微生物發酵法生產1,3-丙二醇的研究新進展

修志龍， 姜莉莉，2， 傅宏鑫， 周瑾潔， 權春善

(1.大連理工大學 生命科學與技術學院，遼寧 大連 116024；2.營口理工學院 化學與材料工程系，遼寧 營口 115014；3.大連民族大學生命科學學院 生物技術與生物資源利用重點實驗室，遼寧 大連 116600)

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微生物發酵法生產1,3-丙二醇的研究新進展

修志龍1， 姜莉莉1，2， 傅宏鑫1， 周瑾潔1， 權春善3

(1.大連理工大學 生命科學與技術學院，遼寧 大連 116024；2.營口理工學院 化學與材料工程系，遼寧 營口 115014；3.大連民族大學生命科學學院 生物技術與生物資源利用重點實驗室，遼寧 大連 116600)

1,3-丙二醇(1,3-PD)是一種重要的化工原料，廣泛應用于醫藥、化工、食品及化妝品等行業,同時1,3-PD 是合成聚對苯二甲酸丙二酯(PTT)的重要單體，市場需求量逐年增多。基于生態友好型、生產安全和可持續發展的要求，利用微生物轉化可再生資源來生產1,3-PD受到了人們的廣泛重視。綜述了微生物發酵法生產1,3-PD的菌株、代謝途徑、發酵和下游分離工藝及其新進展，并對工業生產中利用生物技術生產1,3-PD的未來前景和挑戰進行了探討。

1,3-丙二醇；微生物發酵；代謝途徑；下游分離工藝

1,3-丙二醇(1,3-PD)是一種無色、無味的黏稠液體，可溶于水、醇、醚等多種有機溶劑，是一種重要的化工原料。可用于溶劑、抗凍劑、增塑劑、乳化劑、防腐劑、洗滌劑和潤滑劑等領域，在食品、醫藥、化妝品和有機合成中也有著重要應用[1]。此外，1,3-PD還可以作為單體合成聚酯、聚醚、聚氨酯和雜環化合物如吲哚和喹啉。以1,3-PD為單體合成的新型聚酯材料—PTT(聚對苯二甲酸丙二酯)，具有優異的回彈性、易染性、抗污性，并且具有可生物降解特性[2]。近年來，我國科技部已將PTT列入“十三五”科技規劃中，隨著PTT等新型生物可降解塑料的市場需求量不斷擴大，1,3-PD作為PTT生產的重要原料市場需求量將逐年增多。傳統的商品化1,3-PD由化學法合成，如杜邦公司(DuPont)的丙烯醛法和殼牌公司(Shell)的環氧乙烷法。杜邦公司的路線是先通過水合作用將丙烯醛轉換成3-羥基丙醛(3-HPA)，再通過加氫作用生成1,3-PD[3]。殼牌公司先將環氧乙烷通過甲酰基化作用加氫形成3-HPA，再通過加氫作用生成1,3-PD[4]。化學合成法生產1,3-PD的缺點是在甲酰基化過程和加氫過程中需要高壓、高溫的條件并使用昂貴的催化劑，而且反應過程中產生有毒的中間化合物3-HPA。目前微生物發酵法生產1,3-PD主要有兩種途徑：一是由杜邦公司(DuPont)和杰能科公司(Genencor)聯合研發的利用重組大腸埃希菌將葡萄糖轉化為1,3-PD[5];二是通過自然界微生物轉化甘油來成產1,3-PD[6]。早在1881年，August Freund就發現了在含有Clostridiumpasteurianum的甘油混合發酵過程中有1，3-PD的產生[7]，但是人們對其關注一直較少。直到近年來，石油資源日益枯竭，環境污染嚴重，與此同時生物柴油產業迅速發展，其副產物甘油不斷過剩，使得微生物發酵甘油生產1,3-PD又重新受到了人們的重視[8]。盡管微生物發酵法生產1,3-PD需要面對化學合成法的激烈競爭，但由于其潛在的巨大經濟效益，具有生產成本低、綠色環保、可持續發展等特點，使該方法引起了國內外相關企業和研究單位的高度重視，并不斷涌現出新的方法和技術。

