桂秋芬,姚嘉旻,蔣洋松,趙意平
(淮安清江石油化工有限責任公司,江蘇 淮安 223002)
長鏈二元酸(DCA)是指碳鏈上含有10個以上碳原子的脂肪族二元酸,是制造高級香料、高性能尼龍工程塑料、高檔尼龍熱熔膠、高溫電解質、高級潤滑劑、高級油漆和涂料、耐寒性增塑劑、樹脂、醫(yī)藥和農藥的重要原料[1-2]。長鏈二元酸不能從自然界直接獲取,多采用植物油裂解法或化學合成法制取,這兩種制備方法都存在很多弊端。20世紀70年代起,微生物發(fā)酵法以原料來源廣、反應專一性強、反應條件溫和等優(yōu)勢已成為綠色化學生物合成中一個重要的研究開發(fā)領域[3-5]。
長鏈二元酸發(fā)酵技術工業(yè)化應用始于20世紀末、本世紀初,我國和日本在此領域開展了大量工作。從1998年開始,我國在江蘇、山東、遼寧等地先后建立了6家生產(chǎn)企業(yè)[6]。長鏈二元酸發(fā)酵技術工業(yè)化應用方面的研究主要集中在以下3個方面:(1)長鏈二元酸產(chǎn)酸優(yōu)勢菌株的選育;(2)培養(yǎng)基組成的優(yōu)化和發(fā)酵工藝條件的調控;(3)長鏈二元酸后續(xù)提純工藝的選取與優(yōu)化。作者在此對這三方面的研究進展進行了綜述,并提出了有待進一步研究的問題。
目前,國內二元酸生產(chǎn)企業(yè)工業(yè)化菌株主要來源于中國科學院微生物研究所、中國科學院上海植物生理生態(tài)研究所、中國石化撫順石化研究院,這3家科研機構針對不同來源熱帶假絲酵母(Candidatropicalis)菌已進行了數(shù)十年之久的艱辛研究工作。
1)中國科學院微生物所 20世紀70年代起,中國科學院微生物所在方心芳院士等的帶領下,開始從事微生物發(fā)酵生產(chǎn)長鏈二元酸的基礎理論研究和微生物發(fā)酵正構烷烴生產(chǎn)長鏈二元酸的應用開發(fā)研究,目前發(fā)酵工業(yè)放大技術已成熟。據(jù)CN1928100A 報道利用CH-14-204菌株在50 m3發(fā)酵罐中發(fā)酵130 h,十二碳二元酸(DCA12)產(chǎn)酸量達145 g·L-1[7]。
2)中國科學院上海植物生理生態(tài)研究所 20世紀70年代起,該所開展微生物發(fā)酵正十五烷烴生產(chǎn)十五碳二元酸(DCA15)的基礎理論和應用研究,發(fā)酵產(chǎn)酸水平接近72.5 g·L-1[8],與中國科學院微生物所[3]水平相當。
3)中國石化撫順石化研究院 1987年,中國石化撫順石化研究院從中國科學院上海植物生理生態(tài)研究所購取熱帶假絲酵母菌株,開展微生物發(fā)酵制備DCA12、十三碳二元酸(DCA13)的應用開發(fā)研究。其中熱帶假絲酵母突變株SP2UV256已用于工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)DCA13,培養(yǎng)6 d 的平均產(chǎn)酸量為156.5 g·L-1,而DCA12在10 L發(fā)酵罐中培養(yǎng)6 d 的平均產(chǎn)酸量為170 g·L-1,但工業(yè)化應用報道較少[9]。
1.2.1 熱帶假絲酵母代謝烷烴的途徑[10-12](圖1)
由圖1可以看出,熱帶假絲酵母代謝烷烴的途徑可分為5個步驟:(1)酵母細胞吸收烷烴并轉運至細胞內;(2)烷烴被P450酶系α-氧化成DCA12;(3)十二碳一元酸進一步被相同酶系ω-氧化成DCA12;(4)十二碳一元酸或DCA12被β-氧化成二氧化碳和水;(5)酵母細胞利用H+濃度梯度轉運DCA12,分泌至酵母細胞外。其中,步驟(2)、(3)是慢速反應過程,步驟(5)是快速反應過程。
