[发明专利]一种提高梭菌产丁醇比例的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，具体地说，是关于一种提高梭菌产丁醇比例的方法。

背景技术

丁醇是具有多种用途的大宗基础原料，在染料、油漆、塑料、树脂、橡胶等化学化工 领域中，可用作多种有机化合物合成的前体；是抗生素及合成药生产过程中所必不可少的 溶媒；同时也是食品、香料工业的食品级抽提剂。更重要的是，丁醇还是一种辛烷值(motor octane number)高于乙醇的优质燃料和燃料添加剂。研究表明，丁醇的蒸汽压和蒸发热分 别为0.63psi和141.3kcal kg^-1，低于乙醇的2.25psi和204.1kcal kg^-1；其高沸点(118℃) 和低蒸汽压有助于汽车的冷启动；由于丁醇的疏水性比乙醇更强，因此更易于与汽、柴油 烃类燃料相混溶；而丁醇的完全燃烧性，可大大降低尾气的CO₂排放，且不发生残留烃污 染，对净化空气十分有利。显然，上述优点有可能使丁醇成为未来发动机新型绿色燃料， 替代矿化燃料的可持续发展的再生能源之一。

丁醇可通过化学法和生物法生产。经微生物厌氧发酵生产丁醇等溶剂的方法可追溯到 上世纪初的第一次世界大战期间。由于丙酮丁醇梭菌在发酵过程中产生三种溶剂丙酮、丁 醇和乙醇(Acetone-Butanol-Ethanol，ABE)，故产溶剂发酵亦称“ABE发酵”。其中，丁醇 和丙酮是主要发酵产物，其代谢网络如图1所示。

由于丙酮丁醇梭菌生产的溶剂除了60-70％为丁醇外，同时还会有20-30％的丙酮 和10％的乙醇这些低值副产物，因此降低副产物比例并提高丁醇比例是提高生物丁醇经 济性的有效手段。第一种思路是通过在本身不产丁醇的宿主菌中构建异源丁醇产生途径 (表1)。

                          表1、正丁醇发酵基因工程菌

  宿主菌   丁醇产量   摩尔产率％   参考文献   E.coli   B.subtillus   S.cerevisiae   E coli   E.coli   1.03mM   0.19mM   1mg/L   552mg/L   9.23mM   1.9   -   -   -   -   Dupont patent WO2007041269，Page 67   Dupont patent WO2007041269，Page 75   Dupont patent WO2007041269，Page 90   Metabolic engineering，2007，doi：   10.1016/j.ymben.2007.08.003   Nature，2008，doi：10.1038/nature06450

如表1所示，前四种基因工程的丁醇代谢工程均是在宿主菌中构建从乙酰辅酶A到丁 醇的异源代谢途径(即乙酰辅酶A→乙酰乙酰辅酶A→β-羟基丁酸辅酶A→巴豆酰辅酶A →丁酰辅酶A→丁醛→丁醇六步生物催化反应)；而最后一种基因工程大肠杆菌通过构建 以L-苏氨酸为起始底物的酮酸途径生产正丁醇。由于本身不产丁醇的菌株，如表1中所列 的宿主菌，对丁醇毒性的耐受能力非常有限，因此利用这些菌生产正丁醇的代谢工程任重 道远。