1 微生物發酵法生產1,3-PD

1.1 菌種

1.1.1 天然菌株 自然界中具有轉化甘油生成1,3-PD能力的微生物，主要包括克雷伯氏菌屬(Klebsiella)[9-10]、梭菌屬(Clostridia)[11-14]、腸桿菌屬(Enterobacter)[7]、檸檬酸菌屬(Citrobacter)[15-16]和乳酸桿菌屬(Lactobacilli)[17](表1)，其中肺炎克雷伯氏桿菌(Klebsiellapneumoniae)和丁酸梭菌(Clostridiabutyricum)由于具有較好的底物耐受性、高的轉化率和生產強度等特點，而受到更多的關注和研究。C.butyricum是一種典型的嚴格厭氧菌，生長較慢，但副產物較少；而K.pneumoniae在有氧、微氧或厭氧的條件下都能以甘油為底物較快速地生長，但副產物較多。

表1 利用不同微生物菌株發酵生產1,3-PD

注：FB：批次流加發酵；B：間歇發酵

1.1.2 基因工程菌株 杜邦公司(DuPont)和杰能科公司(Genencor)研發重組大腸埃希菌可以將葡萄糖轉化為1,3-PD，在基因工程菌構建領域做出了里程碑性的工作，并已實現商業化生產[5]。出于保護商業價值的需要，杜邦公司已通過專利申請將相關的技術和工藝進行了嚴密的保護，菌株構建的細節也較少報道，使得該技術形成了高度壟斷，導致其他研究單位不得不放棄相關的科學研究。Liang等[17]報道在Escherichiacoli中構建了一個從葡萄糖生產1,3-PD的脅迫誘導途徑，獲得的1,3-PD質量濃度較低(12.1 g/L)。更多的基因工程菌開發則用于改變菌株代謝途徑，降低副產物的形成[18-20]，如Xu等[18]從高產乳酸的菌株中篩選出一株D-乳酸缺陷的突變菌株KlebsiellapneumoniaeHR526，通過敲除該突變菌株中編碼D-乳酸脫氫酶的ldhA基因，可以產生質量濃度高達102 g/L的1,3-PD，轉化率為0.52 mol/mol，生產強度可以達到2.13 g/L/h，但是在降低乳酸的同時其余副產物如2,3-丁二醇、琥珀酸、乙醇的產量均有所增加。還有一些研究試圖增加工程菌株對高濃度的1,3-PD或者中間產物(3-HPA)的耐受性，如Otte等[21]利用基因組重排法來篩選高產1,3-PD和耐受有機酸的Clostridiumdiolis菌株。

1.2 代謝途徑

在厭氧條件下，甘油擴散進入細胞后除了為自身生長提供能量和原料外，還沿著氧化途徑和還原途徑進行代謝[1]。氧化途徑為菌體生長提供必要的能量，同時也為還原途徑提供還原力，而還原途徑消耗還原力，保證了整個代謝過程NAD+/NADH2的平衡。

在氧化支路上，甘油在甘油脫氫酶(glycerol dehydrogenase, GDH)的作用下氧化生成二羥丙酮(dihydroxyacetone, DHA)，同時將NAD+還原成NADH，然后在二羥丙酮激酶(dihydroxyacetone kinase, DhaK)的作用下消耗ATP，磷酸化生成磷酸二羥丙酮(dihydroxyacetonephosphate, DHAP)，進入糖酵解途徑產生各種副產物。不同菌株在氧化途徑中生成的副產物不一樣，如：丁酸和正丁醇只在梭菌屬中才產生，而2,3-丁二醇僅由腸桿菌屬產生，所有產生菌中最常見的副產物是乙酸和乙醇。常用的C.butyricum副產丁酸和乙酸，而K.pneumoniae則副產2,3-丁二醇、乙酸、乙醇以及乙偶姻(3-羥基-2-丁酮)、乳酸、琥珀酸等。副產物的合成消耗大量的底物并降低了轉化率，同時也給1,3-PD的分離提取帶來沉重的負擔[22]。

