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目前,克雷伯杆菌发酵法生产1,3-丙二醇(简称1,3-PD)成为人们研究的热点,其中,提高发酵的产物浓度、相对于甘油的转化率及生产强度等是发酵工艺改进的目标。本文研究了生物酶法生产1,3-丙二醇的过程工艺,主要内容如下:
通过正交实验分析了碳、氮、磷等营养物质对发酵的影响程度,然后通过批式流加发酵考察了细菌生长速率和产物合成速率的关联,以及工艺改变对最终发酵产物浓度及生产强度的影响。实验结果表明:三大营养源(C、N和P)对细菌生长和消耗甘油能力的影响大小为:C>N>P。确定以营养基质氮源限制性流加的发酵工艺,过低的氮源浓度,细菌生长受到限制,影响产物1,3-PD的合成;过高的氮源浓度,细菌浓度增加,但1,3-PD的转化率降低,用于生长和维持代谢所消耗的甘油量增加;以0.41g/(L·h)的氮源流加速率,残余氯化铵浓度在0.1 g/L时,转化率和生产强度最高。发酵25h~28h后,1,3-丙二醇最终浓度达到52.03 g/L,生产强度为2.04g/(L·h),相对于甘油的摩尔转化率为0.66,分别比氮源限制前提高了28.0%、35.1%及29.4%。
分析了克雷伯杆菌代谢过程中3种关键酶(甘油脱氢酶(GDH)、甘油脱水酶(GDHt)和1,3-丙二醇氧化还原酶(PDOR))的变化曲线,发现3种酶活分别在7 h~10 h内达到最佳水平。
通过研究甘油、葡萄糖、1,3-丙二醇及乙酸对发酵过程中3种关键酶活的影响,实验表明:甘油浓度在30g/L~50g/L可以很好地促进3种关键酶活,有利于提高产物的浓度和转化率;较低浓度的乙酸和1,3-丙二醇能促进3种酶活,在保存培养基中这二者还能较好地诱导及保持酶活。在优化的保存培养基条件下,克雷伯杆菌生长能力和生产能力提高。
开展含氮化合物(尿嘧啶、氯化胆碱及L-谷氨酰胺等)、表面活性剂类(CTAB、曲拉通X-100、OP-10及Tween-80等)及抗生素类(青霉素和氨苄青霉素)对发酵中细菌生长和酶活的影响实验。实验结果表明:尿嘧啶、OP-10及氨苄青霉素都能较好地促进3种关键酶活,并能提高最终1,3-丙二醇浓度及转化率。
0.01g/L~0.2g/L的尿嘧啶显著促进了GDH活性,当浓度继续增大时GDH活性开始降低,而在这个浓度范围内GDHt的活性也有一定的提高;尿嘧啶的适宜添加时间在8h~12h。
1g/L~2g/L OP-10对GDH和PDOR有促进作用,浓度高时对PDOR效果更明显,而对GDHt有稍微地抑制作用,OP-10的适宜添加时间8h~12h。低浓度的氨苄青霉素(低于100 mg/L)能够促进GDH和GDHt的活性,青霉素的适宜添加时间10 h~14 h。通过TEM照片发现,OP-10和氨苄青霉素都可以改善细胞通透性,促进细菌生长和产物合成。
5 L发酵罐中,在适宜时间流加尿嘧啶、OP-10及氨苄青霉素后,1,3-丙二醇浓度及相对于甘油的摩尔转化率较空白都有明显增长,最大可达到56.2g/L、0.70mol/mol,分别增长了17.8%及20.7%。