1,3-丙二醇有氧分批发酵动力学模型

在1,3-丙二醇有氧分批发酵中,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-丙二醇有氧分批发酵过程的动力学模型及模型参数,该组模型能很好的拟合发酵过程,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.     

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%.     

葡萄糖作辅助碳源对klebsiella pneumoniae发酵生产1,3-丙二醇的影响

在Klebsiella pneumoniae发酵甘油生产1,3 丙二醇的种子培养及发酵实验中,考察了葡萄糖作辅助碳源对菌体生长及1,3 丙二醇生成的影响. 结果表明,在种子培养期,以葡萄糖和甘油为混合碳源可缩短种子培养周期;在批次发酵和流加发酵中,葡萄糖作辅助碳源可使1,3 丙二醇产率及得率明显提高,但不同的葡萄糖加入方式对产率及得率促进的效果不同. 在初始发酵培养基中添加5 g/L葡萄糖、并在4 40 h进行葡萄糖与甘油混合液连续流加的条件下,1,3 丙二醇浓度、产率及得率较单一甘油为底物的流加发酵结果分别提高41.2 , 38.6 和8.3 .     

控制氮源浓度提高1,3-丙二醇的发酵水平

通过对克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)甘油发酵生产1,3-丙二醇(1,3-PD)发酵过程的研究发现,氮源浓度对菌体生长、产物和副产物的代谢有着重要影响.氮源浓度较低时,菌体生长和产物生成都会因氮源不足受到影响;氮源浓度较高时会导致菌体过度生长和副产物的大量生成,降低1,3-PD的最终浓度和甘油到1,3-丙二醇的转化率.控制合适的氮源浓度可以提高1,3-PD的发酵水平,1,3-PD的最终浓度达到61.20 g·L-1、甘油到1,3-丙二醇的转化率达到0.72 (mol·mol-1),分别比对照提高了10%和20%.     

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%.     

以粗甘油为原料高产1,3-丙二醇菌株的等离子体复合诱变

为提高克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)以粗甘油为底物发酵生产1,3-丙二醇的水平,尝试使用大气压介质阻挡放电等离子体与LiCl进行复合诱变,结合FeCl3和产物耐受的筛选方法,得到一株产量较高的突变菌株KpM30.经批式流加发酵,1,3-丙二醇的产量、摩尔转化率分别达到70.2 g/L和0.5...     

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.     

若干因素对发酵法生产1,3-丙二醇的调控作用

利用一株新筛选的克雷伯氏肺炎杆菌(Klebsiella pneumoniae ZJU 5205)对发酵法生产1,3-丙二醇进行了研究,考察了 pH、溶氧及添加辅助底物葡萄糖对发酵过程的调控作用。实验结果表明,相比于未调控 pH 发酵,恒定 pH 值发酵得到的菌体浓度明显增高,甘油消耗加快,1,3-丙二醇的最终浓度以及甘油到丙二醇的转化率(Y_(P/S))明显提高,分别达16.39g/L和0.51mol/mol;厌氧发酵时的菌体浓度和甘油消耗速率均高于微氧发酵,但1,3-丙二醇最终浓度和转化率低于微氧发酵;添加葡萄糖为辅助底物能够有效促进菌体生长,但1,3-丙二醇最终浓度和转化率却低于以甘油为单一底物时的发酵结果。     

有氧条件下Klebsiella pneumoniae发酵生产1,3-丙二醇的研究

探讨了有氧条件下利用Klebsiella pneumoniae发酵生产1,3-丙二醇的可能性,研究了通气量、初始底物浓度、pH和3-羟基丙醛等因素对发酵过程的影响.当空气通量为0.25vvm时,1,3-丙二醇的得率和生产强度与厌氧时相近.有氧条件下,当初始甘油质量浓度大于50g/L时,发酵中后期出现3-羟基丙醛的长期积累,甘油不能消耗完全.控制pH为7.75～8.00可以促进3-羟基丙醛的转化使甘油完全消耗.     

基于生长代谢耦联的1,3-丙二醇发酵过程底物流加控制策略

研究了克雷伯氏杆菌转化甘油生产1,3-丙二醇的底物流加控制策略,其特征是批式流加发酵过程与细胞生长和代谢相耦联. 通过细胞生长动力学分析,建立了对数生长期和稳定期底物消耗与生物量和碱液消耗量之间的函数关系. 2次在线反馈补料发酵实验结果表明,甘油浓度控制在20±2 g/L时,1,3-丙二醇的终浓度分别达80.3和78.8 g/L以上,与手动反馈补料相比,1,3-丙二醇浓度分别提高了25.0和23.5 g/L.     

A novel kinetic model to describe 1,3-propanediol production fermentation by Clostridium butyricum

Clostridium butyricum is one of the best 1,3-propanediol producers due to the nonpathogenic, less byproducts, and energy-efficient fermentation process. In fermentation process, the relationship among substrate, product, and byproducts is intricate and hard to be analyzed. The present study is aimed at establishing a novel kinetic model not only based on biomass, substrate, and 1,3-propanediol, but also considering the byproduct concentration to describe 1,3-propanediol fermentation process by C. butyricum. The simulative result of the model fit well with that in the batch fermentation process. Furthermore, the model was also used to predict the result of fed-batch fermentation process after some modifications. The predicted result of model fit well with the data in experiment when glycerol was controlled at around 10 g/L. Thus, this novel kinetic model could serve as a tool for further optimization of the fermentation process, and could be improved for some other similar processes.     

