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微生物发酵生产丁二酸

丁二酸,又称琥珀酸,是工业上一种重要的C4平台化合物,广泛应用于食品、医药、表面活性剂、清洁剂、绿色溶剂、生物可降解塑料等领域。微生物发酵方法将来自可再生生物质(如淀粉、纤维素)的还原糖转化为丁二酸,减少化学品对石化原料的依赖,生产过程环境友好。

1.具有自主知识产权高产菌株

①选育出高产的琥珀酸生产菌株

选育自主知识产权的厌氧发酵丁二酸生产菌株琥珀酸放线杆菌A.succinogenes CCTCCM2012036,该菌在 5-15L发酵罐中, 补料分批厌氧发酵 36-48 h 产琥珀酸 70-95.6g/L,生产强度 1.70-1.99 g/(L·h),糖酸转化率 0.70-0.84 g/ g。该菌株具有高产、 降低生产成本的优势。


该菌5L 搅拌罐补料分批发酵曲线

 

②改造出高产、高转化率基因工程菌

改造谷氨酸产生菌生产丁二酸,构建出嗜乙酰乙酸棒杆菌工程菌C.acetoacidophilumΔldh。采用双阶段发酵(先好养培养,然后停止供氧,在缺氧状态下催化葡萄糖和碳酸盐合成琥珀酸),3-L发酵罐中发酵75h,丁二酸浓度达到121g/L,对糖平均转化率约为0.85g/g

现有微生物微生物发酵产琥珀酸,存在需要在高浓度细胞下进行,工业化的难度和应用成本较高等缺陷。本工程菌,具有产琥珀酸浓度和转化率高,生产成本较低,易操作等特点。

2  3L 发酵罐中 C.acetoacidophilum ldhA/pXMJ19-pyc 两阶段法产琥珀酸曲线

 

2. 开发出纤维床固定化发酵新工艺,可反复生产,操作简单,生产强度高

将琥珀酸放线杆菌在装有棉纤维载体的发酵罐中培养、吸附固定,通过反复分批发酵反复补料分批发酵连续发酵双罐循环连续发酵工艺,提高了发酵的细胞浓度,同时获得高产酸浓度、高生产强度和高转化率。转化率最高达 90%,生产强度最高为 4.27g/L/h,丁酸产量最高为 98.7g/L

实例1——反复补料分批发酵

反复补料分批发酵运行了4批次,丁二酸平均浓度为88g/L,平均生产强度2.2g/L/h,平均转化率为87%

1 纤维床反应器固定化反复补料分批发酵

批次

葡萄糖
g/L

丁二酸
g/L

甲酸
g/L

乙酸
g/L

转化率
g/g

生产强度
g/L/h

批次一

7.5

81.6

15.1

0.88

2.34

批次二

4.9

85.3

15.2

0.82

2.28

批次三

4.6

98.7

17

0.89

2.46

批次四

10

89.2

15.5

0.9

1.71

平均

6.75

88.70

15.70

0.87

2.20

 

实例2——双罐循环连续发酵

用两个 3L 发酵罐,其中一个为纤维床反应器 ,另一个作为循环反应器,两罐以蠕动泵以及橡胶软管相链接。发酵过程开始时,循环罐中的发酵培养基装液量为1.6L,用蠕动泵以80mL/min 向纤维床反应器循环发酵液,每隔 4-6h 由循环罐取样测定葡萄糖与发酵液中的生物量,在发酵液中葡萄糖降低为 10g/L 时,连续发酵开始,新鲜培养基以 0.05/h 稀释率泵入纤维床反应器,发酵液从循环罐中泵出,连续运行 50h 后,流出的发酵液中丁二酸浓度稳定在 60g/ L,残糖浓度为 8.3g/L,转化率 0.84g/g,生产强度为 3.0g/L/h

3 纤维床反应器双罐循环连续发酵装置图

1,纤维床反应器 2,循环罐 3,蠕动 4,蠕动泵 5,蠕动泵 6,蠕动泵 7 pH 电极 8 pH 控制器 9,蠕动泵 100.22μm 气体 滤膜 11 pH 调节剂储罐 12,产物收集瓶 13,培养基补料瓶 14 CO2/N2 混合气瓶。

 

3.利用廉价农林废弃资源发酵,设备投资低、操作费用低、环境友好

利用琥珀酸放线杆菌糖利用谱广的特点,开发了廉价农林废弃资源发酵生产丁二酸工艺。

①秸秆同步糖化发酵生产丁二酸

采用秸秆同步糖化发酵工艺,将秸秆切割粉碎、稀碱预处理,在纤维素酶和琥珀酸放线杆菌共同作用下生成丁二酸,丁二酸产率达到0.55g/g(处理秸秆)。

②甘蔗渣原料发酵生产丁二酸

以甘蔗渣为原料,经过粉碎,稀碱预处理,以及纤维素酶、木聚糖酶、β- 葡聚糖酶和果胶酶的共同水解,得到水解糖液;利用琥珀酸放线杆菌发酵水解糖液生产丁二酸,同时在发酵液中添加甘蔗渣水解的残渣,使得发酵可以反复运行,节省种子培养,而且可以用有机溶剂萃取稀碱预处理后的残液中的糠醛。

本技术将甘蔗渣水解液作为碳源补料,实现了甘蔗渣水解残渣的合理使用,减少常规发酵的种子培养环节,节约了发酵成本、提高了发酵效率。同时对发酵设备要求低,不需要对已有的发酵罐做出额外改进,适合工业化生产

4 甘蔗渣发酵丁二酸工艺路线

采用分步糖化补料分批发酵工艺时,发酵50h,丁二酸的产量达到71g/L,糖酸转化率81%,丁二酸的生产强度为1.426g/L/h

5 甘蔗渣水解液作为碳源补料分批发酵丁二酸的过程曲线

采用半连续带渣发酵工艺时,在3L发酵罐中带渣、反复分批发酵,均值丁二酸浓度为35g/L,丁二酸的平均生产强度为1.65g/L/h,平均糖酸转化率为81%,整个发酵系统运行64h,没有下降的趋势。

6 带渣3L发酵罐反复分批发酵丁二酸的过程曲线