1,3-丙二醇发酵液后提取技术研究进展

1,3-丙二醇是一种重要的化工原料,以甘油或葡萄糖为原料发酵法制备1,3-丙二醇具有原料可再生、反应条件温和等优点,是近年来国内外的研究热点。由微生物发酵获得的1,3-丙二醇发酵液是含多种强极性的醇及盐类的稀溶液,这使得采用传统的分离方法难以经济、有效地的将1,3-丙二醇从发酵液中纯化出来,后提取过程成为发酵法工业化生产1,3-丙二醇的瓶颈。1,3-丙二醇后提取过程主要包括微生物菌体等高分子物质的去除,盐的去除、回收,有机物的纯化和水的去除。以下对应用于以上分离过程的技术的研究进展进行讨论,提出在该领域应该重视的发展方向。     

固定化罗伊氏乳杆菌在非严格厌氧条件下产1,3-丙二醇的研究

1,3-丙二醇是一种重要的平台化合物,可广泛应用于聚合物(聚酯类,聚醚类,聚氨酯类)与作为合成杂环化合物的中间体。本研究首次将固定化技术运用于罗伊氏乳杆菌产1,3-丙二醇研究,旨在探索不同固定化材料对罗伊氏乳杆菌在非严格厌氧条件下催化甘油产1,3-丙二醇的影响。研究表明,在非严格厌氧条件下,相对于海藻酸钠包埋菌体而言,采用硅藻土及斜发沸石吸附生长法固定化细胞1,3-丙二醇产量更高,产物浓度可达19.16 g/L。硅藻土固定化细胞相对于游离细胞,1,3-丙二醇产量提高35.5%,固定化细胞重复利用5次,1,3-丙二醇产量仍保持在58.04%,证明固定化效果良好。本研究以罗伊氏乳杆菌优良的菌株优势及固定化技术在非严格厌氧条件下,短时,高效生产1,3-丙二醇,为工业化大规模生产1,3-丙二醇奠定了理论基础。     

丙酮酸对肺炎克雷伯氏菌微氧发酵甘油产1,3-丙二醇的影响

微氧条件下,考察肺炎克雷伯氏菌发酵生产1,3-丙二醇过程中柠檬酸和丙酮酸对发酵过程的影响。摇瓶实验结果表明:添加柠檬酸能抑制菌体生长和1,3-丙二醇合成;丙酮酸对菌体生长和1,3-丙二醇合成有一定的促进作用。5 L发酵罐批式发酵表明:补料培养基中加入8 g/L丙酮酸,1,3-丙二醇的产量提高了约10.8%,转化率提高了约4.4%,比生长速率提高了约10.8%。上述结果初步表明,强化能量的产生能够有效促进1,3-丙二醇的合成,可以利用分子生物学手段强化丙酮酸的产生以促进1,3-丙二醇的合成。     

1,3-丙二醇生产的研究进展

作为一种重要的化工材料,1,3-丙二醇凭借其自身的优点,在工业生产中具有很高的应用价值。但其传统的生产方法,操作繁琐、技术难度大、设备投资高,已无法满足对1,3-丙二醇的日益增长的需要;而微生物发酵法又面临着产率低、发酵条件难以控制等弊病。相反,基因工程技术在1,3-丙二醇生产过程中扮演着越来越重要的角色。简要综述了1,3-丙二醇研究及生产工艺的进展。     

2,3-丁二醇代谢途径关键酶基因敲除对克雷伯氏菌发酵产1,3-丙二醇的影响

2,3-丁二醇是克雷伯氏菌发酵产1,3-丙二醇的主要副产物,为减少2,3-丁二醇的产生,利用Red重组技术对克雷伯氏菌2,3-丁二醇合成途径关键酶基因budC和budA进行了敲除。突变株发酵性能实验结果表明,所获得的两株突变株生长性能受到不同程度的影响;budC基因的缺失使菌株1,3-丙二醇产量提高了10%,2,3-丁二醇降低为原来的70%,而budA基因缺失则使菌株无2,3-丁二醇和1,3-丙二醇的产生,但乳酸、琥珀酸、乙醇和乙酸的产量较出发菌株都有明显增长。通过进一步对budC基因缺失菌株主要产物分析,推测在该菌中存在2,3-丁二醇回补途径,这一结果为低副产物克雷伯氏菌的改造提供了新依据。     

