1,3-丙二醇发酵液的絮凝预处理研究*

研究了天然澄清剂Ⅱ型B组份对1-3-丙二醇发酵液的絮凝预处理效果。首先通过单因素实验和正交实验,确定了影响絮凝的主要因素及其最佳工艺条件:即在pH6.0、用量为0.01g/L、NaCl盐浓为0g/L时,絮凝率可以达到95.97％。然后考察了絮凝预处理对发酵液过滤以及电渗析脱盐的影响,实验结果表明:絮凝预处理能显著加快发酵液中固体微粒的沉降,提高过滤速度,其中絮凝样的滤饼湿基、干基重量分别比对照样增加41.13％、51.88％;絮凝预处理还能加快电渗析脱盐速度,与过滤相结合可以代替离心预处理。     

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。     

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。     

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。     

甘油转化生产1,3-丙二醇发酵液中甘油含量的测定

对文献介绍滴定法测定甘油的方法进行了改进,使之能够用于1,3－丙二醇发酵液中甘油含量测定。实验表明,化学滴定法测定结果具有较好的准确性和重复性,与酶法和变色酸比色法相比,测定结果接近,化学滴定法测定发酵液中甘油含量是一个较为经济简便的方法。     

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。     

生物发酵法生产1,3-丙二醇和2,3-丁二醇

1,3-丙二醇(1,3-PDO)和2,3-丁二醇(2,3-BDO)是工业生产中常见的二醇,可以直接由可再生原料经生物转化生成,在化学、能源等方面具有广泛的用途。本文综述并讨论了微生物发酵法生产这两种二醇的进展,重点介绍了生产菌株的改造及发酵过程的优化。     

丁酸梭杆菌发酵甘油制备1,3-丙二醇的研究

本研究采用丁酸梭芽孢杆菌(Clostridium butyricum)从甘油发酵制备1,3—丙二醇。该发酵需厌氧培养,发酵培养基为：甘油6％,葡萄糖1％,玉米浆2％,(NH4)2SO40．2％。发酵温度为34℃,pH为6．5～7。在最佳条件下,发酵50h可产1,3—丙二醇40．7g／L,甘油摩尔转化率达68％。     

甘油歧化为1,3-丙二醇的代谢及关键酶研究进展

微生物发酵生产1,3-丙二醇因对环境友好而成为研究热点。通过对发酵菌种、代谢途径、调节子和关键酶的分析,阐述了微生物转化甘油为1,3-丙二醇的分子机理。尤其对还原途径的限速酶-甘油脱水酶的分子结构及再激活因子进行了详细分析,为菌种的遗传改造提供了理论依据。     

肌苷发酵液絮凝除菌体的研究

目前国内肌苷生产厂家普遍采用的提取方法是“双柱法”,即先用阳离子柱吸附,然后再用炭柱吸附。该方法不但周期长,工作量大,能耗高,而且提取收率低,一般只有60％左右,使我国肌苷的生产成本大大提高。因此,寻求新的提取方法,降低生产成本,是肌苷生产厂家及有关科技人员所共同关注的问题。肌苷发酵液的除菌体就是新法提取的步骤之一,它可以省去阳离子吸附柱,直接采用炭柱吸附,采用此法可使提取周期大大缩短,降低能耗,提高提取收率。 肌苷菌体较难清除,本研究采用能耗低、易操作,工作量小的絮凝方法,所用的絮凝剂为天然无毒物质,因此沉淀菌体可用作饲料蛋白,起到一举两得的作用。     