在還原支路中，甘油在甘油脫水酶(glycerol dehydratase, GDHt)作用下脫水生成3-羥基丙醛(3-hydroxypropionaldehyde, 3-HPA)，然后在1,3-PD氧化還原酶(1,3-propanediol oxidoreductase, PDOR)作用下消耗還原力NADH形成1,3-PD。底物限制條件下，GDHt是產物生成的限速酶；底物過量時，PDOR是限速酶[23]，此時溢出的3-HPA抑制細胞生長和代謝。

2 發酵工藝

2.1 一步發酵法

一步發酵法通常指利用天然微生物菌株發酵甘油生產1,3-PD，或者利用基因工程菌株直接以葡萄糖為底物生產1,3-PD的發酵過程。為了降低原料成本，許多學者嘗試利用粗甘油或者用葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、木糖、半纖維素水解液等作為共底物來生產1,3-PD。近年來一些研究表明，來自生物柴油的粗甘油中所存在的各種雜質并沒有對Clostridiumbutyricum(VPI 1718) 和Klebsiellapneumoniae生產1,3-PD產生抑制作用[9，24-25]。在K.pneumoniae的批次流加發酵過程中，使用粗甘油比純甘油生產1,3-PD的效率更高[9]。在K.pneumoniae中對甘油和葡萄糖的共底物發酵進行了化學計量分析表明，在厭氧條件下當葡萄糖與甘油的摩爾比為0.32時，甘油可以100%轉化為1，3-PD[26]。在批次流加發酵中，利用甘油和半纖維素水解液作為共底物進行發酵，K.pneumoniae生產1,3-PD的濃度和轉化率分別增加17.8%和25%[27]；木質纖維素水解液能使Clostridumdiolis的1, 3-PD得率由0.62 mol/mol提高到0.82 mol/mol[28]。

2.2 兩步發酵法和多階段發酵法

兩步發酵法指的是將兩個不同微生物在不同的條件下進行發酵的過程，其目的是為了每一步都獲得最大的生長速率。Hartlep等[29]利用耐滲酵母Pichiafarinose或重組E.coli和K.pneumoniae進行兩步發酵，將葡萄糖轉化為1,3-PD，但1,3-PD的轉化率僅為0.17 g/g。另外，Mendes等[30]也進行了兩步發酵法的研究，它們利用兩個重組微生物SaccharomycescerevisiaeHC42和ClostridiumacetobutylicumDG1轉化葡萄糖和糖蜜生產1,3-PD。研究發現當葡萄糖的初濃度為103 g/L時，1,3-PD的質量濃度最高達到25.5 g/L，生產強度為0.16 g/L/h,甘油的轉化率為0.56 g/g，葡萄糖的轉化率為0.24 g/g。兩步發酵的轉化率比杜邦公司的一步發酵的轉化率(0.51 g/g)低得多。

不同于兩步發酵法轉化糖生成1,3-PD，多階段發酵法的目的是在利用甘油作為唯一碳源的連續發酵中提高1,3-PD的濃度、生產強度和轉化率。兩階段連續發酵法最初用于Citrobacterfreundii[31]：第一階段發酵通過限制基質來增加生物量；第二階段通過降低稀釋速率來增加1,3-PD的產量。1,3-PD的最高濃度可達41.42 g/L，此時生產強度為1.38 g/L/h。之后，Papanikolaou等[32]利用新篩選的Clostridiumbutyricum來進行兩階段連續發酵，并獲得了更高的生產強度3.4 g/L/h。第一階段利用高稀釋速率來提高1，3-PD的生產強度，第二階段利用較低的稀釋速率來增加1,3-PD的濃度。