利用PDOR同工酶基因yqhD对产1,3-丙二醇克雷伯氏杆菌进行基因工程改造

由于Klebsiella pneumoniae 1,3-丙二醇合成途径中,加强甘油脱水酶基因表达,导致因NADH供应不足使3-羟基丙醛累积,并对菌体生长及1,3-丙二醇合成造成负面影响。为改善Klebsiella pneumoniae 1,3-丙二醇合成途径,本文利用PCR技术从大肠杆菌(Escherichia coli)中扩增出以NADPH 为辅酶的1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶编码基因yqhD,从克雷伯氏杆菌中扩增出2.66kb的甘油脱水酶基因（dhaB）,构建了产1,3-丙二醇关键酶基因的串联载体pEtac-dhaB-tac-yqhD,并将其转入到野生克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)中,重组载体得到了表达。通过初步发酵,重组后的克雷伯氏杆菌产量比原始菌高20%左右,副产物中乙酸和丁二醇分别下降30%左右。     

pH对克雷伯氏菌1,3-丙二醇合成关键酶酶活及发酵特性的影响

在5 L发酵罐进行甘油脉冲流加发酵,分析了不同pH值对克雷伯氏肺炎杆菌发酵特性的影响,pH 6.5为菌体最佳生长条件,克雷伯氏肺炎杆菌合成1,3-丙二醇的产量最高。在1,3-丙二醇合成速率较大的对数中前期,进行甘油脉冲流加发酵,提高甘油浓度促进甘油脱水酶、1,3-丙二醇氧化还原酶和甘油脱氢酶活性。不同pH值的脉冲试验表明,甘油脱水酶,2,3-丁二醇脱氢酶比酶活随着pH值的升高而升高,1,3-丙二醇氧化还原酶,乳酸脱氢酶比酶活在pH6.5最高,因此偏酸性的发酵条件和对数期维持一定的甘油浓度能够促进1,3-丙二醇的合成。     

弗氏柠檬酸菌1,3-丙二醇合成的代谢工程研究

【目的】研究弗氏柠檬酸菌(Citrobacter freundii) 1,3-丙二醇合成的代谢过程。【方法】构建甘油脱氢酶基因GSR-lacZ、1,3-丙二醇氧化还原酶基因PDO-lacZ和甘油脱水酶基因GL-lacZ等报告基因。在此基础上,构建3个相应的转座子突变文库。【结果】筛选到6株突变子,其相应关键酶表达水平提高1?11倍,1,3-丙二醇产量提高幅度为3%?50%。对转座子插入位点分析显示,5株突变子插入位点均为β-内酰胺酶(CKO_02592)编码基因,1株突变子插入位点为二氢硫辛酰胺基转移酶(CKO_02433)编码基因。进一步分析发现,β-内酰胺酶基因突变显著提高甘油脱水酶和甘油脱氢酶的表达水平,而1,3-丙二醇氧化还原酶表达水平没有变化;二氢硫辛酰胺基转移酶基因突变显著提高1,3-丙二醇氧化还原酶表达水平,其他两种关键酶基因表达水平不变。【结论】β-内酰胺酶和二氢硫辛酰胺基转移酶基因能够分别影响1,3-丙二醇合成代谢途径关键酶的表达,为构建工程菌株打下基础。     

国家产业化示范工程项目 国家“十五”攻关重点项目：黑龙江辰能生物工程有限公司

黑龙江辰能生物工程有限公司（以下简称辰能生物）是从事天然可再生资源深度开发利用的高新技术公司,拥有先进的生物工程技术研发力量、一流的实验仪器设备和健全的市场监测体系,现阶段主要是围绕1,3-丙二醇（即1,3-Propandiol简称1,3-PDO）产品的科研、生产、经营开展业务。     

原生质体紫外诱变技术选育1,3-丙二醇高产菌株

以肺炎克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)为研究对象,应用原生质体紫外诱变技术提高其对甘油及1,3-丙二醇的耐受性,获得1,3-丙二醇高产菌.在原生质体制备过程中,运用滤膜去除酶解后细胞悬液中的正常菌体,简化菌体酶解过程,提高再生率及形成率.经过原生质体诱变后,以耐受高浓度甘油和1,3-丙二醇及高产酸能力为筛选方向,最终筛选到了3株高产菌株(Kp-1、Kp-4和Kp-5).在补料发酵实验中,上述诱变菌产1,3-丙二醇能力分别为70.24 、65.21和75.51 g/L,比野生菌株WT(55.78 g/L)分别提高了25.92%、16.91%和35.37%.     

