厭氧微生物高效生產丙酸和丙烯酸的研究.pdf

1、丙酸和丙烯酸是二種重要的大宗化學品，目前由石油化工下游產品經(jīng)過多步的化學合成進行工業(yè)化生產。由于石油和煤炭等化石資源的不可再生性和快速消耗，從可再生性資源出發(fā)通過環(huán)境友好的生物過程進行生產就變得非常有意義。
　　丙酸本身是一種具有多種用途的平臺化合物，又是丙烯酸生產的潛在前體。本文首先在5L通用發(fā)酵罐和纖維床反應器上進行游離和固定化發(fā)酵的方式篩選得到高產丙酸的丙酸桿菌CGMCC1.2230。然后考察纖維床反應器中木纖維和純棉載體對

2、細胞生長和固定化的不同影響規(guī)律，確定了較優(yōu)的固定化載體及固定化條件。在木纖維固定化細胞間歇游離發(fā)酵中，最高丙酸濃度可以達到28.6 g/L，產物得率為0.55 g/g，生產強度達到0.36 g/(L·h);在棉織物固定化間歇發(fā)酵中，丙酸的最高濃度可達22.4 g/L，得率為0.51 g/g，生產強度達0.96 g/(L·h)。進一步開展了葡萄糖流加的發(fā)酵工藝，經(jīng)過72 h，以棉織物為固定化載體時丙酸的終濃度為51.2 g/L，得率為0.

3、43 g/g，生產強度為0.71 g/(L·h)。
　　進一步考察了以甘蔗渣為底物固定化發(fā)酵生產丙酸的潛力。以甘蔗渣水解液為底物重復間歇發(fā)酵結束后，丙酸的平均濃度可達12.9 g/L，生產強度達到0.88g/(L·h)，基于還原糖的丙酸得率為0.29 g/g。研究了流加葡萄糖的甘蔗渣水解液固定化補料流加發(fā)酵，經(jīng)過254 h發(fā)酵，丙酸濃度為58.8 g/L，得率為0.37 g/g，甘蔗渣中的木糖利用效率超過60％，葡萄糖完全消耗。探

4、索了不同固定化纖維床反應器的串并聯(lián)組合方式對固定化丙酸發(fā)酵的影響規(guī)律。在雙柱串聯(lián)間歇發(fā)酵和雙柱并聯(lián)間歇發(fā)酵中，丙酸的濃度分別為23.4 g/L和22.6 g/L;通過葡萄糖在雙柱并聯(lián)補料發(fā)酵，可以提高丙酸的終濃度到58.4 g/L。
　　本文同時探索利用丙酸梭菌構建微生物燃料電池(MFC)的方式，探索生物合成丙烯酸并同時產生電能的可能性。丙酸梭菌可以在陽極室中以半胱氨酸和刃天青為電子受體，陰極室為K3Fe(CN)6溶液的情況下產生

5、電流。在鹽橋MFC中，外接電阻為1000Ω時，可產生最大輸出電壓和輸出功率為116 mV和21.78mW· m-2。通過反復間歇操作和循環(huán)伏安法初步判定丙酸梭菌在MFC中的產電機理為介質導電型。在雙室鹽橋MFC中，靜息細胞可以以亞甲基藍為電子受體，產生丙烯酸并同時獲得短暫的電壓輸出。
　　本文最后開展了大腸桿菌生物合成丙烯酸的代謝工程研究。利用基因工程手段，利用3-羥基丙酸的合成途徑，在大腸桿菌Rossetta(DE3)中引入丙酰