能量驱动对Klebsiella pneumoniae发酵甘油合成1,3-丙二醇的影响

考察了外加能量对Klebsiella pneumoniae合成1,3 丙二醇的影响,结果表明,外加0.6 0.8 g/L三磷酸腺苷 ATP 可以有效促进Klebsiella pneumoniae发酵甘油的还原代谢,1,3 丙二醇产量提高了50 70 ,得率在发酵后期仍能维持在较高水平. 利用休止细胞研究了甘油脱水酶催化失活后能量刺激复活的情况,结果表明外加三磷酸腺苷(ATP)对休止细胞中甘油脱水酶的复活有明显的驱动作用,经多次失活/驱动复活后甘油脱水酶活性可维持不变.     

氧对Klebsiella pneumoniae产1,3-丙二醇代谢的影响

考察了氧对Klebsiella pneumoniae发酵产1,3-丙二醇(PDO)代谢的影响. 研究结果表明,在厌氧或供氧条件下,K. pneumoniae都能利用甘油产PDO. 起始甘油浓度20 g/L,发酵时间4 h,在充分供氧条件下,PDO产量仅为1.1 mmol/L;但在微量供氧条件下,PDO产量为16 mmol/L,是厌氧发酵时的1.28倍. 在微量供氧条件下,调控PDO合成的关键酶甘油脱氢酶、甘油脱水酶及1,3-丙二醇氧化还原酶的活性分别为7.28, 1.14, 0.52 U/mg,高于厌氧或充分供氧条件下的相应酶活性. 氧对细胞内NADH的合成也有影响,厌氧及微量供氧条件下菌体内NADH含量分别为3.78及3.72 μmol/g (DCW),高于充分供氧发酵时的0.85 μmol/g (DCW).     

Klebsiella pneumoniae合成1,3-丙二醇过程中的生长与催化耦联

引　言1,3 丙二醇 (1,3 propanediol ,简称 1,3 PD)是一种重要的化工原料 ,主要用于合成对苯二甲酸丙二醇酯 .目前 1,3 PD的生产主要采用化学法 ,但因环境污染、石油资源紧张等 ,使其进一步发展受到限制 .欧美等国家积极开展通过发酵法生产 1,3 PD的研究[1] .Dupont公司开发的由葡萄糖合成 1,3 PD ,进而合成对苯二甲酸丙二醇酯的工艺 ,被授予2 0 0 3年美国总统绿色化学奖 .本课题组根据K pneumoniae兼性厌氧的特点 ,开发了两阶段双底物发酵的生产工艺[2 ] (twophas es twosubstrates ,简称TPTS) .经过工艺的优化 ,1,3 PD的产量已超过…     

遗传改造Klebsiella pneumoniae提高1,3-丙二醇产量的研究进展

1,3-丙二醇是合成聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)的重要原料.与化学法相比,微生物发酵生产1,3-丙二醇因对环境友好而成为当今研究热点.本文作者以肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)为表达宿主,从代谢途径、表达宿主、载体构建和关键酶基因等方面,综述了发酵菌种遗传改造的研究进展,并对一些新的菌种筛选和改造方法进行了讨论.     

醛脱氢酶基因敲除对克氏肺炎杆菌合成1，3-丙二醇的影响

利用Klebsiella pneumoniae厌氧发酵甘油生产1,3-丙二醇时，一部分甘油通过氧化代谢途径大量合成副产物乙醇，降低了1,3-丙二醇的得率.醛脱氢酶ALDH是乙醇合成途径的关键酶之一，其催化作用不仅消耗了大量甘油，还将还原型辅酶NADH氧化为NAD⁺，降低了同为NADH依赖型的1,3-PD合成途径的效率.本文以醛脱氢酶ALDH为改造目标，以K.pneumoniae为宿主，通过同源重组技术在K.pneumoniae M5aL的ALDH基因中成功地插入了四环素抗性基因，经抗性筛选和基因水平鉴定，得到两株ALDH基因敲除的重组菌0623-1hb及0623-1hc.本文研究了这两株重组菌的生长代谢特性，结果表明两株重组菌的ALDH酶活基本检测不到，菌体生长受到明显抑制，乙醇合成浓度比出发菌株K.pneumoniae M5aL降低了43%～53%，1,3-PD合成浓度及摩尔得率分别提高了27%～42%和19%～24%.     

