一种利用微生物转化生产1,3-丙二醇的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种微生物转化生产1,3-丙二醇方法，包括（1）微氧培养，获得发酵菌种子液；（2）厌氧发酵，电导率大于14mS/cm时，排出10%～20%发酵液至微滤系统，微滤清液进电渗析系统，电导率为2～9mS/cm时回流至发酵罐；（3）微滤结束，以发酵液体积1%～3%培养基对微滤膜反冲洗，并注入发酵罐；（4）发酵液中1,3-丙二醇浓度大于90g/L时，排出发酵罐体积60%～80%发酵液至微滤系统，微滤清液进电渗析系统，电导率降至0.1mS/cm，回收清液；补加原发酵液体积50%～80%培养基，进行下次发酵。本发明专利技术连续发酵体系通过降低体系副产物的抑制作用，延长了发酵稳定期，维持了较高生产强度。

Method and device for producing 1,3- propylene glycol by microbial transformation

The invention relates to a microbial transformation of 1,3- propanediol production methods, including (1) micro aerobic culture, fermented mushroom seed solution; (2) anaerobic fermentation, the conductivity is greater than 14mS/cm, from 10% to 20% to the fermentation supernatant into microfiltration system, microfiltration electrodialysis system, the conductivity is 2 ~ 9mS/cm when returning to the fermentation tank; (3) to the end of fermentation liquid microfiltration, volume 1% ~ 3% medium on microfiltration membrane backwashing, and injected into the fermentation tank; (4) 90g/L more than 1,3- propylene glycol concentration in fermentation liquid, fermentation tank discharge volume of 60% ~ 80% fermentation liquid to microfiltration system, micro filtration liquid into the electrodialysis system, conductivity to 0.1mS/cm, recovery of clear liquid; adding the original fermentation liquid volume from 50% to 80% for the next fermentation medium. The continuous fermentation system of the invention can prolong the fermentation stability period and maintain the higher production intensity by reducing the inhibiting effect of the byproducts of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种利用微生物转化生产1,3-丙二醇的方法及装置
本专利技术属于生物工程
，具体涉及一种利用微生物转化生产1,3-丙二醇的方法及装置。
技术介绍
1,3-丙二醇是一种重要的化工原料和医药中间体，在聚酯纤维生产以及聚氨基甲酸乙酯和环状化合物的制造中具有广泛的应用。近年来，1,3-丙二醇作为重要的有机合成原料和中间体，因其独特性能以及广泛用途成为研究开发的热点。1,3-丙二醇的生产方法主要有三种：丙烯醛水合氢化法、环氧乙烷碳基化法和微生物转化法。微生物转化法虽然起步较早，但是直到二十世纪八十年代才逐渐引起人们的重视。尽管目前的主要方法仍然是化学法，但是与化学法相比，微生物转化法具有条件温和、操作简便、选择性好、节省能源、设备投资少和环境良好等特点，是一种生产成本最低、污染最少的方法，符合当今“绿色化工”和“可持续性发展”的要求。