圖1 熱帶假絲酵母烷烴代謝和糖代謝的途徑Fig.1 The metabolic pathway of paraffin and sugar for Candida tropicalis
結合代謝烷烴和碳水化合物消耗的途徑,高產(chǎn)熱帶假絲酵母菌株要求:(1)菌株的α,ω-氧化能力強,在蔗糖碳源中生長良好,產(chǎn)酸水平高;(2)菌株的β-氧化能力相對較弱,難以利用烷烴或同化烷烴生長,對產(chǎn)物DCA12降解能力差。
1.2.2 產(chǎn)酸優(yōu)勢菌株選育研究進展
誘變育種是基于基因突變的菌種改良方法,其理論基礎是改變遺傳物質DNA的結構,從而使得傳代菌種在遺傳性狀上發(fā)生突變。20世紀90年代起,隨著基因工程技術、離子束生物技術的發(fā)展,構建β-氧化阻斷型菌株、低能離子束注入新興技術手段在菌種改造方面得以應用[13]。
1)理化因素誘變
目前,應用比較成功和常用的誘變方法有:(1)紫外線照射處理誘變。紫外誘變技術早在20世紀70年代即得到應用,日本礦業(yè)公司利用紫外誘變等手段篩選出熱帶假絲酵母菌變異株M2030,發(fā)酵120 h可產(chǎn)酸130 g·L-1[14];趙興青[15]在篩選產(chǎn)DCA13菌株過程中采用蔗糖(唯一)碳源培養(yǎng)基、烷烴(唯一)碳源培養(yǎng)基、苯酚紅顯色培養(yǎng)基復合篩選假絲酵母菌株,并通過紫外誘變方法進一步提高優(yōu)勢菌株的產(chǎn)酸性能,取得了比較理想的搖瓶產(chǎn)酸效果;(2)亞硝酸鈉處理誘變。陳遠童等[16]在篩選Δ9-1,18-十八烯二元酸生產(chǎn)菌株過程中采用NaNO2誘變,也取得了比較好的產(chǎn)酸量;(3)亞硝基胍處理誘變。CN 1928100A[7]報道采用亞硝基胍作為化學誘變劑,篩選出高產(chǎn)假絲酵母菌CH-14-204,發(fā)酵139 h時產(chǎn)酸量為192.3 g·L-1;(4)多倍體誘變育種。沈永強等[17]用秋水仙堿和樟腦分別誘變菌株N-26產(chǎn)生多倍體細胞NPCO2和NPca18,其產(chǎn)生DCA15能力從出發(fā)菌株的10 g·L-1分別提高到17.3 g·L-1和18.3 g·L-1[17-18];(5)復合誘變育種。CN95117436.3報道了一株高產(chǎn)長鏈二元酸的假絲酵母菌的篩選方法,先用硫酸二乙酯誘變假絲酵母菌,再利用紫外線二次誘變酵母細胞及氯丙嗪濃縮α,ω-氧化增強的假絲酵母菌,發(fā)酵130 h時產(chǎn)酸量為145 g·L-1,轉化率為90%[19]。
2)利用基因工程技術改造菌種
隨著分子生物學的進一步發(fā)展,基因工程技術也被用于構建長鏈二元酸生產(chǎn)菌株。美國Picataggio等用基因工程方法構建β-氧化阻斷型菌株H5343,在小型發(fā)酵罐中發(fā)酵n-C12生產(chǎn)DCA12,產(chǎn)酸水平從 95 g·L-1提高到140 g·L-1[5,20]。高弘等[20]構建了肉毒堿?;D移酶基因單拷貝缺失菌和雙拷貝缺失菌,并對基因重組菌的生長及產(chǎn)酸特性進行研究,發(fā)現(xiàn)肉毒堿?;D移酶基因雙拷貝缺失菌不能夠代謝烷烴。
基因工程菌易于退化,并存在某些問題,暫無工業(yè)化方法相關報道。
3)N+離子束注入誘變育種
