Batch, design optimization, and DNA sequencing study for continuous 1,3-propanediol production from waste glycerol by a soil-based inoculum
- 作者
- Baishali Kanjilal, Iman Noshadi, Eddy J. Bautista, Ranjan Srivastava, Richard S. Parnas
- 单位
- Institute of Materials Science, University of Connecticut; Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Connecticut
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1007/s00253-014-6259-5
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
利用生物柴油副产物废甘油作为底物，通过混合细菌接种物高效连续生产1,3-丙二醇，并克服混合菌群的不确定性和工业甘油中杂质（如磷酸盐、甲醇）的抑制效应。
研究策略
采用迭代接种法驯化土壤来源的混合菌群，优化培养基组成和pH控制，利用响应面法（RSM）设计实验优化批次发酵条件，并在最优条件下进行连续搅拌釜反应器（CSTR）发酵，结合16S rDNA测序分析菌群动态。
核心内容
本研究以生物柴油副产物废甘油为底物，利用土壤来源的混合细菌接种物连续生产1,3-丙二醇。研究首先通过迭代接种法驯化土壤菌群以获得稳定且独立于土壤的混合培养体系，随后结合响应面法优化批次发酵条件，并在最优条件下于连续搅拌釜反应器中长期运行。结果表明，在pH 6.5时工业甘油批次发酵的1,3-丙二醇摩尔产率最高达0.71 mol/mol；连续发酵在稀释率0.11 h⁻¹时产率达到1.1 g/L/h，摩尔产率0.6 mol/mol，且连续运行超过500小时。16S rDNA测序显示pH控制后Clostridia属占比达80–95%，初始接种物含约160种细菌。该研究首次证实混合菌群连续发酵工业废甘油可达到与纯菌纯甘油体系相当的产率与生产力，且对甘油中杂质耐受性强，为废甘油高值化利用提供了可行的工业化路径。
创新点
['开发迭代接种法消除土壤颗粒，获得稳定且独立于土壤的混合菌群', '首次系统研究混合菌群连续发酵工业废甘油产1,3-丙二醇，并达到与纯菌相当的水平', '结合16S rDNA测序、统计实验设计和CSTR长期运行，综合优化混合培养体系']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 土壤混合细菌接种物（含Clostridium、Enterobacter等） | 甘油厌氧发酵生产1,3-丙二醇 | — | — | 催化 | 经迭代接种驯化获得，初始含160种细菌，具有高杂质耐受性 |
| Clostridium属（优势菌群） | 甘油还原途径 | — | 甘油脱水酶 | 催化 | 将甘油转化为3-羟基丙醛（3HPA） |
| Clostridium属（优势菌群） | 甘油还原途径 | — | NAD+依赖的氧化还原酶 | 催化 | 将3-羟基丙醛还原为1,3-丙二醇 |
| 混合菌群 | 甘油氧化途径 | — | 甘油脱氢酶 | 催化 | 氧化甘油生成二羟丙酮（DHA），进入糖酵解产生乙酸和丁酸 |
关键发现
- 批次发酵中，工业甘油在pH
- 5下1,3-丙二醇摩尔产率最高达0.71 mol/mol（较纯甘油更高）；CSTR在稀释率0.11 h^-1时，1,3-丙二醇产率可达1.1 g/L/h，比产率1.5 g/g/h，摩尔产率0.6 mol/mol；稀释率0.04、0.11、0.19 h^-1下摩尔产率依次为0.65、0.60、0.50 mol/mol；16S rDNA测序显示初始接种物含160种细菌，pH控制后Clostridia属占80-95%；DOE优化条件为甘油34.9 g/L、pH
- 2、酵母提取物3.4 g/L；连续运行超过500 h，溶剂与酸比例随稀释率增加而升高。
研究结论
通过迭代驯化的混合菌群、适当的营养组成、pH控制和统计优化，能够以废甘油为底物稳定连续生产1,3-丙二醇，产率和生产力可与纯菌纯甘油体系媲美，且混合菌群对杂质耐受性强，具有工业应用潜力。