罗伊氏乳杆菌生产3-HPA振荡行为分析及连续转化调控策略

生物柴油产业的发展，导致副产物甘油产量迅速增加，建立甘油为底物的生物转化平台引起人们的关注。本课题针对罗伊氏乳杆菌转化甘油生产3-HPA过程中细胞、底物和产物浓度振荡的问题，以连续、稳定、高效生产3-HPA为目标，首先对代谢途径中多反馈抑制进行正则建模以解析产生生物振荡的机理；其次模拟与实验相结合，深入研究葡萄糖、甘油及葡萄糖-甘油三类底物培养时细胞的生长代谢特性及关键酶活性变化规律，建立描述生物振荡的宏观模型；最后通过微胶囊固定化细胞，利用液固循环流化床反应器的过程集成和过程强化的特点，研发自动实现微囊化罗伊氏乳杆菌培养-转化-活化的分段调控策略，达到连续稳定生产3-HPA的目的。本课题的开展将突破甘油生物转化生产1,3-丙二醇的局限，拓宽甘油生物转化平台的研究内容，促进生物转化过程中分段调控的深入研究。

生物柴油产业的发展，导致副产物甘油产量迅速增加，建立以甘油为底物制备高附加值化学品的生物转化平台引起人们的广泛关注。本课题针对罗伊氏乳杆菌转化甘油生产3-HPA过程中细胞、底物和产物浓度振荡的若干问题，以连续、稳定、高效生产3-HPA为目标，侧重研究了内容和结果如下：其一、对罗伊氏乳杆菌培养基和培养条件进行了响应面法优化，获得所筛Lactobacillus reuteri CG001最优培养条件为：酵母膏20g/L，葡萄糖20g/L，醋酸钠7g/L，柠檬酸铵1g/L，磷酸氢二钾3g/L，硫酸镁0.2g/L，硫酸锰0.23g/L，吐温-80 1g/L，初始pH6.2，培养温度38.6℃。其二、对罗伊氏乳杆菌代谢途径中多反馈抑制进行正则建模，阐明了其发生生物振荡的主要原因为葡萄糖/甘油共底物发酵过程中胞内NAD/NADH平衡的自我调节，伴随3-羟基丙醛对细胞的致死效应的互动关系。其三、模拟与实验相结合，深入研究葡萄糖、甘油及葡萄糖-甘油三类底物培养时细胞的生长代谢特性及关键酶活性变化规律，发现实现细胞多次重复利用的关键在于原位甘油脱水酶再激活，并进而研究了罗伊氏乳杆菌胞内甘油脱水酶催化特性及原位再激活策略。其四、基于催化甘油转化的连串反应，建立转化甘油制备3-HPA的宏观动力学模型，估算了不同条件下的模型参数，能与实验数据较好的吻合，获得最优的转化条件为：转化菌浓为25.3g/L时，使用培养24h的菌，在30℃条件下转化200mM甘油1h，3-HPA/甘油摩尔转化率可高达97.8%。最后利用固定化罗伊氏乳杆菌细胞，通过过程集成和过程强化，研发实现微囊化罗伊氏乳杆菌培养-转化-活化的分段调控策略，在采用海藻酸钙法固定化L. reuteri CG001细胞直接转化和增殖转化甘油制备3-HPA过程中，发现了胶囊尺寸引起传质限制，导致囊内产物浓度过高，进而造成囊内产物抑制使转化率严重下降的问题，进一步尝试采用磁性纳米颗粒直接修饰L. reuteri实现细胞快速分离和原位激活的重复利用新策略。本课题的开展将突破甘油生物转化生产1,3-丙二醇的局限，拓宽甘油生物转化平台的研究内容，促进生物转化过程中分段调控的深入研究。