通过微生物生产1,3-丙二醇的生产工艺主要分为两类：以葡萄糖为原料利用基因工程菌转化生产1,3-丙二醇和以甘油为原料利用克雷伯氏杆菌（Klebsiebllapneumoniae）、弗氏柠檬酸杆菌（Citrobacterfreundii）、成团肠杆菌（Enterobacteragglomerans）、丁酸梭状芽孢杆菌（Clostridiumbutyricum）和巴氏梭状芽孢杆菌（Clostridiumpasteuianu）等细菌转化生产1,3-丙二醇。由于微生物转化的生产模式是利用微生物自身代谢过程进行有用产品的生产，因此在实际过程中发酵副产物种类较多，尤其是存在于主代谢干路上的产物如乳酸、乙酸、琥珀酸等。过多酸性副产物的累积，使发酵体系的渗透压不断增加，从而对发酵菌体造成不利影响，具体表现为发酵强度降低、1,3-丙二醇产物浓度不高等。CN1696297A公开了一种利用生产生物柴油副产物甘油生产1,3-丙二醇的方法，该方法将生物柴油生产过程中分离出的副产物粗甘油作为发酵法生产1,3-丙二醇的底物，以克雷伯氏杆菌或丁酸梭菌、巴斯德梭菌通过厌氧或有氧发酵进行1,3-丙二醇发酵生产。但是该方法中1,3-丙二醇的产率及生产强度并不高并且副产物多。CN1434122A公开了一种采用两段双底物集成发酵生产1,3-丙二醇的方法，该方法中二级种子培养是以葡萄糖和甘油为混合双底物，将好氧条件下的二级种子培养和厌氧条件下的甘油厌氧转化集成在同一个发酵罐中进行。虽然这种方法能够减少工艺步骤，提高设备的利用率，缩短了工艺周期，但是由于该过程中存在菌体生长和甘油转化两个阶段，易产生大量的副产物，影响最终1,3-丙二醇的产率。CN1434122A公开了一种利用外源添加反丁烯二酸促进微生物合成1,3-丙二醇的方法，该方法在发酵培养基中添加反丁烯二酸作为一种外源电子受体，从而加速菌体对甘油的利用。通过其实施例可以看出，这种方法虽然可以提高菌体对甘油的利用率，提高1,3-丙二醇浓度和生产强度，但是副产物也明显增多。CN1955304A公开了一种微生物利用甘油厌氧发酵生产1,3－丙二醇的方法，该方法通过在发酵培养基中或在菌体生长的指数期添加适量的多元酸，该多元酸可以强化代谢过程中生成丙酮酸后的代谢过程，但是该方法并不能有效降低副产物的生成，因为加入的多元酸并不能对丙酮酸的生成进行调控，而丙酮酸是生成多种副产物的来源，代谢中的丙酮酸会完全分解。CN1446919A公开了一种通过外源添加还原剂促进菌体合成1,3-丙二醇的方法，该方法利用1,3-丙二醇生物合成过程中需要消耗一定量还原当量的特征，在发酵培养基或在厌氧发酵过程中添加适量的还原剂，增强菌体中还原当量的积累，促进底物甘油沿还原途径代谢，提高1,3-丙二醇的合成浓度和转化率。虽然在培养基中添加还原剂，理论上有助于甘油向1,3-丙二醇转化，但是在整个代谢途径中，大量还原当量的介入会促进很多副反应，如丙酮酸向乳酸的转化、磷酸烯醇式丙酮酸向琥珀酸的转化、乙酰CoA向乙醇的转化等，因此还原剂的加入会导致大量副产物的生成。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种利用微生物转化生产1,3-丙二醇的方法及装置。本专利技术的连续发酵体系通过降低发酵体系中副产物的抑制作用，延长了发酵稳定期，从而维持了较高的1,3-丙二醇生产强度。本专利技术利用微生物转化生产1,3-丙二醇的方法，包括以下内容：（1）采用微氧培养，按照梯度扩大培养方式，获得发酵菌种子液，并接种至发酵罐中进行发酵；（2）采用厌氧发酵，在线监测发酵罐中甘油的消耗和电导率的变化，维持发酵体系中甘油浓度在15～25g/L；当电导率大于14mS/cm时，从发酵罐排出10%～20%的发酵液至压力驱动式微滤系统中，控制表压为0.7～3.0kPa；微滤清液进入电渗析系统中进行脱盐处理，当电渗析清液的电导率为2～9mS/cm时回流至发酵罐中，电渗析浓液收集排放；（3）微滤操作结束时，以发酵液体积1%～3%的发酵培养基对微滤膜进行反冲洗，并直接注入发酵罐中；（4）当发酵液中1,3-丙二醇浓度大于90g/L时，从发酵罐排出60%～80%的发酵液至压力驱动式微滤系统中，微滤清液进入电渗析系统中进行脱盐处理；当电导率降至0.1mS/cm时，将电渗析清液作为预处理产品回收，电渗析浓液收集排放；在发酵罐中补加原发酵液体积50%～80%的发酵培养基，进行下一周期的发酵过程，从而实现连续发酵。本专利技术方法中，步骤（1）所述生产1,3-丙二醇的发酵菌为克雷伯氏杆菌（Klebsiebllapneumoniae）、弗氏柠檬酸杆菌（Citrobacterfreundii）等厌氧或兼性厌氧菌。所述的微氧培养模式，是在培养过程中保持微氧条件，氮气通气量为0～0.1vvm，并以搅拌或震荡的方式增强传质效果，搅拌速度为50～300rpm。本专利技术方法中，发酵菌种的培养采用梯度扩大培养方式，优选采用两级扩大培养，具体过程是将保藏的发酵菌液按照0.2%～1.0%的体积比，接入种子培养基进行菌种活化，培养18～24h后按照5%～12%的体积比，接入种子培养基进行菌种扩大培养，培养温度为30～40℃，pH为6～8，最终获得细胞干重达到2.0-4.0g/L的发酵菌种子液。