丙酮酸对肺炎克雷伯氏菌微氧发酵甘油产1,3-丙二醇的影响
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第8卷第3期 2010年5月 生物加工过程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering V01.8 No.3
Mav 2010
doi:10.3969/j.issn.1672—3678.2010.03.005
丙酮酸对肺炎克雷伯氏菌微氧发酵甘油 产1,3一丙二醇的影响 王晓楠,王凤寰,吴家鑫,谭天伟 (北京化工大学生命科学与技术学院北京市生物加工过程重点实验室,北京100029)
摘要:微氧条件下,考察肺炎克雷伯氏菌发酵生产1,3一丙二醇过程中柠檬酸和丙酮酸对发酵过程的影响。摇瓶 实验结果表明:添加柠檬酸能抑制菌体生长和1,3一丙二醇合成;丙酮酸对菌体生长和1,3一丙二醇合成有一定的 促进作用。5 L发酵罐批式发酵表明:补料培养基中加入8 g/L丙酮酸,1,3一丙二醇的产量提高了约10.8%,转化 率提高了约4.4%,比生长速率提高了约10.8%。上述结果初步表明,强化能量的产生能够有效促进1,3一丙二醇 的合成,可以利用分子生物学手段强化丙酮酸的产生以促进1,3丙二醇的合成。 关键词:丙酮酸;1,3一丙二醇;微氧发酵 中图分类号:Q815 文献标志码:A 文章编号:1672—3678(2010)03—0023—05
Effect of pyruvate on microaerobic fermentation of 1,3一propanediol from glycerol by Klebsiella pnenmoniae
WANG Xiao—nan,WANG Feng—huan,WU Jia—xin,TAN Tian—wei (Beijing Key Laboratory of Bioprocess,College of Life Science and Technology, Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)
Abstract:Under microaerobic conditions,effects of citrate and pyruvate on 1,3一propanediol(1,3·PD) fermentation by Klebsiella pnenmoniae were studied.The experiments were carried out in shake flask.The results showed that the enhancement of cell growth and 1,3-PD synthesis was found by adding pyruvate, while the inhibition of those was found with the addition of citrate.Fed—batch fermentation was then stud— ied in a 5 L fermentator by the addition of pyruvate into feeding.The final concentration of 1,3一PD increased about 1 0.8%with the conve ̄ratio and the specific growth rate of 4.4%and 1 0.8%.Results showed that enhancement of 1.3-PD synthesis was improved by adding ATP. Key words:pyruvate;1,3一PD;microaerobic fermentation
1,3一丙二醇(1,3-propanediol,简称1,3一PD) 是1种重要的化工原料,在药物、聚酯、抗冻剂、溶 剂、保护剂的合成领域有很好的应用前景 。1,3一 PD的生产方法主要有化学法和微生物发酵法,鉴于 微生物发酵法选择性好、转化率高,已经引起了广 泛的重视 ,但存在终产物浓度低、生产周期长和