重组肺炎克雷伯菌发酵联产3-羟基丙酸和1,3-丙二醇

对表达了高效醛脱氢酶的重组肺炎克雷伯氏菌以甘油为底物生产3-羟基丙酸和1,3-丙二醇的过程进行优化,将发酵过程中补料阶段甘油浓度分别控制为0~10, 10~20, 20~30 g/L,并分3次间歇性补加甘油. 结果表明,发酵过程中补料阶段控制甘油浓度在20~30 g/L,发酵26 h得到47.20 g/L 3-羟基丙酸和43.90 g/L 1,3-丙二醇;而间歇性补加甘油产物得率最高,发酵26 h时3-羟基丙酸和1,3-丙二醇相对甘油的得率分别为0.35和0.38 mol/mol. 3-羟基丙酸和1,3-丙二醇联产可实现辅因子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的再生平衡,从而提高碳回收率.     

Design and economic analysis of the technological scheme for 1,3-propanediol production from raw glycerol

A technological scheme for producing 1,3-propanediol from raw glycerol was designed, simulated, and economically assessed. The production process was composed of three main stages, namely: glycerol purification, glycerol fermentation, and 1,3-propanediol recovery and purification. First, a typical stream of raw glycerol was purified up to 98 wt %, and then the fermentation took place in a two continuous stages process by means of a Klebsiella pneumoniae strain. For the fermentation stage, a rigorous analysis was carried out using a kinetic model considering both substrate and products inhibition. Thus, multiplicity of steady states and hysteresis loops were studied for the first fermentation stage. Also, in order to optimize both the outlet concentration of 1,3-propanediol and its productivity, three different objective functions were analyzed. As result, each objective function led to an optimal condition, such as: the highest global yield to 1,3-propanediol (0.599 mol/mol), the highest outlet concentration of 1,3-propanediol (0.512 mol/L), and the highest global productivity (1.157 × 10^?2), respectively. Then, the downstream process for 1,3-propanediol recovery and purification was designed based on a reactive-extraction process and a reactive-distillation process. This downstream process was applied to each scenario analyzed on the fermentation stage. Finally, the three scenarios were economically assessed and the lowest production cost was obtained for the third scenario. Simulation process and fermentation analysis were performed using Aspen Plus and MatLab respectively, while the economic assessment was carried out using the Aspen Icarus Process Evaluator.     

生物基1， 3-丙二醇连续发酵过程的稳态分析与反馈控制

生物发酵甘油生产1,3-丙二醇的自动化控制是其工业化应用亟待解决的关键问题。首先,采用数学函数连续性分析深入研究了克雷伯氏杆菌连续发酵甘油生产1,3-丙二醇过程的多稳态特性。在不同的初始甘油浓度或稀释速率下,系统均会出现多稳态现象,通过双因素分析确定了多稳态出现的临界区域,该区域内部的稳态是不稳定的。之后,基于反馈控制理论和多稳态分析结果,设计优化了受残余甘油和产物浓度影响的稀释速率控制策略。在连续发酵过程中,调整时间从81.27 h缩短到34.11 h,显著提高了发酵初期阶段甘油的利用率;同时甘油转化率由0.478 mmol·mmol^-1提高至0.563 mmol·mmol^-1,生产强度由85.70 mmol·L^-1·h^-1提高到101.10 mmol·L^-1·h^-1,显著提高了生产性能。     

甘油连续生物歧化过程的过渡行为及其数学模拟

用肺炎杆菌将甘油转化为１,３－丙二醇过程对稀释速率和底物进料浓度变化的过渡行为反映了细胞生长和胞内物质代谢在不同条件下存在着显著的差异。体系的过渡响应取决于操作条件变化前后系统所处的状态,当底物浓度由限制状态向剩余状态过渡时,甘油的残余浓度不断上升,而乙醇的浓度则逐渐下降,同时生物量、１,３－丙二醇和乙酸的浓度呈现先增后降的趋势。本文用“甘油浓度变化速率”的概念修正了菌体生长模型,并对甘油歧化过程     

有机酸对产丙二醇菌生长和生产的影响

为提高克雷伯氏肺炎杆菌厌氧发酵生产1,3-丙二醇的能力,在发酵过程中添加有机酸(OA),考察其对菌体生长、1,3-丙二醇及其他副产物合成的影响。实验表明:添加OA可促进菌体生长,加入质量浓度为0.2~0.5g/L的OA,菌体生长的菌液在590 nm处吸光度(OD)值比参照值高出30%;加入过量的OA(>1.0 g/L),则菌体生长受到抑制,OD值比参照值低37%;添加OA可促进单位细胞合成1,3-丙二醇,加入质量浓度为0.2~0.5g/L的OA,单位菌体的1,3-丙二醇质量浓度比参照高3.8%~17.5%;添加OA能提高甘油转化为1,3-丙二醇的转化速率,加入0.2~0.5 g/L的OA,甘油转化为1,3-丙二醇的最大转化速率达0.81 h-1。在15 L罐上批式发酵48 h,1,3-丙二醇最终质量浓度达42.9 g/L,甘油转化为1,3-丙二醇的平均转化率达64%。     

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).