3-羥基丙醛(3-HPA)是1,3-PD發酵生產過程中一個關鍵的中間產物，該物質具有毒性會抑制細胞生長，并降低目標產物的產量[33]。為了消除3-HPA的毒性并維持高的1,3-PD的產量，利用K.pneumoniae研究了兩階段批次流加策略。第一階段進行批次發酵甘油的初濃度為40 g/L，攪拌速率為250 r/min；第二階段利用新鮮的甘油進行流加，攪拌速率為300 r/min，最終1,3-PD的濃度、轉化率和生產強度分別達到了74.07 g/L、0.62 mol/mol、3.09 g/L/h[34]。

2.3 共培養發酵法

共培養發酵法是指在一定條件下混合培養特定的不同微生物菌株的發酵方法。由于淀粉或葡萄糖與甘油相比更為廉價，但是自然界中還沒有發現可以直接轉化葡萄糖生產1,3-PD的菌株，因此共培養發酵策略被用于直接利用葡萄糖生產1,3-PD的研究。Ma等[35]利用ZygosacharomycesrouxiiJL2011 和KlebsiellapneumoniaeS6兩種菌共培養直接轉化葡萄糖生產1,3-PD。在7 L的反應器中，1,3-PD的最高濃度達到了15.2 g/L。然而在共培養條件下，葡萄糖生成1,3-PD的轉化率要比兩步發酵法的轉化率低很多，可能的原因是在一個反應器中很難控制并同時滿足兩種菌不同的生長需求，如基質、需氧條件和pH等。

在利用微生物轉化甘油生產1,3-PD的過程中，由于需要平衡反應過程中的還原力，常伴隨乙酸、乳酸、琥珀酸等有機酸和其他副產物的產生。有機酸的積累常常抑制細胞生長，并且降低基質 (甘油) 轉化為1,3-PD的收率，副產物的存在也給下游產品的分離純化帶來了困難[22]。Bizukojc等[36]利用甲烷生產菌(Methanosarcinamazei)和1,3-PD生產菌(Clostridiumbutyricum)共培養來轉化1,3-PD生產過程中的副產物如有機酸成為甲烷。另外，Szymanowska-Powalowska等[37]分離篩選出了AlcaligenesfaecalisJP1可以利用ClostridiumbutyricumDSP1產生的副產物。實驗表明通過共培養兩種菌株1，3-PD的生產強度和轉化率分別提高到1.07 g/L/h和0.53 g/g。與此同時，乳酸和乙酸幾乎全部被AlcaligenesfaecalisJP1利用，而且丁酸的濃度也降到1 g/L以下。

2.4 微生物菌群發酵

目前，微生物法發酵生產1,3-PD的研究主要是以微生物純培養技術為基礎。微生物純培養技術需要嚴格的無菌操作、使用的原料具有一定的純度，而且生產過程中產生有機酸和醇類等副產物，這些都增加了生產成本。為了克服純培養技術的缺點，進一步降低生物法生產1,3-PD的成本，微生物菌群發酵法近年來受到了越來越多的關注。與傳統純種發酵相比，微生物菌群發酵的優點主要體現在：可以使用更為廉價和復雜的基質作為原料；通過協調菌群組成既可以利用不同微生物的代謝途徑獲得多個目標產物，又可以使產物范圍變窄，利于下游物質分離純化；微生物菌群具有很高的生物多樣性，可以在不滅菌的條件下操作，抗噬菌體感染能力和生產操作上的安全性得以提升[38]。

Temudo等[39]從酒廠廢水和土豆淀粉加工廠的污泥中篩選出了可以利用甘油生產1,3-PD的混合菌群。該菌群的甘油利用濃度為4～25 g/L，主產物為乙醇，1,3-PD的轉化率僅為0.16 mol/mol。雖然該研究的產業化價值不大，但是為工業生產1,3-PD提供了一種新的思路，也是對純種發酵生產1,3-PD的一種新的突破和挑戰。