种子培养基组成为：甘油20～40g/L，NH4Cl4～6g/L，KCl0.4～0.6g/L，NaH2PO4·H2O0.8～1.1g/L，Na2SO40.1～0.3g/L，MgCl2·6H2O0.1～0.2g/L，柠檬酸0.2～0.4g/L，酵母膏0.5～1g/L，Vc0.05～0.15g/L。本专利技术方法中，步骤（2）所述的厌氧发酵是在发酵过程中保持厌氧条件，氮气通入量为0.1～0.3vvm，搅拌速度为200～500rpm。发酵初期发酵菌种子液的添加体积为发酵培养基体积的5%～15%，发酵过程中，温度为30～40℃，pH为6～8。发酵阶段以流加的方式进行甘油的补充，使发酵体系中甘油浓度维持在15～25g/L水平。本专利技术方法中，步骤（2）发酵阶段对体系内的电导率进行调节控制，具体过程为：当电导率大于14mS/cm时，从发酵罐排出10%～20%的发酵液至压力驱动式微滤系统中，控制表压为0.7～3.0kPa；当微滤膜压力大于1.0kPa时，以无菌氮气进行反向吹扫，直至反应结束。本专利技术方法中，步骤（3）微滤单元操本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用微生物转化生产1,3‑丙二醇的方法，其特征在于包括以下内容：（1）采用微氧培养，按照梯度扩大培养方式，获得发酵菌种子液，并接种至发酵罐中进行发酵；（2）采用厌氧发酵，在线监测发酵罐中甘油的消耗和电导率的变化，维持发酵体系中甘油浓度在15～25g/L；当电导率大于14mS/cm时，从发酵罐排出10%～20%的发酵液至压力驱动式微滤系统中，控制表压为0.7～3.0kPa；微滤清液进入电渗析系统中进行脱盐，当电渗析清液的电导率为 2～9mS/cm时回流至发酵罐中，电渗析浓液收集排放；（3）微滤操作结束时，以发酵液体积1%～3%的发酵培养基对微滤膜进行反冲洗，并直接注入发酵罐中；（4）当发酵液中1,3‑丙二醇浓度大于90g/L时，从发酵罐排出60%～80%的发酵液至压力驱动式微滤系统中，微滤清液进入电渗析系统中进行脱盐处理；当电导率降至 0.1mS/cm时，将电渗析清液作为预处理产品回收，电渗析浓液收集排放；在发酵罐中补加原发酵液体积50%～80%的发酵培养基，进行下一周期的发酵过程，从而实现连续发酵。

【技术特征摘要】
1.一种利用微生物转化生产1,3-丙二醇的方法，其特征在于包括以下内容：（1）采用微氧培养，按照梯度扩大培养方式，获得发酵菌种子液，并接种至发酵罐中进行发酵；（2）采用厌氧发酵，在线监测发酵罐中甘油的消耗和电导率的变化，维持发酵体系中甘油浓度在15～25g/L；当电导率大于14mS/cm时，从发酵罐排出10%～20%的发酵液至压力驱动式微滤系统中，控制表压为0.7～3.0kPa；微滤清液进入电渗析系统中进行脱盐，当电渗析清液的电导率为2～9mS/cm时回流至发酵罐中，电渗析浓液收集排放；（3）微滤操作结束时，以发酵液体积1%～3%的发酵培养基对微滤膜进行反冲洗，并直接注入发酵罐中；（4）当发酵液中1,3-丙二醇浓度大于90g/L时，从发酵罐排出60%～80%的发酵液至压力驱动式微滤系统中，微滤清液进入电渗析系统中进行脱盐处理；当电导率降至0.1mS/cm时，将电渗析清液作为预处理产品回收，电渗析浓液收集排放；在发酵罐中补加原发酵液体积50%～80%的发酵培养基，进行下一周期的发酵过程，从而实现连续发酵。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述生产1,3-丙二醇的发酵菌为克雷伯氏杆菌（Klebsiebllapneumoniae）或弗氏柠檬酸杆菌（Citrobacterfreundii）。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的微氧培养，是在培养过程中保持微氧条件，氮气通气量为0～0.1vvm，搅拌速度为50～300rpm。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述发酵菌种的梯度扩大培养方式采用两级扩大培养，具体过程是将保藏的发酵菌液按照0.2%～1.0%的体积比接入种子培养基进行菌种活化，培养18～24h后按照5%～12%的体积比接入种子培养基进行菌种扩大培养，培养温度为30～40℃，pH为6～8，最终获得细胞干重达到2.0-4.0g/L的发酵菌种子液。5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述种子培养基组成为：甘油20～40g/L，NH4Cl4～6g/L，KCl0.4～0.6g/L，NaH2PO4·H2O0.8～...

【专利技术属性】
技术研发人员：张霖，樊亚超，廖莎，李晓姝，师文静，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11