CN104630291A - 一种使用两种菌株藕合发酵实现丁二酸高产的方法 - Google Patents
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Abstract
一种使用两种菌株藕合发酵实现丁二酸高产的方法,属于生物工程技术领域。本发明利用产丁二酸的基因工程菌CCTCC NO:M2012041和筛选自野生菌的放线杆菌CGMCC 1593两个发酵***藕合代谢,工艺分三步:1、根据传统的制备纤维素水解液的方法制备葡萄糖和戊糖混合物,2、基因工程菌CCTCC NO:M 2012041发酵***的发酵,3、放线杆菌CGMCC 1593发酵***的发酵。基于基因工程菌CCTCC NO:M 2012041在发酵***中利用纤维素水解糖中的葡萄糖,而天然菌株CGMCC 1593在发酵***中利用纤维素水解糖中的戊糖,两个发酵***藕合代谢,提高纤维素水解糖中葡萄糖和戊糖的利用率,同时兼顾了两种菌各自的优势。
Description
技术领域
一种使用两种菌株藕合发酵实现丁二酸高产的方法,本发明涉及使用两种菌株,两个发酵***高效利用纤维素水解液中的还原糖组分,实现丁二酸高产的方法,属于生物工程技术领域。
背景技术
中国北方的玉米秸秆和南方的稻谷秸秆、甘蔗渣等是非常优良的纤维素资源。尽管,近几年来,学术界对于纤维素的预处理,酶解糖化等工艺的研究日臻成熟,但是目前,真正使用纤维素水解糖大规模制备化学物质还处在初级阶段。
这其中有一个关键的问题,即不管纤维素是采用何种方式的预处理方法,例如酸解、碱解和蒸汽***或几种方法的组合等方法;再使用多种酶的组合进行酶解,例如纤维素酶,木糖酶,果糖酶,葡聚糖酶,果胶酶,半纤维素酶等多种酶及其组合,而纤维素的水解液中总会有20 wt%~30wt%的五碳水解糖(戊糖),这是大部分微生物难以利用的,特别是目前为学界熟练应用的基因工程菌。如何使基因工程菌再具备一条能够利用戊糖的代谢途径是目前学术界重点研究的课题。
然而,许多基于天然菌株筛选的细菌,例如可以代谢产生丁二酸的琥珀杆菌CGMCC 1593就可以轻松的利用戊糖进行丁二酸的代谢,而CGMCC 1593的原始菌株恰恰是从食草动物的消化道里提取的。
基因工程菌存在着诸多的优势,例如代谢产物的单一选择性,葡萄糖利用率远高于天然菌株,发酵效率远高于天然菌株。CN102634474B(申请号201210094742.6)披露的嗜乙酰乙酸棒杆菌(Corynebacterium acetoacidophilum)YF/ΔldhCCTCC NO:M2012041,是一株典型的可以高产丁二酸的基因工程菌,发酵性能比较如下表:
菌株名称 | 糖酸转化率 | 丁二酸选择性 |
CCTCC NO:M2012041 | 95% | 99% |
CGMCC 1593 | 80% | 90% |
如何在发酵过程中既能提高纤维水解糖的利用率,又能发挥基因工程菌发酵效率高的优势。这是一个极有意义的问题。
解决这样的问题,无外乎几个方面。一是,提高专用酶的选择性,例如淀粉是目前制备葡萄糖的主要原料,使用淀粉酶和糖化酶可以确保97%以上的淀粉水解成葡萄糖;二是,如上文提及,在基因工程菌种中增加一条非葡萄糖的利用代谢途径。
本发明述及的内容,是在上述解决途径之外增加的一个解决办法,即将基因工程菌的发酵***与天然菌株的发酵***藕合,基于基因工程菌在发酵***中利用纤维素水解糖中的葡萄糖,而天然菌株在发酵***中利用纤维素水解糖中的戊糖。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用两种菌株藕合发酵实现丁二酸高产的方法。
本发明的技术方案:一种使用两种菌株藕合发酵实现丁二酸高产的方法,利用产丁二酸的基因工程菌CCTCC NO:M2012041和筛选自野生菌的放线杆菌CGMCC 1593两个发酵***藕合代谢,提高纤维素水解糖中葡萄糖和戊糖的利用率,同时兼顾了两种菌各自的优势。
一株嗜乙酰乙酸棒杆菌(Corynebacterium acetoacidophilum)YF/Δldh,该菌株为通过基因敲除技术构建的乳酸脱氢酶基因(ldh)缺失菌,已于2012年2月29日保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏号CCTCC NO:M2012041;已在CN 102634474A(申请号201210094742.6,发明名称:一株嗜乙酰乙酸棒杆菌及其产丁二酸的方法)中公开披露。
琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)CGMCC 1593,已在中国专利ZL 200610038113.6中公开,发明名称:一种微生物发酵生产丁二酸的菌种和方法,公开号CN 1814747A,公开日2006年8月9日。
所述的使用两种菌株藕合发酵实现丁二酸高产的方法,步骤为:
(1)纤维素水解糖的制备
根据已公开的传统的制备纤维素水解液的方法制备葡萄糖和戊糖混合物。本发明中以甘蔗渣作为主要的纤维素原料,其组成控制为纤维素及半纤维素含量约为18%,木质素含量约为12%,水分含量70%,产自广西。
纤维素水解液制备后,其中葡萄糖及戊糖在总糖含量中的比例分别控制为70%及30%。
发酵***的准备
(2)按照下述内容配制基因工程菌CCTCC NO:M 2012041发酵***的发酵:
LB 培养基:蛋白胨 10 g/L,酵母粉 5 g/L,NaCl 10 g/L,用去离子水配制。
感受态培养基:甘氨酸 30 g/L,Tween-80 1 g/L,用去离子水配制。
活化培养基 (LBHIS):酵母粉 2.5 g/L,蛋白胨 5 g/L,NaCl 5 g/L,脑心浸液 18.5 g/L,山梨醇 91 g/L,用去离子水配制。
种子培养基:在 LB 培养基中添加 5 g/L 葡萄糖。
菌体培养基:葡萄糖 25 g/L,K2HPO4 1.5 g/L,MgSO4·7H2O 0.6 g/L,FeSO4 5 mg/L,硫胺素 0.2 mg/L,尿素 2.5 g/L,玉米浆 10 g/L,生物素 0.2 mg/L,用去离子水配制。
转化培养基:K2HPO4 0.5 g/L,KH2PO4 0.5 g/L,MgSO4·7H2O 0.5 g/L,FeSO4 6 mg/L,MnSO4 4.2 mg/L,生物素 0.2 mg/L,硫胺素 0.2 mg/L,用去离子水配制。培养基均使用去离子水配制。
种子于种子培养基中 30℃、200 r/min下耗氧培养 24 h,然后以 5% (V/V) 的接种量接于菌体培养基中,30℃、200 r/min 下耗氧培养16 h,培养好的菌体在4000r/min下离心富集,以 20 g/L (干重) 的菌体浓度悬浮于转化培养基中30℃、200 r/min下恒温振荡5h。
恒温振荡5h后的转化培养基在4000r/min的条件下离心后,富集下层菌体,并以干重20 g/L的菌体浓度加到纤维素水解液中。纤维素水解液总糖100g/L,葡萄糖约为70g/L,戊糖约为30g/L。转化40h后,丁二酸含量66.5g/L。
(3)按照下述内容配制放线杆菌CGMCC 1593发酵***的发酵
第二种子培养基:蛋白胨5g/L,玉米浆20g/L,葡萄糖20g/L,磷酸二氢钾 1.5g/L,磷酸氢二钠1.5g/L,酵母膏5g/L,用去离子水配制。
发酵培养基:蛋白胨5g/L,玉米浆10g/L,葡萄糖25g/L,磷酸二氢钾 2.5g/L,磷酸氢二钠2.5g/L,酵母膏5g/L,乙酸钠1~5g/L,用去离子水配制。
种子一级为TSB培养液,培养14h后接于第二种子培养基中,接种量4%,种子培养达到7h后,将培养液接入厌氧发酵***的发酵罐中,接种量10%。发酵过程中使用碳酸氢钠(最终碳酸氢钠浓度为4%)溶液维持发酵***的pH值为5.5~6.5,最优控制在6.0~6.2,温度为37~39℃,直到体系中葡萄糖含量降低至5g/L。
CGMCC 1593发酵***的发酵液量为步骤(2)基因工程菌CCTCC NO:M 2012041菌种的发酵***发酵液量的15%~30%,最优比例为15%~20%。
在CCTCC NO:M 2012041菌种的发酵***将葡萄糖消耗殆尽后,将发酵液升温至60~70℃,停留时间为30min,使体系中的CCTCC NO:M2012041菌种彻底失活。将CGMCC 1593发酵***的发酵液接入CCTCC NO:M 2012041菌种发酵罐中,维持发酵***的pH值为5.5~6.5,最优控制在6.0~6.2,温度为37~39℃,24h后,体系中还原糖含量降低至5g/L。
发酵液中还原糖含量、丁二酸含量均使用液相色谱测定。总的发酵体系中葡萄糖含量为<2g/L,戊糖含量<2g/L,综合糖酸转化率>90%。