收稿日期:2009—09—16 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB707804,2007CB714304);国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目 (2006AA020102,2006AA020103,2006AA020201,2007AA100404);国家自然科学基金资助项目(2087601 1);北京市自然科学基金 资助项目(2071002);北京市教育委员会共建项目 作者简介:王晓楠(1984一),男,河南鹤壁人,硕士研究生,研究方向:微生物发酵;谭天伟(联系人),教授,E—mail:twtan@mail.buct.edu.en 生物加工过程 第8卷 甘油转化率低等问题,导致缺乏市场竞争力而无法 实现工业化。 克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)以甘油为唯 C源发生歧化反应,通过氧化和还原2个支路生 产1,3一PD,通过ATP和NADH,来维持代谢通量平 衡 J。丙酮酸作为发酵生产1,3一PD过程中的重 要代谢中间物,与氧化途径有着密不可分的关系, Zeng等 提到丙酮酸代谢是 pneumoniae厌氧利 用甘油发酵的重要代谢步骤之一。此前已有较多 研究报道过添加富马酸 、丁二酸 等三羧酸循环 (TCA)代谢物和乙酸 等其他副产物 -91对 1,3一PD发酵过程的影响,但丙酮酸对发酵的影响 却很少被关注。本文重点研究丙酮酸对发酵生产 1,3一PD的影响,并初步分析原因。 1材料与方法 1.1菌种和培养基 本实验所用菌种为重组克雷伯肺炎杆菌 pneumoniae GCMCC21 1 1。 培养基(g/L):K2 HPO4·3H2 0 3.4,KH2 PO 1.3,(NH )2SO4 4,MgSO 0.24,CaCO,0.5,酵母浸 粉3.8,葡萄糖8,甘油20,富马酸 io J 0.025。微量 元素5 mL/L。 普通补料:60%甘油、7.5%葡萄糖和32.5%水。 微量元素溶液(g/L):FeSO4·7H2O 1,ZnC1 0.07, CuC12·2H2O 0.02,MnC12·4H2O().1,NiC12·6H2O 0.025, H3BO3 0.06,Na2MoO4·2H2 O 0.035,CoC12·2H2 O 0.2。 37%HC1,4 mL。 1.2培养方法 微氧条件采用250 mL锥形瓶棉塞封口,装液量 100 mL,摇床转速180 r/min,培养温度为37℃,培 养时间12 h。发酵罐培养在上海保兴BIOTECH一 2002型5 L发酵罐中进行,初始装液量2 L,接种量 10%,通气量0.4 L/min,搅拌转速300 r/min,发酵温 度为37℃,自动加入4 moL/L的KOH维持pH 7.0, 流加补料维持甘油质量浓度在10~20 g/L。 1.3分析方法 取发酵液稀释至合适倍数,蒸馏水为对照,用 分光光度计测定DD 。 发酵液中主要化学成分采用岛津LC—IOA高 效液相色谱分析,检测器为RID一10A示差检测器, 色谱柱为Bio—Rad公司Amines HPX一87H有机酸 离子交换柱,柱温65℃,流动相为5 mmol/L H’SO , 流速为0.6 mL/min。将发酵液经过8 000 r/min离 心10 min,然后取上清液稀释100倍,用0.22 m微 滤膜过滤,即得试样。 发酵过程中采用高碘酸钠滴定法 可以快速 测定甘油,实现控制底物浓度的目的;而文中提到 的所有甘油浓度值都是通过液相色谱测定的。
2结果与讨论 2.1摇瓶培养条件下丙酮酸质量浓度对产物合成 的影响 250 mL摇瓶中(50 mL装液量)分别加入0、5、 10、15 g/L的丙酮酸(Pyr),用KOH调灭菌前培养基 pH为7.0±0.3,发酵12 h,结果如图1所示。
图1 丙酮酸加入量的分析结果 Fig.I Analysis for adding diferent amounts of pyruvate
