随着生物柴油的快速发展,其副产物甘油产量猛增,导致甘油过剩,急需寻求甘油的新用途、加快其下游产品的开发。本论文采用生物技术法,以甘油为原料生产附加值更高的化学品二羟基丙酮。二羟基丙酮广泛应用于化妆品与医药中间体的合成。本论文建立了产二羟基丙酮微生物快速筛选模型,从土样中筛选得到80余株能产二羟基丙酮的微生物菌株,并对其中4株进行了微生物学鉴定,鉴定结果分别为氧化葡糖杆菌(Gluconobacter oxydans)、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)、葡萄牙棒孢酵母(Clavispora lusitaniae)、膜醭毕赤酵母(Pichia membranifaciens)。这些菌株保藏在中国典型微生物保藏中心(CCTCC)。采用等离子注入与紫外线诱变方法,以氧化葡糖杆菌605为出发菌株,经过多轮诱变筛选得到高产稳定的诱变菌株ZJB09112。摇瓶发酵实验结果表明:甘露醇能促进氧化葡糖杆菌生产二羟基丙酮的能力;酵母提取粉、蛋白胨、玉米浆适合于氧化葡糖杆菌生产二羟基丙酮,其中以酵母提取粉为最适氮源;在起始pH偏酸性(pH 4.0~6.0)的条件下有利于二羟基丙酮生产;高KLa有利于氧化葡糖杆菌的生长和二羟基丙酮的合成。研究了补料分批发酵生产二羟基丙酮工艺,研究结果表明:批式补料工艺如下:起始甘油浓度为2.5g/L,发酵24h后开始批式补加甘油,发酵过程中总共补加甘油5次,甘油总浓度为182.5 g/L,发酵68h,二羟基丙酮产量达到161.9 g/L。研究了溶氧、pH对二羟基丙酮补料分批发酵的影响,采用pH控制技术与溶氧控制技术,优化了二羟基丙酮发酵工艺,得到了较佳的恒溶氧控制发酵工艺,得到实验结果如下:溶氧为30%,在发酵初期pH控制在6.0,发酵到20h后,pH控制在5.0,发酵72h,二羟基丙酮产量达到175.9 g/L。在小试研究的基础上,进行发酵工艺的放大研究。在500L发酵罐中进行中试研究;在中试研究的基础上,在5.0M3发酵罐中进行大规模生产工艺研究。在国内首次成功实现二羟基丙酮产业化生产,该套生产技术填补了国内空白,产品销量情况良好。5.0M3发酵罐中生产二羟基丙酮的技术指标如下:发酵周期72h,产物浓度为254.1g/L。该技术指标远远领先于国内外文献报道。研究分析补料分批发酵动力学,将发酵过程分成3个阶段进行动力学分析,建立了菌体细胞生长、底物消耗和产物合成动力学方程。第一阶段(0-10h)的发酵动力学方程组如下:第二阶段(10-24h)的补料分批发酵动力学方程组如下:第三阶段(24h以后)的补料分批发酵动力学方程组如下:发酵结束后进行二羟基丙酮的分离提取,在提取过程中产生的废弃菌体细胞用于生物催化法生产二羟基丙酮,建立了发酵法结合生物催化法生产二羟基丙酮工艺。研究结果表明:菌体细胞生物催化反应的最适pH为5.0,最适温度为30°C;菌体细胞催化反应动力学参数为:Vmax=0.193 mmol/L/min,Km=21.89 mmol/L;生物催化法生产二羟基丙酮的优化工艺如下:反应液总体积为500mL,菌体浓度7.4 g/L,通风量为1.1vvm,甘油初始浓度为10g/L,在反应过程中流加甘油,流速约为0.4mL/h,在pH5.0、30°C条件下在鼓泡塔生物反应器催化反应66h,二羟基丙酮浓度为61.2g/L。分析了氧化葡糖杆菌体内甘油代谢情况。在发酵液中除了目的产物二羟基丙酮外,还有甲酸、乙酸、琥珀酸、丙酮酸、苹果酸、延胡索酸、酮戊二酸等化合物,在发酵液中没有检测到3-羟基丙醛和1,3-丙二醇等。研究结果表明:部分二羟基丙酮在磷酸激酶的作用下,进入了糖酵解途径;而且三羧酸循环途径也存在;该菌株不具备甘油脱水酶和1,3-丙二醇氧化还原酶,不具备甘油代谢的还原途径。分析发酵过程中代谢流变化,在发酵前期,甘油主要用于菌体生长,伴随着二羟基丙酮的生成,同时有副产物甲酸、乙酸、琥珀酸和乙醇等生成。在发酵30h以后副产物浓度基本不变。通风量越大,越有利于甲酸和乙酸的生成,而通风量越大时琥珀酸和乙醇的浓度越低。在发酵中后期底物甘油主要用于二羟基丙酮的合成,而甘油用于其它代谢途径的很少。