陳祖華等[21]以熱帶假絲酵母SCB412作為出發(fā)菌株,經(jīng)能量為50 keV、劑量為1×1011~5×1015ion·cm-2的N+離子束注入誘變處理篩選獲得一株能夠利用n-C12生產(chǎn)DCA12的高產(chǎn)菌株,產(chǎn)酸量從43.5 g·L-1上升到73.2 g·L-1;楊艷裴[22]經(jīng)2次N+離子束注入對熱帶假絲酵母菌進行誘變,篩選到高產(chǎn)突變株,產(chǎn)酸量由29.77 g·L-1提高到73 g·L-1;CN 1928100A[7]報道通過硝基胍、亞硝酸、紫外線和N+離子束注入等多種誘變方法,篩選出高產(chǎn)假絲酵母菌CH-14-204,發(fā)酵139 h時產(chǎn)酸量為192.3 g·L-1,轉化率為88.8%。
隨著我國發(fā)酵法生產(chǎn)長鏈二元酸技術的突破,我國長鏈二元酸的產(chǎn)能已躍居世界第一。自1998年開始,借助中國科學院微生物所、中國科學院上海植物生理生態(tài)研究所、中國石化撫順石化研究院3家科研機構的技術支持,我國在江蘇、山東、遼寧等地先后建立了6家生產(chǎn)企業(yè)[6]。CN 02145431.0[23]報道,凱賽生物公司于2002年誘變選育出一株熱帶假絲酵母突變菌株(CCTCCM 202042),利用n-C14為底物發(fā)酵可獲得190 g·L-1十四碳二元酸(DCA14);CN 1570124A[24]報道,凱賽生物公司誘變選育熱帶假絲酵母菌(CCTCC No.203052),于2004年申報以C9~C18烷烴或脂肪酸為底物發(fā)酵生產(chǎn)正長鏈二元酸的方法;CN 1844404A[25]報道,南通圣諾鑫公司于2006年申報微生物發(fā)酵生產(chǎn)混合長鏈二元酸的方法;2009年山東瀚霖生物依托中國科學院微生物所發(fā)酵技術快速發(fā)展起來,并于2010年陸續(xù)申報CN 102010318A 、CN 201686632U、CN 101955424A等6項中國專利,主要涉及長鏈二元酸生物發(fā)酵生產(chǎn)裝置[26-28]。
綜上所述,建立合適的誘變育種方法,篩選出烷烴轉化率高、發(fā)酵周期短、產(chǎn)酸性能強、性能穩(wěn)定的優(yōu)良菌株,可有效降低長鏈二元酸生產(chǎn)成本,增強該類項目的競爭力與抗風險能力。
長鏈二元酸發(fā)酵過程屬非生長偶聯(lián)型發(fā)酵(Gaden-Ⅲ型發(fā)酵)[29],即酵母菌增殖與二元酸產(chǎn)物積累之間無關聯(lián),菌體增殖與產(chǎn)物代謝分兩步進行(圖2):發(fā)酵前期,菌體大量繁殖,以其生長為主,pH值控制在3~5;發(fā)酵后期,菌體數(shù)量達到一定值后以菌體發(fā)酵產(chǎn)酸為主,pH值控制在6.5~7.5最佳[30]。
圖2 長鏈二元酸發(fā)酵曲線Fig.2 The fermentation curves of long chain dicarboxylic acid
2.2.1 培養(yǎng)基組分優(yōu)化
長鏈二元酸發(fā)酵培養(yǎng)基需要碳源、氮源、生長必需的無機鹽及微量生長因子等。劉祖同等[31]研究表明,利用熱帶假絲酵母生產(chǎn)長鏈二元酸,尿素是最好的氮源;但沈永強等[32]研究發(fā)現(xiàn),當尿素量過高時,不積累長鏈二元酸。除碳源、氮源外,種子培養(yǎng)基中還要有生長必需的無機物及微量生長因子,如磷酸鹽、氯化鈉、硫酸鎂、維生素、玉米漿以及酵母膏等。沈永強等[32]和許曉增等[14]還發(fā)現(xiàn),磷酸二氫鈉含量為0.1%~0.2%、磷酸氫二鉀含量為0.4%~0.6%時利于長鏈二元酸積累;Mobley等[33]指出,酵母膏對增加酸產(chǎn)量必不可少,其最適量為0.05%~0.10%,超過此限度產(chǎn)酸量減少,鎂離子最小量為0.05%,如果鎂離子缺乏,酸產(chǎn)量下降約75%。