1,3-Propanediol and its copolymers: research, development and industrialization

1,3-Propanediol (PDO), is now taking the transition from a traditional "specialty chemical" to a "commodity chemical". The market for PDO is growing rapidly as the technology develops. With the advancing PDO production technology, polytrimethylene terephthalate (PTT) as a new type of polyester has been applied in carpet and textile fibers, monofilaments, films, and nonwoven fabrics, and in the engineering thermoplastics area, because PTT has unique properties compared to other polymers such as polyethylene terephthalate (PET) and polybutylene terephthalate (PBT). Responding to the environmental and sustainability factors, one- or two-step fermentation technology for PDO production has attracted people's attention. A novel flexible process for PDO production by using aerobic fermentation from glycerol or glucose has been developed and demonstrated with a facility capacity of 4000 t/year in a pilot plant. By using engineered Escherichia coli, 135 g/L PDO was obtained with glucose as feedstock. Since the bio-process of PDO production consumes 40% less energy and reduces greenhouse gas emissions by 20% versus petroleum-based propanediol, the bio-based PTT is more environmentally friendly and sustainable compared with the fossil fuel-based polymers, which made PTT more attractive with good prospects for the future.     

产1,3-丙二醇菌株丁酸梭菌的诱变育种

甘油由丁酸梭菌转化成1,3-丙二醇的研究是厌氧条件下进行。为了获得1,3-丙二醇的高产突变株,以丁酸梭菌为出发菌株进行诱变处理。经过硫酸二乙酯（DES）化学诱变得到2株高产正突变株C.but2031和C.but2046,再经过紫外线和亚硝基胍（NTG）复合诱变得到突变株C.but3037。经过初筛、复筛和传代实验,表明其是稳定的突变株。C.but3037的1,3-丙二醇产量由出发菌株的2.2g/L提高到15.7g/L,提高了6.13倍,     

一株絮凝菌的鉴定、絮凝基因定位及其絮凝剂成分分析

从武汉市综合废水处理的活性污泥中筛选得到一株絮凝剂产生菌株MBF03,其絮凝率达到90％以上,絮凝效果稳定.通过16S rDNA鉴定,该菌为泛菌属,扫描电镜结果显示为杆状.通过质粒转化与质粒消除试验,初步证实了MBF03菌的絮凝基因位于染色体上.提取该菌所产的絮凝剂,进行紫外、红外分析,结果表明,该絮凝剂主要成分是胞外多糖类物质,不含蛋白质和核酸.     

一步法产1,3-丙二醇酿酒酵母基因工程菌的构建

1,3-丙二醇(1,3-PD)是一种重要的化工原料,发酵法生产1,3-PD是一条新颖且具有潜在竞争力的生产途径。本研究在前期工作的基础上,将分别来源于大肠杆菌和肺炎克雷伯氏菌的基因片段yqhD和dhaB串联表达,构建重组表达载体pYX212-zeocin-pGAP-yqhD-pGAP-dhaB;并得到重组酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)W303-1A/pYX212-zeocin-pGAP-yqhD-pGAP-dhaB。该重组菌和对照S.cerevisiae分别以葡萄糖为底物摇瓶发酵72h后,重组酿酒酵母发酵液中1,3-PD含量约为1.5g/L;而对照菌株不产1,3-PD。以上结果表明本研究在国内首次成功构建了直接以葡萄糖为底物发酵生产1,3-PD的酿酒酵母基因工程菌。为进一步将dhaB、yqhD基因导入其他以葡萄糖为底物高产甘油的酵母宿主中表达,获得以葡萄糖为底物一步法发酵高产1,3-丙二醇工程菌打下了坚实的基础。     

产1,3-丙二醇菌株的诱变和筛选

为提高克雷伯氏肺炎杆菌产1,3-丙二醇的能力,以离子束、紫外线和氯化锂为复合诱变法,建立了产酸圈和产物耐受相结合的平板筛选方法,获得可耐受高浓度1,3-丙二醇并且副产物中乙醇含量较少的优良突变菌株2株。与出发菌株相比,两株高产突变菌株Klebsiella pneumoniae LM 03和Klebsiella pneumoniae LM05的1,3-丙二醇产量分别提高了33% 和30% ,达到66.74 g/L和65.12 g/L;乙醇产量分别降低了38% 和24% ,降低为6.59 g/L和8.05 g/L。同时测定了诱变前后还原途径中甘油脱水酶（GDHt）和1,3-丙二醇氧化还原酶（PDOR）的酶活变化,研究表明诱变对GDHt有明显的促进作用,而对PDOR的影响不明显。该诱变和筛选方法目标明确、易操作、效率高,在1,3-PD工业规模的生物法生产中将具有良好的应用价值,而且对于其他具有工业应用价值的菌株筛选工作也具有一定的借鉴意义。     

