甘油发酵生产1_3_丙二醇的菌种筛选及培养基优化研究

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微 量 元 素 溶 液 : ZnCl2 70mg / L, MnCl2·4H2O 100mg/L, H3BO360mg/L, CoCl·2 6H2O 200mg/L, NiCl·2 H2O 40mg / L, Na2MoO4·2H2O 35mg / L, CuCl2·H2O 20mg / L, CuSO4·5H2O 30mg / L, 浓盐酸 (37%) 0.9mL / L。
用比色法 721 型分光光度计检测 (OD650nm)。 1.5 菌种鉴定
从 12 株菌中选取处理效果显著突出的 sx7 进 行 显 微镜镜检菌体形态, 再将其接种到石蕊牛奶培养基、 MR 培养基、 VP 培养基、 TSI 培养基、 柠檬酸盐培养基 中利用其生理生化性质进行鉴定, 并进行 16S RDNA 测 序鉴定。 1.6 1,3-PDO 的测定方法
株效果较好的发酵甘油生产 1,3-PDO 细菌, 并通过培 养基优化试验, 使其处理效率得到大幅度提升。
1 材Leabharlann Baidu和方法
1.1 培养基 加 富 培 养 : KH2PO4 1.30g / L, K2HPO4·3H2O 3.40g /
L, (NH4)2SO4 3.00g / L, CaC12·2H2O 0.02g / L, CaCO3 2.00g / L, 微 量 元 素 溶 液 1.00 ml / L、 FeSO4 5.00mg / L, 酵母浸粉 0.60g / L, 甘油 20.00g / L, 120℃灭菌 30min。
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1.2 菌种的诱集 用棉花和纱布将甘油 (来源于用光皮树籽粒生产
生物柴油的副产物) 包埋于湖南省林业科学院林场的 光皮树林土壤中, 3 周后取土分离。 1.3 菌株的分离筛选
取 1g 土 样 于 装 有 50mL 无 菌 水 和 玻 璃 珠 的 250mL 三角烧瓶 中, 震 荡 20min 后 静 置 片 刻 。 取 1mL 上 层 溶 液至 100mL 加富培养 基中 28℃ 培 养 48h。 培 养 液 用 无 菌水稀释成 10-1 ~10-8 一系列浓 度, 再在平板培养基上 涂布接种, 置于培养箱中 28℃ 培养 72h 直至菌落长成, 分离出的菌种移置斜面培养, 保存。 同时分别将分离 得到的菌株接种至摇瓶培养基中进行好养、 先好养后 厌氧和厌氧 3 种方式的培养, 72h 后检测 1,3-PDO 的 含量, 筛选出 1,3-PDO 转化率最高的一株, 重点保存, 作为目的菌株, 进行后续试验。 1.4 菌体生长的生物量
sx7 发 酵 生 产 1,3-PDO 的 产 量 逐 渐 上 升 , 在 发 酵 60h 后产量达到最大值并趋于稳定, 稳定一段时间后, 1,3-PDO 产 量 会 有 所 下 降 。 此 试 验 确 定 菌 株 sx7 发 酵 生产 1,3-PDO 60h 为最佳。 2.3.2 接种量对菌株 sx7 发酵生产 1,3-PDO 的影响
分别吸取一定比例的种子液于液体发酵培养基中, 28℃ 摇瓶培养 60h, 结果如图 5 所示。
由图 5 可知: 不同接种量条件下, 菌体对甘油的
高 , 为 18.66g / L。 但 培 养 基 中 微 量 元 素 混 合 液 加 入 过 多, 重金属对微生物的毒害作用开始体现出来, 并逐 渐加剧, 致 使 甘 油 消 耗 大 幅 度 降 低 , 1,3-PDO 的 产 量 也随之显著降低。 选取 4mL / L 微量元素混合液进 行 下 一步试验。
以发酵培养基为基础培养基分别改变微量元素及镁 离子、 铁离子的浓度, 结果如图 6、 图 7 和图 8 所示。
由图 6 可知: 适量微量元素混合液的 加 入 对 1,3- PDO 产 量有显著影 响 , 当 培 养 基 中 微 量 元 素 的 含 量 为 4mL 时 , 发 酵 液 甘 油 剩 余 量 最 大 , 1,3-PDO 的 产 量 最