分段通气对Klebsiella pneumoniae生产1,3-丙二醇关键酶和辅酶的影响

通过考察1,3-丙二醇合成中关键酶、辅酶的变化,研究了分段通入空气对Klebsiella pneumoniae厌氧发酵生产1,3-丙二醇的影响. 与对照组相比,在发酵前期(12 h)通入空气4 h后,甘油脱氢酶酶活提高1.5倍,1,3-丙二醇氧化还原酶酶活提高18%,1,3-丙二醇浓度提高16%;发酵后期(28和48 h)通入空气后,甘油脱氢酶酶活不变,1,3-丙二醇氧化还原酶酶活下降,1,3-丙二醇浓度降低. 发酵前期,通气对辅酶NADH和NAD的浓度无影响;发酵后期,菌体生长停滞,辅酶的浓度也随之下降.     

大气压冷等离子体诱变产1,3-丙二醇菌株Klebsiella pneumoniae

采用大气压冷等离子体介质阻挡放电法对产1,3-丙二醇的克雷伯氏菌进行诱变,采用诱变与筛选同时进行的单细胞平板诱变方法,同时获得了可耐受高浓度甘油且1,3-丙二醇产量较高的优良突变株. 对诱变后菌的间歇发酵结果表明,诱变菌株比出发菌株1,3-丙二醇的质量转化率提高了23%,对数期比生长速率提高了18%. 批式流加发酵过程中,1,3-PD浓度在发酵36 h时达到70.5 g/L,甘油的质量转化率为0.57 g/g,分别比野生菌提高47%和58%. 该诱变和筛选方法具有操作简单、效率高等特点,对具有工业应用价值的菌株筛选具有实用价值.     

1,3-丙二醇发酵条件的探索

对筛选得到的一株生产1, 3-丙二醇性能比较好的克雷伯氏肺炎杆菌PK2的发酵条件进行了探索,确定了最佳发酵温度为37℃. 考察了C, N, P单因子对发酵的影响,通过正交实验确定了培养基的C, N, P最佳配方及pH. 甘油的转化率可达46.7%.     

利用氧化还原电位调控基因工程菌株 Klebsiella pneumoniae F-1合成1,3-丙二醇

基因工程菌株Klebsiella pneumoniae厌氧发酵过程中,氧化还原电位(ORP)是一个监控发酵过程的重要指标. 考察了K. pneumoniae F-1在不同ORP(-190, -210, -240和-290 mV)下菌体生长和代谢产物合成的情况. 在ORP为-240 mV时,1,3-丙二醇的发酵终浓度和得率分别为81.5 g/L和0.423 mol/mol,分别为4种ORP条件下的最高值. 这说明ORP=-240 mV是菌株K. pneumoniae F-1的最适ORP. 此ORP既不同于野生菌株K. pneumoniae M5aL的最适ORP(-190 mV),也不同于经过诱变的菌株K. pneumoniae YMU2的最适ORP(-280 mV). 另外,通过研究发酵体系ORP对甘油代谢流的影响,发现还原性氛围较有利于甘油向1,3-PD、乙醇、2,3-丁二醇等还原性较高的代谢物转化. 首次报道了ORP调控发酵过程在基因工程改造菌株中的应用,这对于进一步研究ORP调控厌氧发酵过程具有一定的意义.     

外源添加ATP对K.pneumoniae菌体生长和产物合成的影响

基于K.pneumoniae生成1,3 丙二醇过程中甘油脱水酶催化失活与复活的特性,在发酵培养基中添加不同质量浓度的三磷酸腺苷(ATP),考察ATP对菌体生长、1,3 丙二醇(1,3 PD)、其他副产物合成的影响。实验结果表明:添加ATP抑制菌体生长,加入质量浓度为0 4g/LATP,OD值比参照低53%;添加ATP促进单位细胞合成1,3 丙二醇,加入质量浓度为0 4g/LATP,1,3 丙二醇质量浓度/OD值比参照高90%;添加ATP能提高甘油到1,3 丙二醇转化率,加入0 8g/LATP,甘油到1,3 PD的最大转化率达到0 76mol/mol。     

