发酵产1,3-丙二醇的关键酶研究进展

1,3-丙二醇(1,3-PDO)是一种重要的化工原料.综述了微生物法生产1,3-丙二醇的关键酶相关研究成果,包括1,3-丙二醇氧化还原酶、甘油脱水酶等,并进行了展望.     

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.     

微胶囊固定化克雷伯杆菌生产1,3-丙二醇

引 言 1,3-丙二醇是合成新型聚酯材料--聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)的单体.近几年,利用微生物法生产1,3-丙二醇已成为国内外研究的热点[1-2].     

工程菌发酵产酶及其在1,3-丙二醇耦合酶催化制备中的应用

培养定向进化后的质粒保藏菌E.coli BL21(DE3)pLysS/PET-15b-dhaT’-24并进行质粒抽提,将抽提的质粒转化入感受态宿主细胞E.coli BL21(DE3)pLysS中得产1,3-丙二醇氧化还原酶的工程菌。工程菌经乳糖诱导后进行发酵培养获得酶活为182 U/mL的1,3-丙二醇氧化还原酶,最适反应pH值为10,pH值稳定范围为7.0～9.0,最适反应温度为55℃,温度稳定范围为30～45℃。利用工程菌产的1,3-丙二醇氧化还原酶进行转化3-羟基丙醛为1,3-丙二醇的反应,同时偶联甘油脱氢酶(由另一工程菌制备)转化甘油的反应进行辅酶NADH的再生,实现了1,3-丙二醇的双酶耦合的连续反应。由于来源于工程菌的双酶酶学性质相适应,反应连续进行34 h后,底物3-羟基丙醛的转化率达63.4%,产物1,3-丙二醇的产率达64.6%。     

丁酸梭杆菌VPI 3266甘油脱水酶和1,3-丙二醇氧化还原酶的克隆、表达

对丁酸梭杆菌VPI 3266的1,3-丙二醇代谢途径关键酶甘油脱水酶(DhaB)与1,3-丙二醇氧化还原酶(DhaT)进行了研究。甘油脱水酶基因dhaB全长3315bp,编码两个蛋白亚基,分别为甘油脱水酶的核心酶和脱水酶的再激活酶。前者全长2367bp,编码788个氨基酸,后者全长918bp,编码305个氨基酸。通过构建重组质粒,使其在大肠杆菌中实现了活性表达。1,3-丙二醇氧化还原酶基因dhaT全长1166bp,编码388个氨基酸,属于NADP依赖的离子激活的醇脱氢酶家族III。通过IPTG诱导,在大肠杆菌中实现了高效表达,酶活达到5.2U/mL。并通过Ni亲和柱获得了电泳纯的蛋白。蛋白相对分子质量为4.19×10⁴。该酶的最适反应温度为50℃,最适反应pH值为10.0,在pH值8.5~10.0范围内比较稳定,在45℃保温2h,酶活还残存50%。该酶以1,3-丙二醇为底物,在生理条件下的V_max和K_m分别为29.2U/mg和19.8mmol/L。     

途径工程生产1,3-丙二醇的研究进展

利用基因工程技术生产1,3-丙二醇,特别是途径工程的利用已取得了重大突破。利用生物技术生产1,3-丙二醇的成本比化学法的低25％,它将逐步实现工业化生产。介绍了一步法生产1,3-丙二醇的超级基因工程菌所需的3-磷酸甘油脱氢酶(GPD1)、甘油3-磷酸酶(GPP2)、甘油脱水酶(dhaB)和1,3~丙二醇氧化还原酶(dhaT),并对关键酶dhaB进行了分析,同时介绍了穿梭质粒和甘油-3-磷酸酶积累对生产的影响。最后,对今后的研究重点和策略进行了探讨。     

克雷伯氏菌微氧发酵生产1,3-丙二醇的研究

对克雷伯氏菌在厌氧和通1.2L/min空气的条件下间歇连续发酵生产1,3-丙二醇进行了研究,在两种条件下1,3-丙二醇的转化率接近.在通空气的条件下细胞能够正常代谢,并获得较高菌体密度,但有氧发酵的生产强度高于厌氧发酵;甘油处于限制状态、稀释率为0.1h-1的连续发酵中,有氧发酵1,3-丙二醇的转化率和生产强度均高于厌氧发酵.     