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甘油发酵生产 1,3-丙二醇的菌种筛选及培养基优化研究
张志强 1,2 周延延 1,2 刘云国 2 李昌珠 1 肖志红 3 刘汝宽 3 (1. 湖南省林业科学院 2. 湖南大学环境科学与工程学院 3.长沙创林科技有限公司)
【摘要】 通过甘油诱集、 平板筛选从土壤中分离筛选出一株歧化甘油产 1,3-PDO 细菌 sx7, 并对菌株 sx7 培养基优化, 确定最佳发酵培养基是: 甘油 40.00g / L, KH2PO4 0.50 g / L, K2HPO4· 3H2O 1.00 g / L, (NH4)2SO4 3.00 g / L, CaCL2·2H2O 0.02 g / L, CaCO3 2.00g / L, 酵母粉 3.00g / L, 微 最 元 素 溶 液 4ml / L, Fe2SO4 5.00mg / L, MgSO4·7H2O 0.05g / L。 该 菌 株 1,3 -PDO 产 量 为 25.03g / L。
现已发现, 自然界中能够以甘油为底物转化为 1,3-PDO 的菌种主要有肠道细菌的克雷伯氏肺炎杆菌、 产气克雷氏菌、 弗氏柠檬酸菌, 乳酸菌属的短乳杆菌 和布氏乳杆菌, 梭菌属的丁酸梭状芽孢杆菌和巴氏梭 状芽孢杆菌, 其中克雷伯氏肺炎杆菌、 弗化柠檬酸菌 和丁酸梭状芽孢杆菌是研究最深入的。
光皮树制取生物柴油的过程中产生大量甘油, 为 了更好的利用甘油, 将其转化为高价格的产品 (如 1, 3-PDO), 本文从光皮树林土壤中诱集分离 筛选得到一
消耗有明显差异, 接种量过小, 菌种对甘油的消耗低, 歧化生产 1,3-PDO 产量也不高; 接种量过大, 菌 体维 持自身生长所消耗的甘油量巨大, 但歧化生产所得的 1,3-PDO 的产量 也 不 甚 高 。 因 此 必 须 控 制 适 当 的 接 种 量, 即当接种量为 6%时, 菌株 sx7 发酵生产 1,3-PDO 的产量达到最大, 产量为 17.18g / L。 2.3.3 微量元素及金属离子 对 菌 株 sx7 发 酵 生 产 1,3- PDO 产量及发酵液甘油含量的影响
摇 瓶 培 养 基 : 甘 油 40.00 g / L, KH2PO4 0.50 g / L, K2HPO4·3H2O 1.00g / L,(NH4)2SO4 3.00g / L, CaC12·2H2O 0.02 g / L, CaC03 2.00 g / L, 酵 母 粉 1 .00g / L, 微 最 元 素 溶 液 1.00 ml / L、 Fe2SO4 5.00mg / L, MgSO4·7H2O 0.20g / L, 调 pH 值至 7.0, 113℃ 灭菌 30min。
斜 面 培 养 与 平 皿 培 养 培 养 基 : 琼 脂 2O.00g / L, KH2PO4 1.30g / L, K2HPO4·3H2O 3.40 g / L, (NH4)2SO4 3.00g / L, CaC12·2H2O 0.02g / L, CaCO3 2.00g / L, 微 量 元 素 溶 液 1.00 ml / L、 FeSO4 5.00m g / L, MgSO4·7H2O 0.20g / L, 酵母粉 1.00g / L, 甘油 20.00g / L。
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因 1,3 一 丙 二 醇 的 浓 度 与 其 峰 面 积 呈 良 好 的 线 性 关 系 , 回 归 方 程 为 y = 0.0664x +21.778, 相 关 系 数 为 0.998 7。 采用浓度为 200 mg / L 的 1,3 一丙二醇标准溶 液进行精密度的测定。 在最佳的色谱条件下, 平行进 样 9 次 , 计 算 得 出 相 对 标 准 偏 差 为 1.36% , 经 回 收 率 试验得出本方法的平均回收率为 92%。 2.2 菌种的分离和筛选