国家产业化示范工程项目 国家“十五”攻关重点项目——黑龙江辰能生物工程有限公司

黑龙江辰能生物工程有限公司（以下简称辰能生物）是从事天然可再生资源深度开发利用的高新技术公司．拥有先进的生物工程技术研发力量、一流的实验仪器设备和健全的市场监测体系．现阶段主要是围绕1,3-丙二醇（即1,3-Propandiol简称,1,3-PDO）产品的科研、生产、经营开展业务。     

产1,3-丙二醇新型重组大肠杆菌的构建

利用PCR技术从大肠杆菌(Escherichia coli )中扩增出1.16 kb的编码1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶的基因yqhD,将其连接到表达载体pEtac,得到重组载体pEtac-yqhD,重组载体在大肠杆菌JM109中得到高效表达。SDS_PAGE分析显示融合表达产物的分子量均为43 kD,同核酸序列测定所推导的值相符。对含有yqh-D的基因工程菌进行表达研究表明：37 ℃,以1.0 mmol /L IPTG诱导4 h,1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶的酶活力达到120 u/mg蛋白,而对照菌株的酶活力为0.5 u/mg蛋白。再将含甘油脱水酶基因dhaB和含1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶基因yqhD的重组质粒共转化大肠杆菌JM109得到重组大肠杆菌JM109（pUCtac-dhaB, pEtac-yqhD）,该菌株在好氧条件下,以1.0mmol/L IPTG诱导可将50 g/L甘油转化为38.0 g/L 1,3-丙二醇。首次发现1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶在好氧条件下表现出较高的活性。     

基于傅里叶变换近红外光谱实时分析1,3-丙二醇发酵过程生物量的在线监测方法

生物量是反映生物发酵过程进展的重要参数,对生物量进行实时监测可用于对发酵过程的调控优化。为克服目前主要采用的离线方法检测生物量时间滞后和人工测量误差较大等缺点,本研究针对1,3-丙二醇发酵过程设计了一个基于傅里叶变换近红外光谱实时分析技术的生物量在线监测实验平台,通过对实时采集光谱预处理以及敏感光谱段分析,应用偏最小二乘算法,建立了1,3-丙二醇发酵过程生物量变化的动态预测模型。以底物甘油浓度为60 g/L和40 g/L的发酵过程作为外部验证实验,分析得到模型的预测均方根误差分别为0.341 6和0.274 3,结果表明所建立的模型具有较好的实时预测能力,能够实现对1,3-丙二醇发酵过程中生物量的有效在线监测。     

产1,3-丙二醇基因工程菌发酵条件的研究

利用途径工程的方法,将来源于克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)的甘油脱水酶基因dhaB和1,3-丙二醇氧化还原酶基因dhaT构建成多顺反子重组质粒pSE-dhaB-dhaT并在大肠杆菌JM 109中进行表达,在大肠杆菌中构建一条新的产1,3-丙二醇代谢途径。研究表明,重组菌株JM 109/pSE-dhaB-dhaT在微好氧条件下,尝试用廉价的乳糖为诱导物、维生素B12为辅酶,可以将甘油转化为1,3-丙二醇,产量达15.34 g/L,甘油转化率为35.7%,对低成本生产1,3-丙二醇作了有益的探索。     

甲酸脱氢酶在Klebsiella pneumoniae中的表达和功能分析

在甘油厌氧发酵生产1,3-丙二醇的过程中,需要消耗还原当量NADH,NADH的有效供给决定了1,3-丙二醇的产量和得率。采用PCR方法从Candidaboidinii基因组中克隆编码甲酸脱氢酶基因fdh,将fdh基因片段插入载体pMALTM-p2X中,构建表达载体pMALTM-p2X-fdh,并转入1,3-丙二醇生产菌Klebsiella pneumoniae YMU2,获得重组菌Klebsiella pneumoniae F-1。研究了重组质粒的稳定性和IPTG诱导fdh基因过量表达的条件。结果表明,重组质粒具有良好的稳定性;fdh基因表达的蛋白分子量为40.2kDa;IPTG诱导表达研究表明,在IPTG浓度为0.5mmol/L时,诱导4h后甲酸脱氢酶表达明显;发酵过程中甲酸脱氢酶比酶活达到5.47U/mg;与出发菌株K.pneumoniae YMU2相比,重组菌F-1合成1,3-丙二醇的浓度提高了12.5%。     

补料分批发酵过程中两阶段发酵生产1,3-丙二醇

在补料分批发酵过程中提高比生长速率不仅减少乙醇、甲酸的生成,而且提高1,3-丙二醇的得率和比生产速率.发酵后期甘油的浓度在15～26 g/L时有利于提高1,3-丙二醇的生产.采取在发酵前期控制菌体较高比生长速率和发酵后期控制适宜甘油浓度相结合的策略,有效地提高了1,3-丙二醇的生产,降低副产物乳酸和乙醇的生成.     