近年來，我們課題組從大連海岸海泥中篩選出了一組兼性微生物菌群 (GenBank Accession No.：SRP066989)。該菌群可以將甘油轉化為1,3-PD，并且具有良好的底物耐受性，間歇發酵甘油的初始濃度可達200 g/L，1,3-PD產量達到81.40 g/L，摩爾轉化率為0.63 mol/mol；且發酵產物中副產物較少，尤其是不含2,3-丁二醇，有利于主產物1,3-PD的分離[40]。另外，我們還從厭氧活性污泥中篩選出一組天然微生物菌群C2-2M，可以高效轉化粗甘油為1,3-PD。經16S rRNA基因檢測，C2-2M以丁酸梭菌為絕對優勢菌 (97.34%)，同時含雙酶梭菌 (0.81%)、谷糠乳桿菌 (0.01%) 及未鑒定梭菌屬 (1.82%)。批式流加發酵結果表明，連續補料能生成85.21 g/L 1,3-PD，摩爾轉化率達到 0.73 mol/mol，生產強度為1.73 g/L/h，副產物為8.52 g/L乙酸及16.11 g/L丁酸。微生物菌群發酵克服了單一菌株底物耐受性差、副產物多的缺點，提高了生產效率，為微生物發酵法生產1,3-PD的工業化提供了簡單經濟的發酵工藝。

2.5 微生物電池

微生物電合成(microbial electrosynthesis，MES)也稱微生物電解池(microbial electrolysis cells，MEC)，是近年來新興的微生物學與電化學相結合的交叉技術。甘油在微生物細胞中代謝屬于歧化反應：在氧化途徑中生成醇類和有機酸等副產物，伴隨生物質、生物能 ATP 及還原當量NADH2的生成。在還原途徑中合成 1,3-PD，并消耗還原當量 NADH2。胞內氧化還原水平是限制1,3-PD 產量的關鍵因素，而 MES 可打破胞內氧化還原平衡，促進還原力 NADH2再生，進而提高了1,3-PD 的產量，并且降低氧化途徑中副產物的產生。因此，MES 偶聯 1,3-PD 發酵受到人們的關注[41]。

已有研究表明，以甘油為底物電化學驅動Clostridiumpasteurianum， 代謝流流向還原支路，提高NADH2/NAD+比例，進而使1,3-PD 產量由 60 mmol/L提高至 92 mmol/L[42]。在微生物菌群結合MES 條件下，1,3-PD 濃度可增至 42 g/L，已接近傳統發酵產量[43]。但也有研究顯示，外源電子的引入并未導致Klebsiellapneumoniae顯著提高 1,3-PD 產量，推測原因是當外源電子進入細胞后NAD+并非是外源電子受體，因此外源電子的引入對 1,3-PD 的產量影響不大，反而提高了氧化支路中乳酸及乙醇的產量[44]。外源電子引入后電子流向及具體機制還需要深入研究。

3 下游分離工藝

1,3-PD發酵液的成分十分復雜，除了1,3-PD外(濃度約為5%～15%)，還包括2,3-丁二醇、乙醇、乙酸、丁酸、乳酸、琥珀酸等副產物，無機鹽、有機鹽類和殘留的葡萄糖或甘油等小分子物質，以及蛋白質、多糖、核酸等大分子物質。因此，從發酵液中分離1,3-PD面臨很大的技術挑戰。一般而言，1,3-PD下游分離工藝大體依照如下步驟：發酵液經絮凝或膜過濾去除菌體和部分大分子物質，然后再通過醇沉、電滲析、離子交換、吸附、萃取來去除發酵液中的雜質，最后通過精餾操作得到1,3-PD。生物法生產1,3-PD，下游分離成本占總成本的50%以上，成為其工業化生產亟需解決的瓶頸性問題[22]。