【关键词】 1,3-丙二醇; 甘油; 肠道细菌; 培养基优化 中图分类号: TS 221 文献标识码: A 文章编号: 1673-7199(2009)08-0079-04
1,3-丙二醇 (1,3-PDO) 是一种重要的化工原料, 可以作为单体来生产聚酯、 聚醚、 聚酰胺等聚合物, 市场空间巨大。 尤其是以 1,3-PDO 为单体合成的聚酯 材料 PTT, 因具有良好的弹性、 耐污染性、 良好的着色 性和良好的生物降解性等受到越来越多的关注, 也为 1,3-PDO 的 大 规 模 生 产 展 示 了 美 好 的 前 景 , 从 而 使 1,3-PDO 的研究 与 开 发 越 来 越 受 到 人 们 的 重 视 。 在 能 源日益紧缺的今天, 研究以可再生资源为原料生产生 物柴油, 对环境污染小, 副产物甘油用于微生物转化 法生产 1,3-PDO 具有积极的 现实意义。 随着发展中国 家植物油产量的大幅度提高和在化工中的大量使用, 甘油在世界市场上将逐步过剩并且价格下降, 使开发 利用生物技术将甘油作为底物转化为高价格的产品 (如 1,3-PDO) 成为瞩目的焦点。
从 平 皿 中 分 离 得 到 12 株 菌 落 生 态 特 征 不 同 的 菌 株, 分别对其发酵液进行气相色谱分析, 发现其中一 株的 GC 图谱的峰与 1,3 一丙二醇标样具有相同的保留 时 间 , 和 标 准 图 谱 比 较 , 确 定 该 化 合 物 为 1,3 一 丙 二 醇 。 因 为 1,3 一 丙 二 醇 是 伴 随 者 作 为 唯 一 碳 源 的 甘 油 的消耗而产生的, 可以确认筛选得到的菌株具有转化 甘油生成 1,3 一丙二醇的活性, 并将该菌株编号为 sx7。 2.3 菌株 sx7 培养条件初步优化
由 图 7 可 知 : 起 始 镁 离 子 浓 度 控 制 在 25~50mg / L 之间时, 该菌株发酵生产 1,3-PDO 的产量达到最大值, 为 19.32g / L。 确 定 该 菌 在 初 始 培 养 基 中 镁 离 子 浓 度 应 该控制在此范围。
由图 8 可知: 适当微量的铁离子加入培养基会对 1,3-PDO 的产量 造 成 大 幅 度 的 提 升 , 但 是 随 着 铁 离 子 浓度的上 升 , 甘 油 歧 化 受 到 影 响 , 1,3-PDO 的 产 量 反 而会降低。 铁离子浓度控制在 5~7mg 之间 1,3-PDO 产 量比较 稳 定 , 1,3-PDO 产 量 在 此 区 段 内 达 到 最 大 , 为 20.74g / L。 2.3.4 培养液起始 pH 值对菌株 sx7 发酵生产 1,3-PDO 产量及发酵液甘油含量的影响
取发酵液 1mL 于 1.5mL 离心管中于 2 000r / min 离 心 15min, 气 相 色 谱 检 测 上 清 液 中 1,3-PDO 的 质 量 分 数。 色谱参数: 气相色谱法, 气相色谱仪采用岛津 GC-2014, 30m 石英柱, 检测器温度 280℃, 进 样 口 温 度 260℃, 柱 温 140℃, 载 气 (N2) 15mL / min。 采 用 内 标法定量。 1.7 甘油测定方法
2.3.1 不同发酵时间内菌株 sx7 发酵 生 产 1,3-PDO 的 产量情况
研究了培养时间对菌株产量的影响, 试验结果如 图 4 所示。
由 图 4 可 知 : 随 培 养 时 间 的 增 加 (0~60h), 菌 株
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高碘酸氧化法滴定法测定甘油浓度。
2 结果与讨论
2.1 标准曲线的绘制 将 GC 纯 的 1,3 -PDO 标 准 配 制 成 200mg / L、
400mg / L、 600mg / L、 800mg / L、 1 000mg / L、 1 200mg / L 的乙醇溶液, 测定标准曲线, 在上述色谱条件下测定 出 1,3-PDO 的保留时间为 3.88 左右。 将发酵液用气相 色谱仪检测, 所得峰面积采用内标法带入图 1 公式得 出 1,3-PDO 质量分数。
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