[发明专利]一种丁酸梭菌及其在固定化发酵生产1，3-丙二醇的应用

说明书

本发明公开了一种丁酸梭菌及其在固定化发酵生产1,3‑丙二醇中的应用，该菌为丁酸梭菌(Clostridium butyricum)SCUT343‑4，于2019年10月12日保藏于广东省微生物菌种保藏中心，保藏编号为GDMCC NO：60805。该菌能直接将纯甘油或者粗甘油转化为1,3‑丙二醇，有较高的底物转化率和底物耐受性，副产物种类和含量少，有利于后续产品分离纯化；该菌对底物粗甘油的耐受性最为突出，以粗甘油发酵时转化率和生产效率并未降低，有利于粗甘油的加工与利用并显著降低1，3‑丙二醇的生产成本。该菌在固定化发酵生产1,3‑丙二醇中应用，能够显著提高其生产效率，达到4.20g/L·h。

技术领域

本发明属于生物工程发酵技术领域，具体涉及一种高产1，3-丙二醇的丁酸梭菌及固定化发酵方法。

背景技术

1,3-丙二醇(1,3-propanediol)，分子式为C₃H₈O₂，作为重要的化工原料被在广泛应用于制药、食品、化妆品及纺织等多个行业。目前工业化生产多采用化学合成法，成熟路线分别为(1)杜邦公司：丙烯醛路线，即丙烯醛通过水合作用转化为3-羟基丙醛(3-HPA)，然后加氢生成1,3-丙二醇；(2)皇家壳牌石油公司：环氧乙烷路线，即环氧乙烷氢甲酰化法制备3-羟基丙醛，然后加氢生成1,3-丙二醇。但是以上两种化学路径不仅技术难度大，设备投资高，更重要的是污染和能耗大，不符合绿色可持续发展需求。微生物发酵法产1,3- 丙二醇由于其操作过程简便、反应条件温和、环境污染小等特点受到越来越多的关注。[Sun YQet al.Advances in bioconversion of glycerol to 1,3-propanediol:prospects andchallenges. Process Biochemistry,2018,71:134-146]。

目前成熟的生物转化方法有两种：(1)一步法：其一为杜邦和杰能科共同开发的重组大肠杆菌葡萄糖转化法，该方法是将来自三种不同微生物的酶基因组合到大肠杆菌中获得基因工程菌株，在美国伊利诺依州TateLyle公司建有中试工厂，规模为45.4t/a，但该基因工程菌发酵依赖维生素B12，导致成本太高，同时也存在专利垄断问题[Emptage MandHaynie S.Process for the biological production of 1,3-propanediol with hightiter.

2006.CA2733616]；其二是通过对一些天然微生物的诱变、驯化和适当的基因工程改造，一步法从甘油直接转化为1,3-丙二醇，菌株包括巴氏芽孢梭菌(Clostridiumpasteurianum)、克雷伯氏肺炎菌(Klebsiella pneumoniae)、弗氏柠檬酸杆菌(Citrobacter freundii)和罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)等[Saxena RK etal.Microbial production of 1,3-propanediol: Recent developments and emergingopportunities.Biotechnol Adv.2009,27(6):895-913]。(2)两步法：即先利用一种菌将葡萄糖转化为甘油，然后用另一种菌将甘油进一步转化为PDO，如清华大学刘德华教授等提出了先用耐高渗酵母转化葡萄糖为甘油然后用克雷伯氏肺炎杆菌转化甘油(以葡萄糖作为辅助底物)为PDO的二步偶联连发酵工艺。[韩克星.1,3-丙二醇生产工艺的对比及选择.工艺设备,2019,45(8):64-66]。但无论一步法或两步法，发酵产1,3- 丙二醇均存在转化率和生产效率低，副产物种类多和含量高等缺点。

丁酸梭菌(Clostridium butyricum)是一种专性厌氧的革兰氏阳性菌，其特点是转化率高，副产物简单，无致病性且不产2,3-丁二醇，适合作为发酵法产1,3-丙二醇的生物底盘细胞。但该菌最大局限在于严格厌氧条件下细胞生长缓慢从而导致其生产强度低，并且细胞对底物甘油耐受性偏低，特别是廉价底物粗甘油对发酵的抑制作用明显。

发明内容