本发明的有益效果:本发明将基因工程菌CCTCC NO:M 2012041的发酵***与天然菌株CGMCC 1593的发酵***藕合,基于基因工程菌CCTCC NO:M 2012041在发酵***中利用纤维素水解糖中的葡萄糖,而天然菌株CGMCC 1593在发酵***中利用纤维素水解糖中的戊糖。两个发酵***藕合代谢,提高纤维素水解糖中葡萄糖和戊糖的利用率,同时兼顾了两种菌各自的优势。
具体实施方式
实施例1
按照下述内容配制CCTCC NO:M 2012041菌种的发酵***:
LB 培养基1mL:蛋白胨 10 g/L,酵母粉 5 g/L,NaCl 10 g/L,用去离子水配制。
感受态培养基1mL:甘氨酸 30 g/L,Tween-80 1 g/L,用去离子水配制。
活化培养基 (LBHIS) 2mL:酵母粉 2.5 g/L,蛋白胨 5 g/L,NaCl 5 g/L,脑心浸液 18.5 g/L,山梨醇 91 g/L,用去离子水配制。
种子培养基5mL:在 LB 培养基中添加 5 g/L 葡萄糖。
菌体培养基100mL:葡萄糖 25 g/L,K2HPO4 1.5 g/L,MgSO4·7H2O 0.6 g/L,FeSO4 5 mg/L,硫胺素 0.2 mg/L,尿素 2.5 g/L,玉米浆 10 g/L,生物素 0.2 mg/L,用去离子水配制。
转化培养基 500mL:K2HPO4 0.5 g/L,KH2PO4 0.5 g/L,MgSO4·7H2O 0.5 g/L,FeSO4 6 mg/L,MnSO4 4.2 mg/L,生物素 0.2 mg/L,硫胺素 0.2 mg/L,用去离子水配制。培养基均使用去离子水配制。
纤维素水解糖浓缩液 500mL:葡萄糖140g/L,戊糖60g/L。
种子于种子培养基中 30℃、200 r/min下耗氧培养 24 h,然后以 5% (V/V) 的接种量接于菌体培养基中,30℃、200 r/min 下耗氧培养16 h,培养好的菌体在4000r/min下离心富集,以 20 g/L (干重) 的菌体浓度悬浮于转化培养基中30℃、200 r/min下恒温振荡5h。恒温振荡5h后的转化培养基在4000r/min的条件下离心后,富集下层菌体,并以干重20 g/L的菌体浓度加到纤维素水解液中。
按照下述内容配制CGMCC 1593发酵***:
第二种子培养基15mL:蛋白胨5g/L,玉米浆20g/L,葡萄糖20g/L,磷酸二氢钾 1.5g/L,磷酸氢二钠1.5g/L,酵母膏5g/L,用去离子水配制。
发酵培养基150mL:蛋白胨5g/L,玉米浆10g/L,葡萄糖25g/L,磷酸二氢钾 2.5g/L,磷酸氢二钠2.5g/L,酵母膏5g/L,乙酸钠1 g/L,用去离子水配制。
种子一级为TSB培养液,培养14h后接于第二种子培养基中,接种量4%,种子培养达到7h后,将培养液接入厌氧发酵***的发酵罐中,接种量10%。发酵过程中使用碳酸氢钠(最终碳酸氢钠浓度为4%)维持发酵***的pH值为5.5~6.5,温度为37~39℃。
CGMCC 1593发酵***的发酵液量为CCTCC NO:M 2012041菌种的发酵***的15%。在CCTCC NO:M 2012041菌种的发酵***将葡萄糖消耗殆尽后,将发酵液升温至60~70℃,停留时间为30min,使体系中的CCTCC NO:M 2012041菌种彻底失活。将CGMCC 1593发酵***的发酵液接入CCTCC NO:M 2012041菌种发酵罐中,维持发酵***的pH值为5.5~6.5,温度为37~39℃,24k后,体系中还原糖含量降低至5g/L。
发酵液中还原糖含量、丁二酸含量均使用液相色谱测定。总的发酵体系中丁二酸含量82.5g/L,葡萄糖含量为<2g/L,戊糖含量<2g/L,综合糖酸转化率约为92%。
Claims (5)
1.一种使用两种菌株藕合发酵实现丁二酸高产的方法,其特征在于利用产丁二酸的基因工程菌CCTCC NO:M2012041和筛选自野生菌的放线杆菌CGMCC 1593两个发酵***藕合代谢,提高纤维素水解糖中葡萄糖和戊糖的利用率,同时兼顾了两种菌各自的优势。
2.根据权利要求1所述的使用两种菌株藕合发酵实现丁二酸高产的方法,其特征在于步骤为:
(1)纤维素水解糖的制备
根据传统的制备纤维素水解液的方法制备葡萄糖和戊糖混合物,本发明中以甘蔗渣作为纤维素原料,其组成控制为纤维素及半纤维素含量为18%,木质素含量为12%,水分含量70%,产自广西;
纤维素水解液制备后,其中葡萄糖及戊糖在总糖含量中的比例分别控制为70%及30%;