3.1 發酵液的預處理技術

1,3-PD濃縮提純前需要對發酵液進行預處理，去除其中的菌體、蛋白和鹽類，否則精餾高溫過程會使蛋白變性、鹽結晶析出，降低蒸發效率和產品收率。絮凝是指向發酵液中添加絮凝劑(如殼聚糖和聚丙烯酰胺)，促使菌體和生物大分子物質形成絮團，從而加快其沉降速度，達到固液分離的目的。該方法具有過程簡單、操作費用低的優點，但是雜質脫除效果較膜過濾而言較差。膜過濾常采用微濾(0.2 μm)、超濾(1 000～50 000 Da)和納濾(200～400 Da)中的一種或多種組合實現，該方法對菌體和大分子物質去除效果好，但存在膜污染、操作成本高等問題。醇沉是通過向發酵液中添加醇類有機溶劑，從而使蛋白質、多糖、核酸和鹽類沉淀析出[45]。本課題組考察了超濾-醇沉工藝對 1,3-PD發酵液的除雜效果，添加2倍體積乙醇可使濃縮發酵液中蛋白、核酸和鹽的去除率分別達到97.4%、89.7%和95.8%，并指出發酵液在低含水量、強酸或強堿條件下醇沉效果顯著，但該方法存在有機溶劑用量大、溶劑揮發損耗等問題[46]。電滲析是指在電場作用下，溶液中的離子選擇性的通過膜而遷移，從而使某些離子在一側富集而得到去除，該技術可用于發酵液中鹽類的去除。Gong等[47]首先對發酵液進行絮凝去除發酵液中的大分子物質，然后采用電滲析除去小分子鹽類，使有機酸鹽去除率達到90%，但是電滲析操作造成產品損失，且膜易污染，成本高。離子交換法也可用于發酵液中鹽分的去處，但是樹脂容易達到飽和，需要頻繁再生，同時產生大量的廢水[48]。

3.2 1,3-PD的分離技術

通過吸附、萃取和反應萃取等方式也可以實現發酵液中1,3-PD的選擇性分離。Anand 等[49]考察了不同樹脂對 1,3-PD的吸附能力，其中包括 DEAE-纖維素、Amberlite 和 Dowex Monosphere 離子交換樹脂以及硅樹脂。結果顯示，硅樹脂在不同 pH條件下的分離效果均好于離子交換樹脂，這主要歸因于羥基與硅表面存在較強的相互作用力。選用氯仿和甲醇混合溶液進行梯度洗脫，最終1,3-PD收率達到89%。Cho等[50]同樣使用硅樹脂并將其應用于乙酸乙酯相中 1,3-PD與 1,2-PD的分離，作為最終的提純工藝，1,3-PD的純度和收率分別達到98%和 82%。由于樹脂吸附量較小，需要頻繁再生，而且洗脫后1,3-PD的濃度明顯降低，使得后續分離能耗增加。Malinowski[51]使用UNIFCA基團貢獻法對潛在的萃取劑進行了初步篩選，最終選取了醇類和醛類溶劑，并考察了其對 1,3-PD的萃取效果。但是，1,3-PD在所選萃取劑中的分配系數均小于 0.3。由于1,3-PD的極性較強，采用物理萃取和絡合萃取很難實現高效的分離，該作者又提出了反應萃取工藝[52]。1,3-PD與乙醛可以形成 2-甲基-1,3-二氧六環，而后者可以被芳香烴類有機溶劑萃取，隨后通過有機相中 2-甲基-1,3-二氧六環的水解反應就能獲得 1,3-PD。其中，2-甲基-1,3-二氧六環的得率和萃取率分別達到91%～94%和70%～75%[52]。然而，真實發酵液中的雜質容易使催化劑失活，并且可以和乙醛反應從而降低反應效率，同時醛類物質的殘留也會對后續聚酯(PTT)的制備產生不良影響。最近，Kaur等[53]考察了使用乙酸乙酯用于1,3-PD原位分離的可行性，實驗結果顯示1,3-PD的產量和生產強度均得到了顯著的提升，但是對后續的分離純化未作報道。1,3-PD在離子液體/磷酸鹽雙水相體系中的分配系數介于1.5～22.7，但是該技術仍有許多問題需要解決，包括成相物質的回收、產品的分離純化、發酵液成分對萃取效果的影響等[54]。