聚羟基丁酸路径在克雷伯氏菌中的构建

以生物柴油的副产物甘油生产高附加值的1,3-丙二醇,现已成为提升生物柴油产业链经济性的重要途径,而中间代谢产物3-羟基丙醛积累造成细胞死亡,发酵异常终止是生物法生产1,3-丙二醇过程中的关键问题。不同于传统的降低3-羟基丙醛积累的思路,本文从增强克雷伯氏菌对3-羟基丙醛的抗逆性出发,改善克雷伯氏菌1,3-丙二醇的生产性能,首次将聚羟基丁酸路径引入克雷伯氏菌中,构建了新型基因工程菌,并对其1,3-丙二醇发酵性能及聚羟基丁酸代谢进行了初步的研究。经IPTG诱导,工程菌中检测到聚羟基丁酸,其含量随IPTG浓度增加而增大。优化的IPTG浓度为0.5 mmol/L。初始甘油50 g/L时,野生菌可正常发酵生产1,3-丙二醇,1,3-丙二醇浓度达到22.1 g/L,其质量得率为46.4%。当初始甘油达到70 g/L时,由于高浓度3-HPA积累,野生菌发酵终止,而工程菌可正常发酵生产1,3-丙二醇,PDO产量可达31.3 g/L,其质量得率为43.9%。同时检测到聚羟基丁酸积累。研究结果有助于加深对克雷伯氏菌1,3-丙二醇代谢机理的认识,为克雷伯氏菌的进一步优化提供了新的思路。     

基于甘油的1,3-丙二醇生物合成的代谢局限及其改造策略

粗甘油是生物柴油生产中的主要副产物,一些微生物可将甘油转化为重要化工原料1,3-丙二醇(1,3-PD),而利用这些微生物野生菌株生物合成1,3-PD会存在一些局限性,如底物抑制、产物抑制等。文中从1,3-丙二醇的甘油生物转化途径与这些局限性出发,总结了生物合成中存在的问题,并针对这些问题提出了一些基于基因敲除或基因过表达等基因工程技术的改造方法,综述了利用基因工程菌生物转化甘油生成1,3-丙二醇的最新研究进展。     

克雷伯氏肺炎杆菌LDH526产1,3-丙二醇的甘油自动流加策略

1,3-丙二醇是一种重要的化工原料,主要作为平台化合物用于合成聚酯,如聚对苯二甲酸丙二醇酯。经基因工程改造的克雷伯氏肺炎杆菌LDH526能以甘油作为唯一碳源合成1,3-丙二醇,最终发酵浓度超过90 g/L。甘油浓度是影响1,3-丙二醇合成的关键因素。为了实现对甘油浓度的精确控制,设计并优化了基于发酵动力学的甘油自动流加策略。通过将底物流加速率与易观察变量p H和发酵时间偶联,实现了发酵过程中甘油流加的自启动和甘油浓度的动态控制。发酵72 h,1,3-丙二醇的浓度可稳定超过95 g/L。自动控制甘油流加的发酵过程具有可重复性、连续性以及人工工作量少的特点,有望从实验室规模扩大到生产规模。     

产1，3-丙二醇重组大肠杆菌JM109（pEtac—dhaB—tac—yqhD）的构建

在生物柴油的生产过程中,最高可得到约10％的副产物甘油,副产物甘油的去向将成为生物柴油大规模产业化发展所面临的严峻问题。以生物柴油副产物甘油为原料耦合生产1,3-丙二醇,不仅解决了生物柴油副产物甘油的出路问题,同时降低了1,3-丙二醇的生产成本。本研究在前期工作的基础上,分别获得了来源于肺炎克雷伯氏茵的甘油脱水酶编码基因dhaB和来源于大肠杆菌的1,3-PD氧化还原酶同工酶编码基因yqhD,利用表达载体pEtac串联构建了重组质粒pEtac—dhaB—tac—yqhD,将其转化大肠杆菌得到产1,3-丙二醇重组大肠杆菌JM109（pEtac—dhaB-tac—yqhD）,降低了代谢中间产物3-羟基丙醛的积累,提高了1,3-丙二醇的产量。