新型丙酸杆菌固定化方法发酵生产丙酸

摘要

丙酸是一种重要的精细化工产品和基本化工原料，丙酸及其衍生物广泛应用于食品、饲料、香料、医药、农药等领域。丙酸的生产方法有化学合成法和生物发酵法。目前，丙酸的工业化方法为化学合成法，随着石油价格的不断攀升，近年来丙酸的价格不断上涨。微生物发酵法由于原料可再生、对环境无污染等优点而受到了越来越多的青睐。
　　 目前，生产效率低、底物转化率低和副产物多是生物法发酵生产丙酸面临的主要问题。固定化细胞具有菌体可重复利用、批次生产时间短、产量稳定、耐受高糖等优点，能够有效提高丙酸生产效率，此外，固定化细胞能够提高丙酸生产菌对于丙酸的耐受性，是目前丙酸发酵的研究热点。
　　 本文首先对PVA与海藻酸钠互配包埋丙酸生产菌Propionibacteriumfreudenreichii CCTCC M207015的条件进行了初步研究，优化了固定化发酵条件，考察了批式发酵的稳定性，并对高糖条件下丙酸发酵进行了初步探索。结果表明：以质量分数分别为10.7％的PVA和1.4％的海藻酸钠互配作为固定化载体，包埋12％的菌体，在含有质量分数2％的氯化钙和5％的硼酸作为固定液中固定18h，能够较好的实现丙酸的固定化生产。经15批次的发酵验证，产量稳定，丙酸平均产量为19.64g/L(葡萄糖40g/L)。以80g/L的葡萄糖为碳源固定化制备丙酸192h，丙酸产量达35.4g/L。
　　 构建了一种简单、高效的新型多点式纤维床反应器(Multi-point fibrous_bedbioreactor，MFB bioreactor)，将棉纤维绕成桶状，固定于反应器中，即可用于丙酸固定化发酵。以40g/L的葡萄糖为碳源，与游离细胞相比，利用MFB生产丙酸，丙酸产量由14.58g/L提高至20.41g/L，发酵时间由120h缩短至60h。研究了不同糖浓度条件下MFB生产丙酸情况，并将补料策略应用于丙酸发酵中。结果表明：补料发酵能够有效改善P.freudenreichii CCTCC M207015在高糖条件下丙酸对葡萄糖转化率较低、副产物较多的问题。经补料发酵280h，丙酸产量达45.91g/L，丙酸质量约占有机酸总质量比例为72.31％。
　　 考察了外源丙酸、乙酸、琥珀酸对于P.freudenreichii CCTCC M207015游离细胞与MFB发酵生产丙酸的影响。结果表明：MFB固定化菌株具有比游离细胞更强的丙酸、乙酸耐受性，其中丙酸的抑制现象比乙酸的更加严重。此外，外源琥珀酸可以作为丙酸合成的前体物质对P.freudenreichii CCTCC M207015发酵生产丙酸产生促进作用。
　　 本研究对于开拓新型丙酸生产方法、提高丙酸生产效率具有极其重要的作用。