3.3 鹽析萃取和糖析萃取技術

近些年，本課題組對鹽析萃取(Salting-out extraction,SOE)技術在生物基化學品下游分離純化方面的應用開展了深入的研究[55-60]。鹽析萃取是以有機溶劑作萃取劑、無機鹽作鹽析劑，在兩者的綜合作用下從水相中萃取親水性目標產物的一種分離方法，具有成相物質廉價且易于回收、分相速度快、易于連續化操作等優點[55-61]。Li等[62]利用乙醇/硫酸銨鹽析萃取體系分離發酵液中的1,3-PD，分配系數和回收率分別達到4.77和93.7%。同時副產物2,3-丁二醇分配在上相，殘留底物甘油和無機鹽富集于下相，菌體和蛋白質聚集于中間相(去除率達到了99.7%和79%),表明該技術可以直接應用于發酵液且可以同時實現固液分離、目標產物的分離和部分純化，減少了分離步驟，有助于提高產品收率并降低分離成本。隨后，乙醇/磷酸氫二鉀[63]和甲醇/磷酸氫二鉀[64]體系也成功應用于1,3-PD發酵液，其回收率均達到98%，菌體和蛋白質的去除率也都大于 90%。在甲醇/磷酸氫二鉀鹽析萃取體系中，上相甲醇和1,3-PD可通過精餾的方式得到回收，下相中的磷酸鹽通過pH 調節、甲醇溶析結晶的方式使其收率達到95%[64]。值得一提的是，乙醇/碳酸鈉鹽析萃取體系還可以整合發酵與分離過程，萃取結束后的下相(碳酸鈉溶液)可用于發酵過程中 pH 值的調節，發酵結果顯示 1,3-PD和乳酸的量均得到了提高，同時副產物乙酸和甲酸的濃度有所下降。此外，下相鹽溶液還可以用來回收發酵過程中排放的二氧化碳，同時碳酸鈉被轉換為溶解度較低的碳酸氫鈉而得到回收，在降低生產成本的同時也減少了溫室氣體的排放[65]。隨后，Song 等[66]通過兩步鹽析萃取 (異丙醇/碳酸鉀和乙醇/碳酸鉀體系) 實現了發酵液中 1,3-PD和乳酸的選擇性分離，回收率分別達到92.4%和73.8%。此外，Fu等[67]考察了填料萃取塔對發酵液中1,3-PD的連續萃取效果，設備連續運行11 h，1,3-PD回收率達到90.30%。因此，鹽析萃取工藝有助于簡化分離過程，提高目標產物收率，且具有工業放大的可行性。

在此基礎上，為了避免鹽析萃取體系中高濃度無機鹽的添加和回收，本課題組又提出了糖析萃取技術。該方法是向發酵液中加入糖或糖和少量可溶性無機鹽來萃取1,3-PD，萃取后的下相經稀釋后直接用于發酵從而實現下相的重復利用，實現了分離與發酵的耦合，減少了廢水的排放，降低了分離能耗[68]。如選取葡萄糖/異丙醇體系，1,3-PD回收率可達80%，發酵液中菌體、無機鹽和蛋白的去除率分別為99%、99.5%和87%。當向體系中額外添加一定質量硫酸銨(可作為發酵氮源)，1,3-PD的回收率可升至89.9%。糖析萃取結束后，上相異丙醇可通過減壓蒸餾回收并循環使用，而下相高濃度糖溶液可經稀釋用于種子培養和發酵，表明該技術是一種很有工業應用前景的新型分離方法[68]。

