[發明專利]一種全細胞高效催化木糖轉化制取木糖酸（鹽）的方法

無效

• 申請號: 201210191920.7
• 申請日: 2012-06-12
• 公開（公告）號: CN102676608A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 徐勇;勇強;余世袁;王滎
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: C12P19/02
• 分類號: C12P19/02;C12R1/01
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 邱興天

技術領域

本發明涉及木糖酸（鹽）的制備方法，特別涉及一種全細胞高效催化木糖轉化制取木糖酸（鹽）的方法。

背景技術

木糖的高效轉化與利用是木質纖維類原料加工與利用，尤其是其生物煉制的關鍵性技術瓶頸。目前，木糖生物轉化的主要產品形式有燃料乙醇、木糖醇、木糖酸（鹽）、乳酸、丁二酸和飼料酵母等。除木糖酸（鹽）以外，受市場容量、環境污染和現有生產技術水平的局限，目前其它產品的發展空間都十分有限。

木糖酸（鹽）與葡萄糖酸（鹽）的性能相近，可用作檸檬酸和葡萄糖酸等產品的替代品，它作為一種新興的生物基化學品近年來它的用途被不斷地發掘和拓展，主要的應用市場有：水泥減水劑、分散劑和緩釋劑、混凝土黏接劑、增塑劑、玻璃清洗劑、冶金除銹劑、金屬離子螯合劑和紡織助漂劑等，還被用于粘膠纖維混紡以生產夏季冰爽纖維面料。其中，尤其是木糖酸（鹽）在水泥減水劑和混凝土黏結劑領域的應用具有巨大的市場容量和廣闊的發展前景。

理論上可通過化學法、酶法和微生物發酵法轉化木糖生成木糖酸（鹽）（鹽）。化學法主要是碘或鈀催化法，反應條件苛刻，環境污染大，且催化劑易失活，生產成本高。酶法主要是指葡萄糖氧化酶（EC?1.1.3.4）和木糖脫氫酶（EC?1.1.1.175和EC?1.1.1.179），都存在著酶的底物專一性限制、酶用量大、反應速率低和生產成本昂貴的嚴重不足。當前已經報道的木糖微生物發酵產木糖酸（鹽）的木糖濃度最高值不超過13%（質量濃度，g/mL），木糖利用率和木糖酸（鹽）轉化率最高值分別為90%和95%。因此，現有化學合成法和酶法轉化木糖產木糖酸（鹽）都不具備工業化生產的條件，而微生物發酵法仍需要進一步提高反應體系的底物和產物濃度、原料利用率和轉化率，才能保證木糖乃至木質纖維原料生物煉制的工業化生產的整體經濟效益。

發明內容

發明目的：針對現有技術中存在的不足，本發明的目的是提供一種全細胞高效催化木糖轉化制取木糖酸（鹽）的方法，以實現提高底物木糖和產物木糖酸（鹽）的濃度，提高設備的生產效率和降低生產成本，提高整體經濟效益。

技術方案：為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案如下：

一種全細胞高效催化木糖轉化制取木糖酸（鹽）的方法，包括以下步驟：

（1）在液體深層通風反應體系中加入初始反應基質，接入氧化葡萄糖酸桿菌（Gluconabacter?oxydans），攪拌通風連續發酵，保持反應體系的溶氧濃度不低于10%；其中，在初始反應基質中含有木糖和必要的無機鹽，木糖的質量濃度大于13%，不高于15%；初始發酵體系的pH值不低于3.0；

（2）采用半連續或連續分批添料方式，向發酵體系中添加木糖或木糖溶液，控制反應體系中的木糖質量濃度不高于25%，并同步調控pH值；

（3）添加至反應體系木糖累積加入質量濃度達到30%，停止添加，繼續催化反應直至木糖利用率達到98%以上，木糖酸轉化率達到99%以上。

所述的氧化葡萄糖酸桿菌為ATCC?621-H菌株，或以ATCC?621-H菌株為宿主菌的基因重組菌株，或以ATCC?621-H菌株為出發菌株進行馴化改良后的菌株，接入量為使發酵體系的OD_600nm?=?1.0。

所述分批添加木糖是指固體木糖或高濃度木糖液，同步調控所使用的堿性中和劑是指含有鈣、鈉、鉀、鎂、銨等離子的堿性固體或濃溶液，尤其是以粉狀固體碳酸鈣和碳酸鈉為最優。采用同步操作可簡化工藝，降低勞動強度。

該全細胞高效催化木糖轉化制取木糖酸（鹽）的方法，針對木糖酸（鹽）微生物發酵過程中存在的底物、產物和低pH值的抑制作用，充分利用氧化葡萄糖酸桿菌類微生物細胞所具有的木糖轉運、糖氧化酶及輔酶等復合酶系，以全細胞作為催化體系，在液體深層通風反應體系中通過半連續或連續式操作方式，分批同步添加木糖和堿性中和劑，一方面消除上述的抑制作用，另一方面利用全細胞催化體系實現定向高效催化木糖生成木糖酸（鹽），進而極顯著地提高底物木糖和產物木糖酸（鹽）的濃度，顯著提高設備的生產效率和降低生產成本。

有益效果：與現有技術相比，本發明利用全細胞催化木糖轉化制取木糖酸（鹽）的方法，通過連續或半連續分批同步添料的操作方式實現對反應體系的控制和定向催化，極顯著地提高了底物木糖和產物木糖酸（鹽）的反應濃度，顯著提高了設備的生產效率和大幅度降低了木糖酸（鹽）的生產成本，其中，底物木糖的累積濃度最高值可達到30%，木糖的最高利用率超過99%；產物木糖酸（鹽）的最高濃度值可達到29.8%，木糖酸的轉化率最高值可達到100%。