[发明专利]一种微生物联产1,3-丙二醇、微纳米碳酸钙和氢气的方法

说明书

本发明公开了一种微生物联产1,3‑丙二醇、微纳米碳酸钙和氢气的方法，包括：将菌种接种于发酵培养基中，以甘油为底物进行发酵的步骤，在发酵过程中采用氢氧化钙或氨水耦合氢氧化钙作为pH调节剂调节发酵液的pH值。通过氨水和氢氧化钙联合控制发酵过程中的pH，固定发酵尾气中的CO₂，提高氢气浓度和1,3‑丙二醇的生产强度，降低发酵液电导率，以联产1,3‑丙二醇、微纳米碳酸钙和氢气。本发明中，氢氧化钙与二氧化碳反应形成不溶性碳酸钙，经沉淀或低速离心即可分离得到微纳米碳酸钙，而上清液直接经蒸发得到1,3‑丙二醇，收集发酵尾气得氢气，分离步骤简单易行，生产成本低，具有良好的工业应用前景。

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，具体涉及一种微生物联产1,3-丙二醇、微纳米碳酸钙和氢气的方法。

背景技术

1,3-丙二醇(1,3-PDO)是一种重要的化工和医药中间体原料，可作为溶剂、抗冻剂、保护剂和合成聚酯、聚氨酯的单体。以1,3-丙二醇为单体合成的聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)与传统纤维材料相比有着更优良的特性，如：抗紫外、低静电、表面张力较小、抗污能力强、回弹性好、生物降解和常温染色等优点，在地毯和纺织行业具有巨大的市场潜力，因此1,3-丙二醇的需求在不断上升。

目前工业化生产1,3-丙二醇的方法有化学法和生物法。化学法合成条件苛刻、副产品多，产物难分离。与化学法相比，生物法生产1,3-丙二醇具有原料可再生、副产物少、反应条件温和安全、环境污染小等优点，得到越来越多的研究，但由于其底物利用率低、分离步骤复杂、分离成本高使得生产成本较高而给工业生产带来了挑战。在甘油生物转化为1,3-丙二醇的过程中，除了约50％的甘油转化为主产物1,3-丙二醇外，还有一半的底物转化为菌体和副产物以及尾气中的二氧化碳和氢气。发酵尾气中二氧化碳的比例超过90％，大规模生产时直接排放会对局部环境造成影响。在1,3-丙二醇分离过程中，通常采用膜过滤(微滤和超滤)、减压蒸发浓缩、精馏等单元操作，其中膜过滤存在设备投资大、膜组件定期更新、电耗大、发酵液被稀释、膜清洗产生废水等问题，而浓缩操作会使传统发酵培养基中的氯盐浓度提高，长期操作会对工业生产设备造成腐蚀，势必增加设备的投资。

在微生物发酵生产1,3-丙二醇过程中通常采用氢氧化钠或氢氧化钾中和发酵液中的有机酸，这类可溶性碱可以与部分溶于发酵液中的二氧化碳反应形成可溶性碳酸钠或碳酸钾，使后续浓缩操作过程中盐浓度显著提升，盐析蛋白和多糖，使后续分离过程难以顺利进行，需要增加脱盐或脱蛋白步骤。

纳米碳酸钙是一种重要的无机化工材料，广泛应用于橡胶、塑料、造纸、涂料、油漆、油墨、印刷、食品、医药、化妆品、饲料等行业。氢气是一种清洁环保的燃料，具有无污染、成本低和可再生等优点，作为化石燃料的替代品受到广泛关注。从经济最大化的角度出发，将1,3-丙二醇、微纳米碳酸钙和氢气联产无疑会提高底物原子经济性，并使固液分离和浓缩操作更易廉价实施，从而降低生产成本，对工业化生产1,3-丙二醇具有重要的现实意义。

发明内容

针对微生物发酵生产1,3-丙二醇产生尾气CO₂、生产强度低、分离步骤复杂、分离成本高，从而使生产成本较高、经济效益较低的问题，本发明提供了一种微生物联产1,3-丙二醇、微纳米碳酸钙和氢气的方法。

本发明的技术方案如下：

一种微生物联产1,3-丙二醇、微纳米碳酸钙和氢气的方法，包括：将菌种接种于发酵培养基中，以甘油为底物进行发酵的步骤，其特征在于，在发酵过程中采用氢氧化钙或氨水耦合氢氧化钙作为pH调节剂调节发酵液的pH值至6～7，pH值优选为7。

进一步地，在上述技术方案中，采用的菌种为丁酸梭菌或克雷伯杆菌。优选地，利用纯甘油或粗甘油为底物采用批式流加发酵制备1,3-丙二醇。所述丁酸梭菌或克雷伯杆菌不做具体限定，在本领域中公知的用于发酵生产1,3-丙二醇的丁酸梭菌或克雷伯杆菌均可采用。