1-3-丙二醇的研究进展

1,3-丙二醇的研究进展主要内容概述1,3-丙二醇研究进展总结与展望概述研究背景1,3-丙二醇理化性质生产菌种研究背景1,3-丙二醇(1,3-PDO)是一种重要的化工原料，可作为溶剂用于油墨、印染、涂料、药物、润滑剂、抗冻剂、化妆品等方面，其中最重要的是它能够和对苯二甲酸反应合成聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)PTT是一种具有耐磨、高弹性、能连续印染、可生物降解等优良性能极具发展前途的新型聚酯高分子材料。PTT生产的关键在于其单体原料1，3－丙二醇的来源，其成本高低直接影响了PTT的工业化生产和应用规模，1，3－丙二醇生产技术难度大、成本高是限制PTT大规模生产的主要因素。目前1，3－丙二醇的生产方法主要是化学合成法，但由于其环境污染严重、生产条件苛刻、资源浪费等缺点，致使以“绿色环保”为特征的微生物生产法成为目前开发研究的热点。生物柴油的生产过程中会产生10%的副产物甘油，随着生物柴油产量的增加，副产物甘油的产量也会迅速增加，与此同时，也会导致甘油价格的迅速下降，有效利用其副产品甘油提高产品附加值成为生物柴油下游产品开发的关键。目前，1，3-PDO的生产方法主要有3种，即氧乙烷羰基化法、丙烯醛水合加氢法和微生物发酵法．Shell公司于1996年实现了环氧乙烷路线的工业环化生产，Evonik公司(原Degussa公司)发明了以丙烯醛为原料的生产路线，Dupont公司提出生物发酵法制备1，3-PDO．以3-羟基丙酸甲酯(3-HPM)为原料通过酯基加氢和甘油选择性氢解制备1，3-PDO也正在得到人们的重视．此外，印度的Malshe报道以甲醛和乙醛为原料，通过羟醛缩合反应，制得3-羟基丙醛(3-HPA)，在异丙醇铝的催化作用下还原制备1，3-PDO．Simmons等报道使用均相Ir催化剂，通过丙醇端基C-H键活化制备1，3-PDO．1,3-丙二醇理化性质1,3-丙二醇，化学结构式为CH2(CH2OH)2，无色或灰色粘稠状透明液体，有吸水性质，可与水、乙醇、乙醚等溶液混溶，难溶于苯、氯仿，熔点为270C，沸点为210-2120C。1，3-丙二醇为二元醇，同样具有普通二元醇的大部分性质。例如，能够和羧酸在高温下聚合生成酯;可与异氰酸反应生成氨酯;在过量高碘酸(HIO4)存在下被氧化成甲醛和甲酸;在酸的催化作用下与醛酮反应生成二氧代烷等。1，3-丙二醇无腐蚀性、对眼和皮肤无刺激作用。生产菌株目前，人们发现的能够代谢产生1，3－丙二醇的微生物菌种都是细菌，这些野生型菌株都只能以甘油为碳源发酵生成1，3－丙二醇菌株集中在肠杆菌科、梭菌属和乳杆菌属。主要有肠道细菌中的肺炎克雷伯氏菌、产气克雷伯氏菌、弗氏柠檬菌以及成团肠杆菌，乳杆菌属的短乳杆和布氏乳杆菌，梭菌属的丁酸梭状芽孢杆菌和巴氏梭状芽孢杆菌肺炎克雷伯氏菌、弗氏柠檬菌和丁酸梭状芽孢杆菌具有相对较高的1，3－PDO产量和较高的底物转化率以及生产强度，是目前研究较多的三种菌种。菌株筛选高效的菌株筛选策略的获得是通过对甘油厌氧代谢途径和产物成分进行分析得来的。转化甘油为1,3-丙二醇途径的代谢副产物乙酸、丁酸等可以改变培养环境的pH，在溴甲酚紫做指示剂的情况下，pH从5.2到6.8溶液的颜色由黄色变为紫色。1，3－丙二醇氧化还原酶(PDOR)可以催化3－羟基丙醛和1，3－丙二醇之间的正向、逆向反应。