2.2.2 代謝途徑及相關酶系調控
獲得優(yōu)良生產(chǎn)菌株后,對發(fā)酵過程進行必要的代謝調控十分重要。經(jīng)誘變選育出來的高產(chǎn)菌株,其ω-氧化能力增強、β-氧化能力削弱,但β-氧化并沒有完全被阻斷(圖1)。因此,在發(fā)酵過程中必須進一步降低β-氧化酶活力、增強ω-氧化酶活力。
1)ω-氧化酶系調控
熱帶假絲酵母菌在烷烴代謝過程中的α,ω-氧化過程主要由細胞色素P450酶系(CYP)、醇氧化酶(FAO)和醛脫氫酶(FALDH)等催化完成,反應在細胞內的微粒體中發(fā)生[34]。
CYP是ω-氧化過程中的關鍵酶和限速酶,CYP酶活力的提高必然會提高細胞的產(chǎn)酸能力,例如:(1)在種子培養(yǎng)基中(或發(fā)酵的生長階段)加入烷烴可以誘導CYP酶活的提高。Bertrand等[35]發(fā)現(xiàn)CYP在以烷烴為底物時含量比以葡萄糖為底物時高出20倍。高濃度的烷烴條件下,雖然烷烴本身并不利于細胞的生長,但是卻促進了CYP的表達[35-36];(2)在烷烴代謝過程中添加Fe3+可以提高CYP酶活力[35];(3)青霉素的添加可改善細胞膜的滲透性,有助于ω-氧化能力增強[37];(4)苯巴比妥是CYP的誘導劑,苯巴比妥類誘導劑可與CYP基因的阻礙蛋白結合[38]。王麗菊[39]在發(fā)酵12 h時添加0.5 g·L-1苯巴比妥能增強ω-氧化能力,但過量添加則會產(chǎn)生抑制作用;(5)過氧化氫酶體增殖劑 (PPARs)對CYP也有誘導作用。1996年,Ohtomo等[40]報道了過氧化氫增殖因子對低等真核生物麥芽糖假絲酵母(Candidamaltosa)CYP的誘導作用;張劍等[41]指出H2O2能明顯提高產(chǎn)酸和CYP酶活,還可以提高ω-氧化酶活力。
2)β-氧化酶系調控
熱帶假絲酵母降解長鏈二元酸的β-氧化酶系包括?;o酶A氧化酶(ACO)、烯酰輔酶A水合酶、3-羥基脂酰輔酶A脫氫酶、3-酮脂酰輔酶A硫解酶和乙酰輔酶A硫解酶,脂肪酸的β-氧化是降低烷烴轉化率的主要因素。相關的酶還包括?;o酶A合成酶、肉毒堿脂酰轉移酶等[42]。
在熱帶假絲酵母中,ACO是長鏈二元酸降解的限速酶,而β-氧化在過氧化物酶體中進行。脂肪酸β-氧化中間產(chǎn)酸[脂酰輔酶A,即HOOC-(CH2)n~SCOA]的轉運是β-氧化中的重要環(huán)節(jié),這一環(huán)節(jié)中起關鍵作用的是肉毒堿脂酰轉移酶。研究表明,β-氧化酶系的調控方式主要有:(1)添加ACO抑制劑。丙烯酸是ACO的反競爭性抑制劑,添加量為0.05%~0.10%時有明顯促進作用,但用量超過0.2%時,反而不利于二元酸的積累[38];維生素C是ACO的競爭性抑制劑,有強烈的抑制作用[43],但維生素C具有酸性和較強的還原性,不利于長鏈二元酸的分泌;(2)添加金屬離子Ag+和Pb2+完全抑制ACO活性,添加Ba2+、Ca2+和Mg2+有明顯抑制作用;(3)添加非離子型表面活性劑對ACO有不同程度的抑制作用[43];(4)利用基因工程技術阻斷β-氧化途徑。1998年,Picataggio等用基因工程方法,構建β-氧化阻斷型菌株H5343,在小型發(fā)酵罐中發(fā)酵n-C12生產(chǎn)DCA12,產(chǎn)酸水平從95 g·L-1提高到140 g·L-1[5,18];2001年,Hara等[44]構建熱帶假絲酵母M1210A3,指出ACO的表達與長鏈二元酸產(chǎn)量沒有必然聯(lián)系,而酰基輔酶A合成酶表達量降低時,長鏈二元酸產(chǎn)量提高。
