[发明专利]一种提高微生物发酵生产2,3‑丁二醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物化工领域，具体涉及一种通过两种微生物共发酵来提高发酵菌生产2,3-丁二醇的方法。

背景技术

2,3-丁二醇可以作为一种潜在的平台化合物，替代传统的平台化合物，用于大规模合成甲乙酮（优良溶剂）和1,3-丁二烯（广泛应用于合成橡胶、聚酯和聚亚胺酯等领域）。除此之外，2,3-丁二醇还可用于制备油墨、香水、熏蒸剂、增湿剂、软化剂、增塑剂、炸药及药物手性载体等，2,3-丁二醇的氧化产物3-羟基丁酮和丁二酮可作为食用香料使用；同时，因其热值较高，与乙醇、甲醇相当，故可作为燃料添加剂；2,3-丁二醇酯化后可生成聚氨酯泡沫的前体；2,3-丁二醇与乙酸反应生成2,3-丁二醇二乙酸酯，该酯可加到奶油中改善风味；2,3-丁二醇在我国还被添加到白酒中，以改善白酒的风味。2,3-丁二醇脱氢变成双乙酰，双乙酰在食品工业中作为一种具有很高价值的风味。2,3-丁二醇的L型异构体可用于抗冻剂。2,3-丁二醇酯化物能作为制作药物和化妆品的前体。目前2,3-丁二醇的合成主要采用以石油裂解物为来源的化学法，但随着石油资源的大量消耗和不可再生资源价格的节节攀升，发展环境友好的生物基化学品的生物炼制技术已成为转变经济增长方式、保障生态链良性循环、实现经济社会可持续发展的战略需求。

随着生物技术的广泛应用，2,3-丁二醇主要以微生物发酵法生产，工业发酵生产2,3-丁二醇主要菌种有克雷伯氏菌属(Klebsiella)、沙雷氏菌属(Serratia)、芽孢杆菌属(Bacillus)和气单孢菌菌属(Arobacter)，其生物发酵工艺已相对成熟。随着生物发酵生产2,3-丁二醇研究的深入，克雷伯氏菌逐渐成为一种优势菌种，成为研究的热点。

CN200910046726.8公开了一种肺炎克雷伯氏菌及其制备氢气和2,3-丁二醇的方法，其在厌氧的条件下发酵联产氢气和2,3-丁二醇，增加了生产的附加值，但是2,3-丁二醇的产量很低。CN200710021641.5 公开了一种产酸克雷伯氏菌及其应用，利用该产酸克雷伯氏菌生物合成2,3-丁二醇并降低该过程中副产物有机酸的产量，但是该法处理前后 2,3-丁二醇产量增加并不明显。CN200810138838.1公开了一株肺炎克雷伯氏菌及其在制备2,3-丁二醇中的应用，但是以葡萄糖为底物进行2,3-丁二醇的转化属于氧化代谢途径，克雷伯氏菌属于典型的兼性厌氧微生物，在发酵初期生物量累积较慢，以至于发酵周期较长。CN200410037692.3公开了一种微生物两段发酵法由甘油生产1,3-丙二醇和2,3丁二醇的方法，采用前期厌氧后期好氧两段发酵的新工艺，虽然利用厌氧与好氧的条件控制，能够对发酵菌株代谢过程进行人为调控，但是对于由单一发酵菌株的发酵过程而言，这样的调控效果一般，而且会引入更多的发酵副产物。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种提高微生物发酵生产2,3-丁二醇的方法。该方法将克雷伯氏菌和乳酸菌进行共发酵生产2,3-丁二醇，一方面以乳酸菌优化糖代谢，增加中间代谢产物的供给，提高2,3-丁二醇的发酵水平；另一方面，通过调控发酵过程中氧气的供给量，调节两种菌的代谢途径，在提高2,3-丁二醇产量的同时，获得经济效益更好的高浓度双乙酰。

本发明微生物发酵生产2,3-丁二醇的方法，包括以下步骤：（1）种子液培养：以MRS培养基进行乳酸菌的培养，获得乳酸菌种子液；以LB培养基进行克雷伯氏菌的培养，获得克雷伯氏菌种子液；（2）发酵培养：在发酵培养基中接入两种菌株混合的发酵种子液，在发酵初始阶段以厌氧或微氧发酵为主，当光密度OD₆₅₀（OD₆₅₀是指波长为650nm光照下测得的OD值）大于5时增加通气量，进行好氧发酵。

本发明方法中，所采用的乳酸菌为干酪乳杆菌；所采用克雷伯氏菌优选肺炎克雷伯氏菌。

本发明方法中，乳酸菌种子液与克雷伯氏菌种子液按照1:1～1:3的比例配成发酵种子液。

本发明方法中，种子液培养过程如下：将菌种保藏液与种子培养基按体积1:100～1:500的比例混合于培养反应器内，培养温度为30℃～40℃，搅拌速度为100rpm～400rpm，pH控制在4～7之间，种子液培养过程中保持微氧或厌氧条件。

本发明方法中，微氧发酵时无空气通入，依靠发酵液中溶解氧维持微氧状态；厌氧发酵时通入流速为0.1vvm～0.5vvm的氮气；好氧发酵时通入流速为0.5vvm～1vvm的空气。