维生素C和E对Klebsiella pneumoniae合成1,3-丙二醇的调控

通过外源添加还原剂的方式调控细胞内NADH/NAD再生系统的状态,研究了40~150 mg/L VC及20~100 mg/L VE对Klebsiella penumoniae合成1,3-丙二醇的影响,发现外源添加150 mg/L VC或30 mg/L VE均可使1,3-PD合成浓度提高20%~30%;但同时也提高了某些副产物的合成浓度,对代谢流分布的调控作用不明显;1,3-丙二醇得率稍有提高但不显著. 提高1,3-PD得率宜从代谢节点(丙酮酸)通量调节方面考虑.     

1,3-丙二醇分批发酵动力学模型

在分批发酵中，研究了Klebsiella pneumoniae的生长、底物甘油消耗及1,3-丙二醇的产生特性. 基于Logistic方程和Luedeking-Piret方程，得到了描述1,3-丙二醇分批发酵过程的动力学模型及模型参数，该组模型能很好地拟合发酵过程，并在初始甘油浓度变化较大的范围内表现出很好的适用性. 同时，所建立的模型也基本反映了Klebsiella pneumoniae分批发酵过程的动力学特征. 基于分批发酵动力学模型，提出了以甘油为单一碳源时的底物流加策略，通过与其他流加策略条件下的发酵对比实验表明，通过基于动力学模型的流加策略可获得更高的1,3-丙二醇浓度及生产强度.     

蔗糖与葡萄糖作辅助碳源对重组Klebsiella pneumoniae发酵生产 1,3-丙二醇的影响

实验研究了重组Klebsiella pneumoniae批式发酵生产1,3-丙二醇过程中辅助碳源蔗糖与葡萄糖对发酵过程的影响,对发酵工艺进行了放大,并对流加策略进行了优化. 结果表明,葡萄糖为发酵生产1,3-丙二醇的辅助碳源优于蔗糖;以重组Klebsiella pneumoniae为菌种,以葡萄糖为辅助碳源,采用指数流加策略,30 L发酵罐中1,3-丙二醇的产量最高达85.2 g/L,产率达0.63 mol/mol,比单纯以甘油为碳源分别提高37.35%和25.00%.     

两段双底物发酵生产1,3–丙二醇

利用Klebsiella pneumoniae生长与催化耦合的特点，将好氧生长与厌氧转化两个过程耦合，开发了两段双底物发酵生产1,3-丙二醇的新工艺，并对其工艺特点进行了初步研究. 结果表明，采用两段双底物发酵工艺，发酵过程菌体浓度明显高于传统的厌氧转化工艺，OD650最大值达到9.37，发酵60 h, 1,3-丙二醇的浓度达到50.16 g/L，生成速率达0.836 g/(L×h)，比传统工艺提高了45%.     

3-羟丙醛对Klebsiella pneumoniae发酵产 1,3-丙二醇的影响及其调控

中间产物3-羟丙醛在发酵液中的积累对Klebsiella pneumoniae细胞生长及1,3-丙二醇的合成有显著的抑制作用,而调节发酵的起始甘油浓度及控制发酵pH值可调控发酵液中3-羟丙醛的积累.当起始甘油质量浓度分别为20、30、50、70g/L的批式发酵中,发酵液中3-羟丙醛的积累的高峰分别为4.31、6.87、11.48及13.49mmol/L,当起始甘油质量浓度大于50g/L时,3-羟丙醛在到达积累高峰后不能被菌体有效转化,在发酵后期维持较高浓度,抑制了细胞生长及1,3-丙二醇的合成,发酵不能继续进行.控制发酵pH值为7.75～8.0可促进发酵液堆积的3-羟丙醛被迅速转化.在流加发酵中起始甘油质量浓度采用30g/L,发酵pH值控制为7.75条件下,发酵32 h,1,3-丙二醇质量浓度可达37.16g/L,1,3-丙二醇的生产强度和质量得率分别达到1.16g/(L·h)和52.66%.