发酵甘油产1,3-丙二醇研究进展

综述微生物发酵甘油生产1,3-丙二醇的研究进展,内容包括生产菌种、发酵方式、优良生产菌株的选育和培养条件,并展望1,3-丙二醇发酵的前景。     

微生物发酵法生产1,3-丙二醇

微生物发酵法生产1,3-丙二醇(PDO)以可再生资源——淀粉(糖)为原料,具有操作简便、反应条件相对温和、副产物少、污染少且容易处理等优点。目前,直接利用糖生产PDO以降低微生物发酵成本的方法主要有3种:以葡萄糖为辅助底物;采用混合菌或两步法发酵;基因工程菌的构建。清华大学化工系利用二元醇可与乙醛反应生成缩醛的原理研究了PDO的分离、提纯工艺,并在两步发酵法生产甘油专利技术的基础上,进一步开发了将甘油发酵第二步厌氧耗糖过程与PDO厌氧发酵耦合进行的新工艺。     

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.     

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%.     

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。     

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%.     

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.     

pH值对克雷伯氏肺炎杆菌发酵甘油产1,3-丙二醇的影响与控制

在克雷伯氏肺炎杆菌发酵甘油产1,3-丙二醇(1,3-PD)的过程中,不同的pH值控制对菌体生长、产物和副产物的生成有着重要的影响.通过对发酵过程中不同pH值控制下的代谢分析,发现pH值较低时菌体生长较慢,有利于副产物2,3-丁二醇的生成;pH值较高时菌体生长较快,有利于副产物乳酸的生成.通过两阶段pH值控制策略,即在发...     

不同甘油原料发酵生产1，3-丙二醇的研究

对克雷伯氏菌在厌氧条件下以甘油为原料发酵生产1,3丙-二醇进行了研究,比较了不同甘油对菌体生长和产物生成的影响。结果表明,采用批式流加发酵的方式,以纯甘油作为原料时,发酵液中1,3丙-二醇的质量浓度最高达到72.15g/L,从甘油到1,3丙-二醇的物质的量转化率为63.32%,生产强度达2.67g/(L.h);以粗发酵甘油作为原料时,发酵液中1,3丙-二醇的质量浓度最高为56.72g/L,物质的量转化率53.14%,生产强度2.36g/(L.h);而低纯度皂化甘油对菌体生长有较强的抑制作用。成本分析表明粗发酵甘油更具有工业化应用前景。     

高产1,3-丙二醇菌株的诱变与筛选

为提高克雷伯氏肺炎杆菌产1,3-丙二醇(1,3-PD)的能力,利用紫外线对其进行诱变,建立了一种高效高通量的摇瓶传代连续富集培养筛选抗产物抑制菌株的方法,筛选出了4株抗1,3-PD抑制且高产1,3-PD的菌株,分别命名为KpⅠ、KpⅡ、KpⅢ和KpⅣ,其1,3-PD产量分别为74.80 g.L-1、77.98 g.L-1、76.04 g.L-1、73.50 g.L-1,比出发菌株提高了14.5%、19.4%、16.4%、12.5%。1,3-PD得率分别比出发菌株提高了8.1%、14.8%、11.5%、6.6%。     

巴氏梭菌高产1，3-丙二醇菌株诱变选育

1,3-丙二醇（1,3-PD）主要应用于油墨、涂料、化妆品、制药、防冻剂等行业．它最重要的用途是作为聚酯、聚醚和聚亚氨酯的单体。由它合成的聚酯,如聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）,有独特的性质和优异的性能,而且可以使聚酯塑料具有易于自然循环的可生物降解特性闭。目前,1,3-丙二醇的生产主要是以石油裂解的乙烯和丙烯为原料．在高温和重金属催化剂的作用下化学合成的。这种合成方法使用有毒的化合物．性质相近的副产物较多,导致分离纯化困难。生产成本相应较高。与化学合成法相比,生物制备法具有以下优点：采用了成本较低的再生资源．生产条件温和,节约能源,无需贵重金属催化剂,转化率高,选择性好．副产物少,易于分离纯化,环境友好等目。