3)小分子效應物調控
近年來,人們又發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)基中加入產(chǎn)酸促進因子會提高產(chǎn)酸量。丙氨酸作為小分子有機酸,對微生物的TCA循環(huán)、過氧化氫酶活力和谷氨酸脫氫酶活力有影響,當其加入量為0.5%時,明顯促進DCA12的產(chǎn)生[45];在雙底物發(fā)酵中加入醋酸鈉,可以提高DCA13產(chǎn)量和烴酸轉化率,原因可能是醋酸衍生物進入烷烴β-氧化的同化過程,提供細胞代謝所需要的碳源和能量,從而降低了產(chǎn)物DCA的降解,同時參與ω-氧化酶系的活性調節(jié),促進DCA合成[46]。
2.2.3 發(fā)酵工藝調控
根據(jù)熱帶假絲酵母合成長鏈二元酸發(fā)酵體系的特點,發(fā)酵工藝中pH值、溶解氧、補料及轉發(fā)酵時間對發(fā)酵影響較大。
1)pH值控制
生產(chǎn)長鏈二元酸的熱帶假絲酵母,其菌體生長和產(chǎn)酸的最適pH值不相同,菌體生長的最適pH值為5.0左右,而產(chǎn)酸的最適pH值在7.8±0.2[15]。pH值對細胞分泌長鏈二元酸以及長鏈二元酸的溶解性影響較大,pH值過低或過高都不利于長鏈二元酸的分泌,pH值過高時抑制菌體活性,中性偏堿的環(huán)境利于ω-氧化、抑制β-氧化,但在產(chǎn)酸發(fā)酵末期,常利用提高pH值方式促進殘烴充分利用[14,47]。發(fā)酵過程中控制合理的pH值范圍,既有利于難溶于水的長鏈二元酸轉變成易溶于水的長鏈二元酸鹽,又有利于抑制β-氧化,從而提高產(chǎn)酸速率和長鏈二元酸的純度。
2)溶解氧控制
發(fā)酵液中溶解氧大小受通氣量、罐壓、攪拌速度的影響,且三種因素對溶解氧的影響大小為:攪拌速度>罐壓>通氣量。溶解氧不是越高越好,劉樹臣等[46,48]發(fā)現(xiàn)在DCA13發(fā)酵中加強攪拌混合效果和控制低溶解氧是穩(wěn)定提高長鏈二元酸產(chǎn)量的有效方法,在DCA12發(fā)酵中控制溶解氧水平在20%~30%最適于產(chǎn)酸,過高的溶解氧水平對提高產(chǎn)酸水平作用不明顯,反而增加能耗。
3)補料控制
對于發(fā)酵法生產(chǎn)長鏈二元酸的補料控制,文獻報道主要集中于雙底物正構烷烴和蔗糖。其中,起始烷烴濃度、分批補加烷烴的加入量和時間與產(chǎn)酸的關系密切。劉祖同等[31]以DCA13為例,起始烷烴濃度為15%、每隔48 h補加10%基質的產(chǎn)酸量比起始烷烴濃度為8%、每隔24 h流加5%基質的產(chǎn)酸量提高22%。趙興青[15]在菌體進入產(chǎn)酸期24 h、48 h、72 h時分別補加0.5%的蔗糖繼續(xù)發(fā)酵,48 h加0.5%蔗糖時產(chǎn)酸量提高效果最好,但補加烷烴和蔗糖都會延長發(fā)酵時間。
4)轉發(fā)酵時間控制
轉發(fā)酵時間的控制決定了發(fā)酵過程的產(chǎn)酸水平。佟明友等[49]在DCA13發(fā)酵中在線檢測參數(shù)DO、尾氣中O2含量和CO2含量與菌體濃度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)當DO曲線降至低谷時,表明菌體的對數(shù)生長期即將結束,此時可以調節(jié)工藝條件轉入產(chǎn)酸階段。
