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微氧发酵制备1,3-丙二醇及其代谢流量分析

王元好  
【摘要】:1,3-丙二醇(1,3-Propanediol,1,3-PD)是一种重要的化工原料,其最主要的用途是作为单体合成新型聚酯材料—聚对苯二甲酸丙二酯(PTT),市场前景广阔。目前,1,3-PD的生产方法以化学法为主,但是随着石化资源日益枯竭及其价格的不断上升,以可再生资源为原料、低污染、可持续发展的生物法生产1,3-PD越来越引起人们的高度重视。其中研究最多的是利用克雷伯氏菌(Klebsiella pneumonia)以甘油为底物发酵生产1,3-PD。目前多采用厌氧发酵模式,存在产物浓度低、发酵周期长、生产强度低的缺点。而微氧发酵可以促进菌体生长,缩短生长周期,提高生产强度。本论文考察了微氧发酵模式下,不同通气条件对批式、批式流加及连续发酵过程生产1,3-PD的浓度和转化率的影响;通过代谢流量分析,考察了微氧条件下K. pneumoniae的甘油代谢机制,在此基础上,探索了微氧-厌氧连续流加甘油多罐串联发酵生产1,3-PD工艺的可行性。主要结果如下: 首先,建立了快速检测分析1,3-PD发酵液中多种有机酸的高效液相色谱分析方法。采用Shodex RSpak KC-811色谱柱,15 min内就能把发酵过程中产生的9种有机酸完全分离并定量,有机酸的线性相关系数R≥0.9992,RSD为0.004~2.756%,发酵液样品中8种有机酸回收率在96.8~102.5%之间。多次重复实验证明:本方法具有灵敏度高、分析速度快、准确度高和重现性好等优点,对于及时有效地测定1,3-PD发酵液中有机酸积累情况,分析不同培养条件下K. pneumoniae菌发酵的代谢流量,指导1,3-PD发酵具有重要意义。 其次,考察了批式和批式流加两种操作模式下,通气条件对微氧发酵生产1,3-PD的影响,并对K. pneumoniae对数生长期的代谢流量分布进行分析。实验结果表明,两种操作模式下的最佳通空气量均为0.04 vvm,可获得最高的1,3-PD的浓度和生产强度,转化率也与厌氧条件下接近。1,3-PD的浓度分别为17.30及57.49 g/L,生产强度分别比厌氧条件提高了13%和40%,转化率分别为0.52和0.55 mol/mol。微氧条件下批式发酵对数期代谢流量分析表明,通气量为0.04 vvm空气时,VEtOH/VHAc的比例与厌氧条件下的比例相同,均为1:3,并且在这两种条件下1,3-PD浓度相近。表明在乙酰辅酶A节点处,还原当量(NADH)与能量(ATP)的合理分配影响着1,3-PD合成。批式流加发酵对数期代谢流分析表明,四种通气条件中,厌氧条件下流入1,3-PD的代谢流量最高;而在微氧条件下,通气量为0.04 vvm空气时,进入1,3-PD的代谢流量最高,为通气量为0.08 vvm氮气条件下,进入1,3-PD的代谢流量的93%。 再次,考察了连续发酵稳态操作模式下,甘油浓度和通气条件对K. pneumonia代谢的影响。重点考察了稀释速率为0.2h-1三种不同甘油浓度和四种通气条件对细胞生长、1,3-PD和副产品的生成及三个关键酶的比活力的影响。结果表明,最佳工艺条件为:初始甘油浓度70 g/L,通空气量0.04 vvm。此时,1,3-PD的浓度和转化率最高,分别为19.7g/L和0.41 mol/mol。在初始甘油浓度为20和40 g/L时,厌氧条件下1,3-PD的浓度最高。代谢流量分析表明,微氧条件下随着通气量的增加,进入生物量、乳酸和2,3-丁二醇的代谢流量增加,同时通气量的改变导致VEtOH/VHAc比例变化,从而调整NAD+和NADH平衡。因此,提高1,3-PD浓度的瓶颈不是提高NADH的总量,而是调整甘油代谢节点处代谢流量的分配。甘油脱水酶、1,3-丙二醇氧化还原酶、甘油脱水酶的比活力检测结果表明,dha操纵子在微氧条件并未受到抑制,1,3-PD的代谢调节机制的差异不仅存在于代谢水平上,还存在于基因水平上。 最后,探索了微氧-厌氧联合连续流加甘油的三罐串联发酵生产1,3-PD的工艺路线。根据菌体生长及产1,3-PD特点,在第一个发酵罐中通入0.04 vvm空气,在微氧条件下发酵以促进菌体的生长,同时为了防止底物限制和过量,控制初始甘油浓度(40-110 g/L)和稀释速率(0.1~0.2h-1);在第二个发酵罐中通入0.04vvm氮气,同进流加入甘油使残余甘油浓度处于合理范围内,在厌氧条件下,提高1,3-PD浓度和转化率;在第三个发酵罐进行厌氧培养,消耗掉残余甘油并且进一步提高1,3-PD的浓度。在这些条件下,考察了串联连续稳态发酵模式下,不同稀释速率、初始甘油浓度与残余甘油浓度对发酵不同阶段的K. pneumonia代谢生成1,3-PD的影响。实验结果表明,通过三罐串联发酵,1,3-PD浓度和生产强度均可以得到提高。初始甘油浓度为110 g/L,稀释速率为0.1h-1时,1,3-PD浓度可达最高值(46.2 g/L),但此时终产物中残余甘油浓度较高(17.2 g/L),生产强度较低(4.2 g/(L·h)),不利于工业生产。综合考虑各方面因素,选择初始甘油浓度为40 g/L,稀释速率为0.2 h-1,第二个发酵罐中甘油浓度为30.9 g/L为最佳工艺条件。该条件下,发酵液中1,3-PD浓度和生产强度分别为36.7 g/L和7.3 g/(L·h),残余甘油浓度仅为1.7 g/L。该工艺可以获得高浓度的目标产物和生产强度,最大限度地降低最终发酵液中的残余甘油浓度,既节约了资源,又降低了下游分离的能耗,为工业化生产奠定了基础。


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