4 展 望

利用微生物發酵法生產1,3-PD是適應可持續發展的必然要求，建立成功的1,3-PD生物法生產途徑以下三點尤為重要：一是利用低成本基質；二是有較高的產物濃度和轉化率；三是開發一條經濟、高效的下游分離工藝。近幾年，關于微生物生產1,3-PD的研究大多數集中于前兩個方面。目前，利用更為廉價的基質——粗甘油(生物柴油生產過程中的副產物)重新獲得了人們的重視。為了解決廉價原料難以利用、底物轉化率低、副產物多、發酵和分離成本高等產業化難題，微生物菌群發酵有望勝任廉價原料的工業化生產。這種基于粗甘油和低成本的新發酵工藝，增加了微生物法生產1,3-PD的市場競爭力。微生物菌群發酵仍然需要進行許多研究，如微生物群落的相互作用和種群動力學，創新性的生物反應器和發酵技術(如共固定或區域劃分)等。另外，控制和匹配不同菌種的生長速率和代謝以及確保過程的穩定性是問題的關鍵。相信隨著微生物組學等科學技術的不斷發展以及不同領域學者的協同合作，微生物法生產1,3-丙二醇會取得更大的發展和應用。

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New progress in microbial fermentation of 1,3-propanediol

XIU Zhi-long1, JIANG Li-li1,2, FU Hong-xin1, ZHOU Jin-jie1, QUAN Chun-shan3

(1.SchoolofLifeScienceandBiotechnology,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024；2.DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering,YingkouInstituteofTechnology,Yingkou115014；3.KeyLaboratoryofBiotechnologyandBioresourcesUtilization,CollegeofLifeScience,DalianMinzuUniversity,Dalian116600)

1,3-Propanediol (1,3-PD) is an important raw material which is widely used in pharmaceutical, chemical, food and cosmetic industries. As a promising monomer for the synthesis of poly(trimethylene terephthalate) (PTT), its market demand is increasing linearly. Based on the demand of safe and eco-friendly production process and sustainable development, microbial conversion of renewable resources into 1,3-PD has been paid more and more attention. In this paper, we will discuss 1,3-PD producers with relation to their metabolism and fermentation technologies, as well as the downstream processing of biologically produced 1,3-PD. The prospects and challenges for the industrial production of bio-based 1,3-PD are also presented.

1,3-propanediol; microbial fermentation; metabolic pathway; downstream processing

國家自然科學基金項目(21476042)；國家民委重點實驗室開放課題(KF2015006)

修志龍 男，教授，博士生導師。主要從事生物基化學品發酵及分離研究。 E-mail: zhlxiu@dlut.edu.cn

2016-11-20；

2016-11-30

修志龍，教授，大連理工大學，博士生導師。1987年畢業于清華大學化工系，1990年碩士畢業留大連理工大學工作。1997年晉升副教授，2002年晉升教授。主要從事生物催化轉化與生物分離方面的研究工作，承擔了20余項科研項目，包括5項國家自然科學基金、5項“863”計劃項目、1項“十五”科技攻關項目、3項“973”子課題等。在國內外學術期刊發表論文368篇(SCI收錄200多篇)，獲授權中國發明專利53項、國際專利4項、美國專利1項，獲遼寧省技術發明二等獎1項、自然科學三等獎2項, 主編、主譯、參編國內外教材和專著10部。2003年評為遼寧省骨干青年教師，2005年教育部新世紀優秀人才基金獲得者，2006年獲得大連市優秀專家稱號，2007年獲寶鋼教育基金優秀教師獎，2007年遼寧省百千萬人才工程百人層次人選，2009年遼寧省教學名師。連續兩年(2014、2015年)入選中國高被引學者榜單。任教育部高等學校生物技術與生物工程專業教學指導委員會委員、遼寧省高校生物工程專業教學指導委員會主任委員，生物工程省高校重點實驗室主任、大連海洋生物化工重點實驗室主任、生物化工學科點長等技術負責人，《過程工程學報》、《Engineering in Life Science》等6種學術期刊編委。

Q939.97

A

1005-7021(2016)06-0001-09

10.3969/j.issn.1005-7021.2016.06.001