(2)基因工程菌CCTCC NO:M 2012041发酵***的发酵
LB 培养基:蛋白胨 10 g/L,酵母粉 5 g/L,NaCl 10 g/L,用去离子水配制;
感受态培养基:甘氨酸 30 g/L,Tween-80 1 g/L,用去离子水配制;
活化培养基LBHIS:酵母粉 2.5 g/L,蛋白胨 5 g/L,NaCl 5 g/L,脑心浸液 18.5 g/L,山梨醇 91 g/L,用去离子水配制;
种子培养基:在 LB 培养基中添加 5 g/L 葡萄糖;
菌体培养基:葡萄糖 25 g/L,K2HPO4 1.5 g/L,MgSO4·7H2O 0.6 g/L,FeSO4 5 mg/L,硫胺素 0.2 mg/L,尿素 2.5 g/L,玉米浆 10 g/L,生物素 0.2 mg/L,用去离子水配制;
转化培养基:K2HPO4 0.5 g/L,KH2PO4 0.5 g/L,MgSO4·7H2O 0.5 g/L,FeSO4 6 mg/L,MnSO4 4.2 mg/L,生物素 0.2 mg/L,硫胺素 0.2 mg/L,用去离子水配制;
种子于种子培养基中30℃、200 r/min下耗氧培养 24 h;然后以 5% V/V 的接种量接于菌体培养基中,30℃、200 r/min 下耗氧培养16 h;培养好的菌体在4000r/min下离心富集,以干重20 g/L的菌体浓度悬浮于转化培养基中,30℃、200 r/min下恒温振荡5h;
恒温振荡5h后的转化培养基在4000r/min的条件下离心后,富集下层菌体,并以干重20 g/L的菌体浓度加到纤维素水解液中,纤维素水解液总糖100g/L,葡萄糖控制为70g/L,戊糖控制为30g/L,转化40h后,丁二酸含量66.5g/L;
(3)放线杆菌CGMCC 1593发酵***的发酵
第二种子培养基:蛋白胨5g/L,玉米浆20g/L,葡萄糖20g/L,磷酸二氢钾 1.5g/L,磷酸氢二钠1.5g/L,酵母膏5g/L,用去离子水配制;
发酵培养基:蛋白胨5g/L,玉米浆10g/L,葡萄糖25g/L,磷酸二氢钾 2.5g/L,磷酸氢二钠2.5g/L,酵母膏5g/L,乙酸钠1~5g/L,用去离子水配制;
种子一级为TSB培养液,培养14h后接于第二种子培养基中,接种量4%,种子培养达到7h后,将培养液接入厌氧发酵***的发酵罐中,接种量10%,发酵过程中使用碳酸氢钠溶液维持发酵***的pH值为5.5~6.5,温度为37~39℃,直到体系中葡萄糖含量降低至5g/L;
CGMCC 1593发酵***的发酵液量为步骤(2)基因工程菌CCTCC NO:M 2012041菌种的发酵***发酵液量的15%~30%;
在CCTCC NO:M 2012041菌种的发酵***将葡萄糖消耗殆尽后,将发酵液升温至60~70℃,停留时间为30min,使体系中的CCTCC NO:M 2012041菌种彻底失活;将CGMCC 1593发酵***的发酵液接入CCTCC NO:M 2012041菌种发酵罐中,维持发酵***的pH值为5.5~6.5,温度为37~39℃,24h后,体系中还原糖含量降低至5g/L;
发酵液中还原糖含量、丁二酸含量均使用液相色谱测定,总的发酵体系中葡萄糖含量为<2g/L,戊糖含量<2g/L,综合糖酸转化率>90%。
3.根据权利要求2所述的使用两种菌株藕合发酵实现丁二酸高产的方法,其特征在于步骤(3)放线杆菌CGMCC 1593发酵***的发酵,发酵过程中使用碳酸氢钠溶液维持发酵***的pH值为6.0~6.2,温度为37~39℃,直到体系中葡萄糖含量降低至5g/L。
4.根据权利要求2所述的使用两种菌株藕合发酵实现丁二酸高产的方法,其特征在于步骤(3)放线杆菌CGMCC 1593发酵***的发酵,CGMCC 1593发酵***的发酵液量为基因工程菌CCTCC NO:M 2012041菌种的发酵***发酵液量的15%~20%。
5.根据权利要求2所述的使用两种菌株藕合发酵实现丁二酸高产的方法,其特征在于步骤(3)放线杆菌CGMCC 1593发酵***的发酵,将CGMCC 1593发酵***的发酵液接入CCTCC NO:M 2012041菌种发酵罐中,维持发酵***的pH值控制在6.0~6.2,温度为37~39℃,24h后,体系中还原糖含量降低至5g/L。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150520 |