在高浓度1,3－丙二醇存在下，逆向生成大量对细胞有毒性的3－羟基丙醛，它能抑制菌体细胞生长和发酵平板挑菌策略原理高浓度甘油培养基挑取底物耐受菌添加外源1,3-PDO挑取产物耐受菌株平板包埋培养排除好氧菌采用低PH培养基挑取耐酸菌株添加溴甲酚紫挑取产酸少的菌株研究进展菌株生产工艺菌种传统诱变唐广明等选用克雷伯氏肺炎杆菌，利用紫外线对其进行诱变,建立了一种高效高通量的摇瓶传代连续富集培养筛选抗产物抑制菌株的方法,筛选出了4株抗1,3-丙二醇抑制且高产1,3-PD的菌株摇瓶传代连续富集培养时,解除抑制的菌株生长速度比较快,在传代过程中逐步占优势,如果优势得以显现,宏观会表现出摇瓶的菌浓比较高,这样初筛就变得很直观基因工程改造菌种甘油代谢有氧化和还原两个途径，还原途径中的甘油脱水酶、1,3-丙二醇氧化还原酶和氧化途径中醛脱氢酶为关键酶，其中甘油脱水酶为限速酶，同时，此酶的催化产物3-羟基丙醛对细胞有毒害作用，需同时转化3-羟基丙醛为1,3-丙二醇张延平等用同源重组技术敲除醛脱氢酶基因后，1,3-丙二醇合成浓度明显提高了27%-42%3-磷酸甘油的积累也会降低1,3-丙二醇的产量，由此可引入代谢途径使其向1,3-丙二醇转化基因工程菌构建策略MGonzalez-Pajuelo等人发现Clostridiumbu-tyricumVPI3266对粗甘油的耐受性和商品化的纯甘油相同，以未经处理的粗甘油为底物，产率可达到0.6mol/mol甘油。这类菌种的发现应用避免了对粗甘油进行预处理，在简化工艺条件的同时也节省了预处理的费用生产工艺刘婷等（2010）利用甘油在厌氧条件下发酵生产与传统工艺相比产物浓度从70-80g/l提高到了100g/l，如果用固定化细胞发酵，产率可以从2g/(l*h)提高到30g/(l*h)冷桂华等（2011）以甘油为底物，利用克雷伯氏菌发酵生产1，3－丙二醇的实验中，考察了初始甘油浓度、温度、pH、通气策略等发酵条件对1，3－PDO产量的影响。实验结果表明:积累1，3－PDO的适合条件为:甘油的初始浓度为40g/L、发酵温度37℃、pH7.0、0.5V/V·min的通气量，发酵30h，反应液中1,3-PDO的产量可达57.63g/L。生产工艺熊玮等（2012)为提高丁酸梭菌产1,3-丙二醇的能力，对培养基进行优化，得到最优配方（g/l):废甘油70，酵母粉2.0，KH2PO4:0.6，K2HPO4:1.2，(NH4)2SO4:2.6，MgSO4：0.2;使用该培养基在5L发酵罐中分批培养14h丁酸梭菌后，1,3-丙二醇质量浓度为33.0g/l，转化率为55.3%，生产强度为2.36g/(L*h),较优化前分别提高了32.5%，7.17%，33.3%生产工艺贺璐等（2012）以已建立的批式发酵动力学模型为基础，对克雷伯氏肺炎杆菌(Klebsiellapneumon-iaeHＲ526)连续发酵生产1，3-丙二醇的工艺进行了研究，优化得到了使得产物浓度最大的稀释率参数，并分析比较了不同稀释率条件下的单级和多级连续发酵的实验结果。结果表明，最佳的连续发酵方式是二级连续发酵，总稀释率为0.028h－1时产物浓度达到68.11g/L，生产强度达到1.89g/(L·h)，与48h的批式流加发酵相比，生产强度提高了27.7%。生产工艺吴如春等（2011）对1,3-丙二醇后提取过程（微生物菌体等高分子物质的去除，盐的去除，有机物的纯化和水的去除）进行研究，但都存在美中不足，所以后提取工艺有待于进一步研究生产工艺朱炳田、Hartlep等人利用两步法发酵葡萄糖生产1，3－丙二醇，甘油转化率及目的产物终浓度都较低。两步法：利用酿酒酵母等转化发酵液中葡萄糖生成甘油，再通过1，3－丙二醇生产菌株转化甘油生成1，3－丙二醇脱水-水合-加氢三段工艺总结与展望生物法生产大宗化学品任重道远，耐受性菌株的选育，工艺条件的优化，高效生物反应器的设计，产品分离及提取等问题仍亟待解决.1,3-PDO的用途广泛，国内需求较大，而且目前一半的聚酯原料还依赖进口，市场很大。其次，生物柴油业的蓬勃发展产生大量的副产物甘油，用本法利用粗甘油产1,3-PDO又同时解决了副产物的处理问题，另外，为降低原料成本，富含甘油的工业废水、糖蜜及化石工业的廉价原料也具有一定的潜力。现今大力提倡环保型和可再生型生产，生物法生产将会蓬勃发张，谢谢大家！