由图1可知,随着丙酮酸加入量的增加,OD逐渐 提高(未在图中显示),乳酸(Lac)、琥珀酸(Suc)、柠 檬酸(Cit)和甲酸(For)的浓度却逐渐增多,而乙酸 (Ace)和2,3一丁二醇(2,3~BD)与1,3一PD的浓度 逐渐降低。原因可能是随着丙酮酸添加量的增加,下 游与丙酮酸直接相连的乳酸、乙酰辅酶A和 一酮戊 二酸的浓度必定增加。 一酮戊二酸作为TCA循环 内的1种物质,由于过量导致整个循环受阻,不能提 供充分的ATP和NADH2;2,3一BD与1,3一PD的产 生都需要还原当量NADH ,NADH 含量降低势必造 成2,3一BD与I,3一PD的浓度逐渐降低。 由此可见,只有控制合理的丙酮酸添加量才能 促进细胞的代谢,有效提高甘油转化率和1,3一PD 的单位产量。 2.2摇瓶培养条件下柠檬酸浓度对产物合成的 影响 实验条件同2.1,结果如图2所示。由图2可
9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 一 r1.∞一 第3期 王晓楠等:丙酮酸对肺炎克雷伯氏菌微氧发酵甘油产1,3一丙二醇的影响 知,随着柠檬酸浓度的提高,OD(图中未显示)和 1,3一PD的终浓度低于初始值;乳酸、甲酸、乙酸的 终浓度高于初始值且逐渐升高。
Gly 12--PDLac Pyr Suc Cit For Ace23-BD 有机酸
图2柠檬酸加入量的分析结果 Fig.2 Analysis for adding different amounts of citrate
柠檬酸是TCA循环的中间代谢物,加入少量柠 檬酸时,柠檬酸的合成受到抑制;其前体草酰乙酸和 乙酰辅酶A得到富集,乙酰辅酶A较多地代谢为乙 酰磷酸,进而代谢为乙酸。如图2所示,乙酸浓度远 高于空白值,这对菌体的进一步生长代谢有着很大的 毒害作用,OD(图中未显示)和1,3一PD均低于空白。 随着柠檬酸浓度的提高,在较低浓度时,下游的OL~酮 戊二酸生成量提高,2,3一BD由 一酮戊二酸代谢而 来,故2,3一BD此时浓度提高;而当柠檬酸浓度过高 时,对TCA循环的抑制作用极其明显,所以TCA循环 中的 一酮戊二酸的产量就较低,2,3一BD产量也相 应降低。 2.3有机酸的种类和浓度对摇瓶发酵过程中C源 代谢的影响 方法同2.1,摇瓶中添加一定量的丁二酸、柠檬 酸和丙酮酸,培养12 h后用发酵罐的罐载pH计测 定发酵液的酸碱度,结果如图3所示。 图3中:Pyr一5指添加5 g/L丙酮酸,Pyr一10指 添加10 g/L丙酮酸,Pyr一15指添加l5 L丙酮酸, Suc一5指添加5 L丁二酸,Snc一10指添加10 g/L 丁二酸,Suc一15指添加15 g/L丁二酸,Cit一5指添加 5 g/L柠檬酸,cit一10指添加10 g/L柠檬酸,cit一15 指添加l5 g/L柠檬酸。 由图3可知,整个发酵过程中未另外加入碱类 物质,添加有机酸的摇瓶12 h后的pH都要高于相 应的对照摇瓶,而添加丙酮酸的摇瓶要明显高于加 入丁二酸和柠檬酸的摇瓶。由此可见,添加丙酮酸 的摇瓶最终的产酸量较少。为了进一步确认这个 实验结果,考察发酵液中醇类物质的浓度(将 I 垦 盟 呈 呈 2 毒言喜 昔 图3有机酸对摇瓶发酵液pH的影响 Fig.3 Effects of organic acids on pH 1,3一PD和2,3一BD按碳元素个数折合成一元醇浓 度计算),结果如图4所示。由图4可知,添加丙酮 酸的各摇瓶中醇类物质的含量明显高于其他各瓶, 而添加其他有机酸的各摇瓶中甘油的消耗量基本 相同且大部分低于对照实验。 60 50 40 ·30 20 1O 0 : 匡 亘 Ⅻ 0 恹 蛊墨墨 醇类物质 图4发酵液中醇类浓度对比图 Fig.4 Diferent alcohol concentrations in broth 由此可见,添加丙酮酸有利于菌体将C、N源较 多地转化为醇类物质,而转化为酸性物质较少;提 高甘油的转化率的同时,能够相对减少中和剂的用 量,从而有效降低成本。 2.4 全自动发酵罐培养条件下丙酮酸对菌体生长 和产物合成的影响 在5 L发酵罐中进行补料批式发酵实验, 20090217批次为对照组,补料为普通补料;20090219 批次为实验组,补料中添加18 g丙酮酸。选取生物 量、1,3一PD、2,3一BD、甲酸、乙酸、丙酮酸、乳酸、琥 珀酸8项指标进行比较,结果如图5~8所示。 由图5~8可知:实验组菌体浓度较对照组稍 低;而实验组的1,3一PD、2,3一BD、甲酸、丙酮酸、 丁二酸和乳酸的浓度都较对照组高。