Бутандиоловое брожение - Butanediol fermentation

Рисунок 1: Химическая структура ферментации 2,3-бутандиола

2,3-Бутандиоловое брожение является анаэробный ферментация из глюкоза с 2,3-бутандиол как один из конечных продуктов. Общая стехиометрия реакции составляет

2 пируват + НАДН --> 2CO2 + 2,3-бутандиол.

Брожение бутандиола типично для факультативных анаэробов. Клебсиелла и Энтеробактер[1] и протестирован на использование Фогес – Проскауэр (ВП) тест. Можно использовать и другие альтернативные штаммы, о которых подробно рассказывается в разделе «Альтернативные штаммы бактерий» ниже.

Рисунок 2: Процесс ферментации для производства бутандиола

Метаболическая функция 2,3-бутандиола неизвестна, хотя некоторые предполагают, что для этих микроорганизмов было эволюционным преимуществом производить нейтральный продукт, который менее ингибирующий, чем другие продукты частичного окисления, и не снижает pH так сильно, как смешанный кислоты.

Бутандиол можно использовать для многих важных промышленных применений, включая антифризы, пищевые добавки, антисептики и фармацевтические препараты. Он также производится естественным образом в различных местах окружающей среды.

Сравнение со смешанным кислотным брожением

Ферментация 2,3-бутандиола производит меньшее количество кислоты, чем смешанное кислотное брожение, и бутандиол, этиловый спирт, CO2 и ЧАС2 конечные продукты. При равных количествах CO2 и H2 образуются во время смешанной кислотной ферментации, бутандиоловая ферментация производит более чем в два раза больше CO2 потому что газы производятся не только формиат-гидридлиазой, как при смешанной кислотной ферментации

2,3-Бутандиол продуцируется на разных уровнях при аэрированных ферментациях, пока уровень растворенного кислорода ограничен (т.е. культура пытается потреблять больше кислорода, чем доступно). Степень ограничения кислорода диктует соотношение 2,3-бутандиола и производимых побочных продуктов. [2]

Бутандиол свойства

Бутандиол обладает различными свойствами, которые способствуют его многочисленным промышленным применениям и влияют на то, как он обрабатывается во время производства. Бутандиол - жидкость без запаха и цвета. Он имеет высокую температуру кипения, 180-184 ° C, что может повлиять на последующие процессы и вызвать проблемы при восстановлении ферментированной суспензии. Он также имеет низкую температуру замерзания, что позволяет использовать его в промышленных целях.[3]

Промышленное применение

2,3-бутандиол имеет множество промышленных применений и продуктов, которые он может производить. Лево-изомер бутандиола имеет низкую температуру замерзания -60 ° C, что позволяет ему работать как антифриз. Через каталитический дегидрирование, бутандиол может образовывать диацетил. Диацетил это пищевая добавка, которую можно использовать для придания вкуса. 0,1% бутандиол убивает большинство болезнетворных бактерий благодаря своим антисептическим свойствам. Путем этерификации получают формы предшественников пенополиуретанов. Их можно использовать в различных областях, в том числе в фармацевтике, косметике, лосьонах, мазях и антиперспирантах. Сам бутандиол даже находит применение в фармацевтической промышленности в качестве носителя лекарств.[3]

Природные явления

2,3-бутандиол может производиться естественным путем в различных местах окружающей среды. Несколько мест - сладкая кукуруза, ферментированный соевый творог, цельные и молотые зерна, гнилые мидии, а также во время ферментации фруктов и зерен.[4]

Альтернативные штаммы бактерий

Использование мезофильных бактерий требует, чтобы процесс ферментации происходил при температуре ниже 40 ° C, что может вызвать бактериальное заражение из-за низкой температуры. В промышленном масштабе для этого требуются этапы стерилизации, а это означает, что необходимо построить специальное оборудование, больше сотрудников потребуется для выполнения этого дополнительного этапа и на предприятии потребляется больше энергии. Новая аэробика Геобациллы было показано, что штамм XT15 продуцирует 2,3-бутандиол при температуре 45-55 ° C. Такая более высокая температура позволит избежать риска заражения, поскольку микроорганизмы, живущие в нормальных условиях, не могут воспроизводиться при температуре выше 45 ° C. В Геобациллы штамм XT15 теромофильный, что позволяет ему проводить ферментацию при более высокой температуре. Стерилизация не требуется при использовании этого альтернативного штамма, что делает производственный процесс более эффективным и экономичным.[5]

Рекомендации

  1. ^ Гекил Х., Барак З., Чипман Д.М., Эренлер С.О., Вебстер Д.А., Старк Б.К. (октябрь 2004 г.). «Повышенное производство ацетоина и бутандиола в рекомбинантных аэрогенах Enterobacter, несущих ген гемоглобина Vitreoscilla». Биопроцессы и биосистемная инженерия. 26 (5): 325–30. Дои:10.1007 / s00449-004-0373-1. PMID  15309606.
  2. ^ Янсен Н.Б., Flickinger MC, Tsao GT (апрель 1984 г.). «Производство 2,3-бутандиола из D-ксилозы с помощью Klebsiella oxytoca ATCC 8724». Биотехнологии и биоинженерия. 26 (4): 362–9. Дои:10.1002 / бит. 260260411. PMID  18553303.
  3. ^ а б Гарг С.К., Джайн А. (январь 1995 г.). «Ферментативное производство 2,3-бутандиола: обзор». Биоресурсные технологии. 51 (2–3): 103–109. Дои:10.1016 / 0960-8524 (94) 00136-о.
  4. ^ PubChem. «2,3-бутандиол». pubchem.ncbi.nlm.nih.gov. Получено 2020-05-15.
  5. ^ Сяо З, Ван Х, Хуан И, Хо Ф, Чжу Х, Си Л., Лу Дж. Р. (декабрь 2012 г.). «Термофильная ферментация ацетоина и 2,3-бутандиола новым штаммом Geobacillus». Биотехнология для биотоплива. 5 (1): 88. Дои:10.1186/1754-6834-5-88. ЧВК  3538569. PMID  23217110.

дальнейшее чтение

  • Мэдиган М, Мартинко Дж (2006). Биология микроорганизмов Брока (11-е изд.). Нью-Джерси: Пирсон Прентис Холл. С. 351–355.

внешняя ссылка