[發明專利]一種通過電化學系統強化微生物菌體利用甘油的方法及其應用

有效

• 申請號: 201610185007.4
• 申請日: 2016-03-29
• 公開（公告）號: CN105647981B
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發明（設計）人: 姜岷;冀亞亮;馬江鋒;陳美麗;高有軍
• 申請（專利權）人: 南京工業大學;常茂生物化學工程股份有限公司
• 主分類號: C12P7/40
• 分類號: C12P7/40;C12R1/01
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 王月霞

本發明公開了一種通過電化學系統強化微生物菌體利用甘油的方法及其應用，包括菌種活化、種子培養和厭氧發酵步驟，所述厭氧發酵采用電化學發酵，在發酵培養基中添加電子載體，所述電子載體的濃度為0.1?1.0mmol/L。所述電化學發酵中，陽極電解液為磷酸鹽緩沖液或者鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀溶液，所述陽極電解液的pH為6?7，濃度為0.1?1.0mol/L。本發明將生物電化學系統(燃料電池系統)引入微生物發酵體系中，用于平衡及調控胞內輔酶平衡，包括降低胞內還原力水平，平衡還原型底物甘油的消耗及細胞的生長，在此基礎之上獲得生物電能并增加還原型產物的合成。

技術領域

本發明涉及一種通過電化學系統強化微生物菌體利用甘油的方法及其應用，屬于生物化工技術領域。

背景技術

在還原型產物合成過程中，當以葡萄糖為唯一碳源時，葡萄糖經糖酵解途徑進行代謝時產生2分子還原力(NADH)，用于強還原型產物合成的還原力會明顯不足，產物收率降低；而當以甘油為碳源時，甘油經代謝會產生2分子還原力(NADH)，在此基礎之上，菌株生長時也會合成一部分NADH，此時，若合成產物的還原性較低，菌體內會積累NADH，此時過剩的還原力會抑制微生物菌體的生長。

為了平衡胞內輔酶代謝，恢復菌體生長的同時保證還原型產物的合成，ClaireVieille等通過引入異源還原性途徑增加NADH的消耗，同時一些研究過程中采用微厭氧條件發酵，恢復了產琥珀酸放線桿菌利用甘油代謝生長的能力。但是，微厭氧條件難以控制，與此同時引入異源代謝途徑會增加菌體代謝負擔，經改造的菌株甘油消耗量也只有10g/L左右，相比以葡萄糖為碳源時，細胞生物量也明顯降低。

在燃料電池電化學系統中，菌體通過代謝消耗培養基中的有機物質，碳源或氮源，代謝過程中產生的電子可以通過某種機制運送到胞外，并進一步傳到陽極電極，通過外電路最終傳遞至陰極。在此過程中，代謝底物作為電子供體，陽極電極作為電子受體，形成一個完整的電子傳遞鏈，用于促進胞內代謝、底物利用及電能的產生，如Alfred M. Spormann等通過電化學系統強化了二氧化碳的利用并加快了電能的產生。

但是，不同的代謝物所需的還原力并不相同，因此所需的電化學調控手段也會存在一定的差異。其中，電子傳遞效率與調控手段的不同有著直接的關系。一般情況下，電化學活性菌株（如希瓦氏菌）可以合成導電附屬結構（納米導線）或向胞外分泌電子載體（核黃素）以增加電子的傳遞效率。但是，對于非電化學活性菌株而言，外源電子載體的添加對于電子在胞內及胞外傳遞過程中起著決定性作用。由于不同的電子載體本身具有的獨特的電化學特性，即使是同一電子載體，在不同濃度條件下對細胞生長及電子的傳遞作用也并不一致。

發明內容

本發明的目的是提供一種通過電化學系統強化微生物菌體利用甘油的方法及其應用，將生物電化學系統(燃料電池系統)引入微生物發酵體系中，用于平衡及調控胞內輔酶平衡，包括降低胞內還原力水平，平衡還原型底物甘油的消耗及細胞的生長，在此基礎之上獲得生物電能并增加還原型產物的合成。

為了實現本發明的技術目的，本發明采用的技術方案如下：

一種通過電化學系統強化微生物菌體利用甘油的方法，包括菌種活化、種子培養、厭氧發酵，所述厭氧發酵采用電化學發酵，在發酵培養基中添加電子載體，所述電子載體的濃度為0.1-1.0 mmol/L，發酵培養基中甘油濃度為10~40 g/L。

所述菌株為任意可在厭氧條件下生長并可發酵積累還原型產物的菌株，包括但不限于產琥珀酸放線(Actinobacillus succinogenes)。

所述電化學發酵中，選用石墨碳氈作為陰陽兩極電極，Ag/AgCl(飽和KCl)作為參比電極，發酵培養基和磷酸鹽緩沖液(或鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀溶液)分別作為陰極和陽極電解液，并通過電子載體介導電子由微生物胞內向電極的傳遞。