厌氧微生物高效生产丙酸和丙烯酸的研究
丙酸和丙烯酸是二种重要的大宗化学品，目前由石油化工下游产品经过多步的化学合成进行工业化生产。由于石油和煤炭等化石资源的不可再生性和快速消耗，从可再生性资源出发通过环境友好的生物过程进行生产就变得非常有意义。 丙酸本身是一种具有多种用途的平台化合物，又是丙烯酸生产的潜在前体。本文首先在5L通用发酵罐和纤维床反应器上进行游离和固定化发酵的方式筛选得到高产丙酸的丙酸杆菌CGMCC1.2230。然后考察纤维床反应器中木纤维和纯棉载体对细胞生长和固定化的不同影响规律，确定了较优的固定化载体及固定化条件。在木纤维固定化细胞间歇游离发酵中，最高丙酸浓度可以达到28.6 g/L，产物得率为0.55 g/g，生产强度达到0.36 g/(L·h);在棉织物固定化间歇发酵中，丙酸的最高浓度可达22.4 g/L，得率为0.51 g/g，生产强度达0.96 g/(L·h)。进一步开展了葡萄糖流加的发酵工艺，经过72 h，以棉织物为固定化载体时丙酸的终浓度为51.2 g/L，得率为0.43 g/g，生产强度为0.71 g/(L·h)。 进一步考察了以甘蔗渣为底物固定化发酵生产丙酸的潜力。以甘蔗渣水解液为底物重复间歇发酵结束后，丙酸的平均浓度可达12.9 g/L，生产强度达到0.88g/(L·h)，基于还原糖的丙酸得率为0.29 g/g。研究了流加葡萄糖的甘蔗渣水解液固定化补料流加发酵，经过254 h发酵，丙酸浓度为58.8 g/L，得率为0.37 g/g，甘蔗渣中的木糖利用效率超过60％，葡萄糖完全消耗。探索了不同固定化纤维床反应器的串并联组合方式对固定化丙酸发酵的影响规律。在双柱串联间歇发酵和双柱并联间歇发酵中，丙酸的浓度分别为23.4 g/L和22.6 g/L;通过葡萄糖在双柱并联补料发酵，可以提高丙酸的终浓度到58.4 g/L。 本文同时探索利用丙酸梭菌构建微生物燃料电池(MFC)的方式，探索生物合成丙烯酸并同时产生电能的可能性。丙酸梭菌可以在阳极室中以半胱氨酸和刃天青为电子受体，阴极室为K3Fe(CN)6溶液的情况下产生电流。在盐桥MFC中，外接电阻为1000Ω时，可产生最大输出电压和输出功率为116 mV和21.78mW· m-2。通过反复间歇操作和循环伏安法初步判定丙酸梭菌在MFC中的产电机理为介质导电型。在双室盐桥MFC中，静息细胞可以以亚甲基蓝为电子受体，产生丙烯酸并同时获得短暂的电压输出。 本文最后开展了大肠杆菌生物合成丙烯酸的代谢工程研究。利用基因工程手段，利用3-羟基丙酸的合成途径，在大肠杆菌Rossetta(DE3)中引入丙酰CoA合成酶。该酶具有催化3-羟基丙酸转化生成丙烯酰CoA的特性。实验初步获得高效可溶性表达的突变Propionyl-CoA Synthase蛋白(MPCS)，同时对蛋白功能和丙烯酸生成进行初步探索。 总之，本文对厌氧微生物生物合成丙烯酸和丙酸的较系统研究，将对丙酸的规模化生产和丙烯酸生物合成新方法探讨具有重要的促进作用。
丙烯酸;丙酸;生物合成;微生物燃料电池;纤维床反应器;丙酸梭菌;厌氧微生物
浙江大学
博士
生物化工
徐志南
2012
中文
TQ921
121
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）