發(fā)酵液是一個復雜的多相體系,其中含有未反應的烷烴、酵母碎片、殘留培養(yǎng)基、代謝產(chǎn)物以及微生物的分泌物等[50]。發(fā)酵終止后,將發(fā)酵液加熱、破乳,經(jīng)微濾膜過濾去除殘留烷烴層、乳化層、菌體層,可獲得澄清透亮的發(fā)酵清液即長鏈二元酸粗品,但存在單酸純度偏低、總氮和鐵離子含量偏高等問題,仍需進一步提純精制。
長鏈二元酸提純工藝主要有水相提純法、酯化提純法、醇溶結晶法、鹽析結晶法、溶劑精制法等。
1)水相提純法
水相提純法是用活性炭或超濾膜脫除發(fā)酵清液中部分色素、蛋白質及有機雜質等,再用濃H2SO4酸化結晶,冷卻、過濾,得到長鏈二元酸結晶,但純度<97.5%,色素含量仍比較高[14]。該法具有投資少、操作簡單、安全環(huán)保等優(yōu)點,但產(chǎn)品純度低、色澤差、晶體粒度不均勻、蛋白質及其它雜質含量高。要想獲得高質量產(chǎn)品,需進一步改進母液除雜與結晶控制的方法。
2)酯化提純法
酯化提純法對原料純度要求不高,是將長鏈二元酸粗品與低碳醇進行酯化反應、皂化水解、酸析結晶進行精制,長鏈二元酸純度可達99%以上。但該法存在醇加入量過高、反應時間長、能耗高等缺點,不適宜大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),還需要進一步加以研究改進[51]。
3)醇溶結晶法
醇溶結晶法是將發(fā)酵液經(jīng)膜過濾除去菌體,活性炭脫色、酸化結晶、過濾,得到的濕濾餅溶解于加熱的C2~C5醇類(如乙醇、辛醇、C2~C5二元醇等)中,再經(jīng)活性炭脫色過濾,冷卻,結晶,得到長鏈二元酸純品。因常溫下醇類對長鏈二元酸溶解性比較高,該法存在溶液損失率>15%、產(chǎn)品損失率約10%、產(chǎn)品中殘留少量酯化物雜質、結晶顆粒細小等問題[52-53]。
4) 鹽析結晶法
鹽析結晶法是將發(fā)酵清液在堿性條件下加熱,加入鹽析劑,冷卻,將析出的長鏈二元酸鹽晶體再溶于熱水中,經(jīng)酸化結晶、分離干燥,得精制長鏈二元酸。該法存在酸損失較大、鹽析劑投入量高、產(chǎn)品純度可控性差等問題[18,53]。
5) 溶劑精制法
溶劑精制法是將發(fā)酵液經(jīng)膜過濾除去菌體、活性炭脫色、酸化結晶、過濾得到的長鏈二元酸粗品溶解于醋酸[24]、丙酮[53]、甲基異丁基酮[54]等與其不產(chǎn)生化學反應的有機溶劑中,再經(jīng)活性炭脫色、抽濾,濾液冷卻結晶,得白色長鏈二元酸結晶。該法具有產(chǎn)品純度高、色澤好、結晶顆粒大的優(yōu)點,可滿足聚合級產(chǎn)品質量的要求,但存在投資大、成本高、污染環(huán)境等問題。
綜上所述,現(xiàn)階段長鏈二元酸生產(chǎn)菌的篩選仍主要通過傳統(tǒng)的誘變篩選方法尋找優(yōu)勢菌株,其效率低、工作量大,隨著新興基因工程技術的發(fā)展,如何利用基因工程技術高效篩選性能穩(wěn)定的高產(chǎn)菌株將是后續(xù)研究的重點。選擇高效的β-氧化抑制劑和ω-氧化促進劑,以及通過發(fā)酵條件與設備的優(yōu)化進一步提高生產(chǎn)效率是發(fā)酵工藝優(yōu)化的主要方向。現(xiàn)有長鏈二元酸提純工藝方法各有優(yōu)缺點,如何組合它們的優(yōu)點建立易于操作、投入少、環(huán)保、產(chǎn)品純度高的提純工藝路線,也是需要進一步研究的課題。
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