高生产能力。该技术路线既融合了传统的发酵技术路线，又发展了特定产物特
定调控策略的特色，其科学性、先进性和创新性主要体现在两个方面：第一，在微氧发酵过程中具有代表性和直观
性调控参数的合理选择，RQ的大小反映了发酵液中氧气的含量以及微生物内部的氧化还原势，作为微氧发酵过程的
一个调控参数具有重要指导意义；第二，代谢流分布的计算反映了底物在整个发酵过程中的动态流向，目前更多的
技术是通过基因敲除方法切断副代谢途径，但通常这样做对于整个代谢网络而言并不能得到理想的效果。课题组通
过选择廉价的无机盐作为电子受体来平衡微生物内部的氧化还原微环境，同时添加诱导剂增加目的代谢途径相关酶
的表达量来弱化副产物的形成，获得了明显的效果。
粘质沙雷氏菌作为研究群体感应与各类初级代谢产物之间调控关系的模式菌株，其群体感应系统对各类初级代
谢产物的调控网络和调控模式的研究，将为微生物代谢流的流向改造提供新的思路和新的方法，这些工作对挖掘在
工业生物技术中的潜在应用具有重要意义。本课题组通过PCR，反向PCR和分子印迹等技术成功地获得了粘质沙雷
氏菌两套群体感应体系，建立了相关信号分子的检测方法和两套群体感应体系功能鉴定方法，为研究群体感应与初
级代谢物之间的调控关系奠定了基础。
微生物发酵过程中，发酵末期的菌体往往不是目的产物。目前对回收利用废菌体经济有效的方法研究较少，废
菌体常在污水处理厂中被分解或被燃烧处理，不仅污染了环境，还浪费了大量的资源和能源。本课题组对回收发酵
末期粘质沙雷氏菌活菌体的重复发酵利用进行了研究，成功建立多次循环回收活菌体和菌体细胞制备成替代氮源技
术，初步实现了发酵过程多次循环利用微生物生物质。
在产物分离提取方面，根据生物分离技术的特点（发酵液中含有多种表面活性物质，必须对其进行预处理）及
2,3-丁二醇本身的性质（高沸点、高亲水性、高粘度），课题组采用了包括膜分离、萃取与精馏耦合过程、精制过程
的工艺路线。采用该工艺技术，以萃取-共沸精馏所得的粗品为原料，通过真空精馏精制，得到无色透明的2,3-丁
二醇产品，产品纯度可达95%以上，收率75%以上。
本项目设计的一条萃取与精馏耦合、兼顾萃取净化和精馏脱水的分离工艺路线，所选的萃取溶剂同时也是后续
共沸精馏的脱水溶剂，使其兼具过程简洁和分离效率高的特点。该技术的特征是萃取和共沸精馏使用同一种溶剂，
对发酵液萃取后直接进行共沸精馏脱水。与常规的精馏分离相比，克服了2,3-丁二醇亲水性强，直接脱水困难的问
题，且能耗较低；与通常的萃取后精馏的方法相比，分离过程大为简化，且使用溶剂数量少，回收的溶剂损耗和能
耗均可节省。
本项目设计的2,3-丁二醇分离纯化工艺过程充分考虑到环保因素：无机膜预处理发酵液不加入化学助剂，无需
加热处理，为后续的菌体生物质的循环利用实现节能减排提供了技术支撑；所得的萃余液用于无机膜顶水过程，使
2,3-丁二醇不致流失并降低排放；利用萃取-共沸精馏相耦合过程，既达到循环萃取的目的，又实现了正丁醇的回收。
三、 项目技术在国内外所处地位以及今后的发展方向
国内外对多水平生化网络的调控和优化多处在摸索阶段，已有的生化网络的调控和优化技术主要侧重于对微生
物代谢途径的研究和改造上，研究方法单一，所得到的信息已经不能满足人们定向改造微生物的需求。本课题组将
基因组、代谢组以及细胞间信号分子（quorum sensing机制）整合进生化网络的研究对象，建立多水平生化网络调
控模式研究，整体思路上特别注重充分利用生物信息学和比较基因组学的理论与方法来阐明一批改变微生物代谢途
径的关键因素，并理性地结合发酵工程调控策略来提高2,3-丁二醇的工业规模发酵水平。本项目建立的具有我国自
主知识产权特征的从发酵液中分离纯化2,3-丁二醇的下游技术，对于我国工业微生物菌株改造具有借鉴意义，多处
提出和实践的创新性前沿研究内容未见国内外相关报道。
本课题组的后续研究发展方向将更加聚焦资源节约和节能减排，如提高菌体生物质的利用率、廉价原料（如木
质纤维素水解物等）的替代利用等，最终对国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键技术和能源问题作出一定的
创新性示范效应。