克雷伯氏肺炎杆菌HR526快速合成1,3-丙二醇发酵特性研究

研究了实验室筛选的一株高产1,3-丙二醇(PDO)菌株克雷伯氏肺炎杆菌HR526(Klebsiella pneumoniae HR526), 在5 L B. Braun发酵罐进行甘油补料流加发酵30 h, PDO达到91.47 g/L, 胞外代谢通量分析显示, PDO在对数中期通量达到最大, 而乳酸在稳定期通量达到最大。结合酶学检测分析了PDO合成关键酶PDO氧化还原酶(PDOR)、甘油脱水酶(GDHt)和甘油脱氢酶(GDH)酶活的变化, PDO氧化还原酶活性在对数中期达到最高, 甘油脱水酶/甘油脱氢酶在对数期远大于稳定期、衰退期, 与代谢通量变化一致甘油脱水酶/甘油脱氢酶活性比例不均衡是3-HPA对数期积累的原因, PDO合成主要集中在对数期, 是生长偶联的代谢产物。     

一株1,3-丙二醇生产菌的分离鉴定及其发酵特性

从活性污泥中分离筛选得到一株能代谢甘油生产1,3-丙二醇(1,3-PD)的菌株2-1,通过形态学鉴定、生理生化试验、16S rRNA序列分析对菌株分类学地位进行鉴定,用MEGA 4.1软件构建的系统发育树显示菌株2-1与Klebsiella pneumoniae(CP001891)的亲缘关系最近。16S rDNA序列同源性比较发现,菌株2-1与模式菌株同源率为95.4%,疑似为新种。对菌株2-1在5 L发酵罐中进行发酵特性研究,分批补料发酵时得到较高的1,3-PD终浓度,达到63.5 g/L,此时生产强度为2.19 g/(L.h),底物转化率0.64 mol/mol。     

异源表达木糖异构酶基因对克雷伯氏菌合成1,3-丙二醇的影响

【目的】提高克雷伯氏菌胞内还原力以强化1,3-丙二醇合成。【方法】将来源于大肠杆菌的木糖异构酶基因在克雷伯氏菌中异源表达,构建重组菌。研究重组菌添加不同浓度木糖为辅底物与甘油共发酵过程中代谢产物和NADH的变化规律。【结果】与对照菌相比,重组菌细胞内还原力NADH提高了0.1?0.3倍,1,3-丙二醇产量达到23.31 g/L,提高20%,1,3-丙二醇转化率从0.60 mol/mol提高到0.73 mol/mol。【结论】木糖异构酶基因的表达强化了木糖代谢途径,经磷酸戊糖途径积累大量还原力,促进了1,3-丙二醇的生成。     

Flocculation of kaolin by waxy maize starch phosphates

Waxy maize starch phosphates were tested as flocculants in order to determine if they have the potential to replace petroleum-based polymer flocculants currently used commercially. Phosphorylation was carried out by dry heating of starches and sodium orthophosphates at 140 °C for 4 h. Native and phosphorylated waxy maize starches were ineffective as flocculants for kaolin in deionized water. However, in the presence of small amounts of Ca²⁺ (1–4 mM), starch phosphates were effective flocculants of kaolin at concentrations as low at 3–4 ppm. The optimal degree of substitution (DS) for flocculation was 0.024 but the effect of DS was rather small over the range DS 0.007–0.08. Although a common synthetic polymer flocculant (polyacrylamide-co-acrylic acid) was effective at 1 ppm, the lower cost of starches should make them economically competitive.