一种通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法及其应用技术方案

本发明专利技术公开了一种通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法及其应用，包括菌种活化、种子培养和厌氧发酵步骤，所述厌氧发酵采用电化学发酵，在发酵培养基中添加电子载体，所述电子载体的浓度为0.1-1.0 mmol/L。所述电化学发酵中，阳极电解液为磷酸盐缓冲液或者铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液，所述阳极电解液的pH为6-7，浓度为0.1-1.0 mol/L。本发明专利技术将生物电化学系统(燃料电池系统)引入微生物发酵体系中，用于平衡及调控胞内辅酶平衡，包括降低胞内还原力水平，平衡还原型底物甘油的消耗及细胞的生长，在此基础之上获得生物电能并增加还原型产物的合成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法及其应用，属于生物化工

技术介绍
在还原型产物合成过程中，当以葡萄糖为唯一碳源时，葡萄糖经糖酵解途径进行代谢时产生2分子还原力(NADH)，用于强还原型产物合成的还原力会明显不足，产物收率降低；而当以甘油为碳源时，甘油经代谢会产生2分子还原力(NADH)，在此基础之上，菌株生长时也会合成一部分NADH，此时，若合成产物的还原性较低，菌体内会积累NADH，此时过剩的还原力会抑制微生物菌体的生长。为了平衡胞内辅酶代谢，恢复菌体生长的同时保证还原型产物的合成，ClaireVieille等通过引入异源还原性途径增加NADH的消耗，同时一些研究过程中采用微厌氧条件发酵，恢复了产琥珀酸放线杆菌利用甘油代谢生长的能力。但是，微厌氧条件难以控制，与此同时引入异源代谢途径会增加菌体代谢负担，经改造的菌株甘油消耗量也只有10g/L左右，相比以葡萄糖为碳源时，细胞生物量也明显降低。在燃料电池电化学系统中，菌体通过代谢消耗培养基中的有机物质，碳源或氮源，代谢过程中产生的电子可以通过某种机制运送到胞外，并进一步传到阳极电极，通过外电路最终传递至阴极。在此过程中，代谢底物作为电子供体，阳极电极作为电子受体，形成一个完整的电子传递链，用于促进胞内代谢、底物利用及电能的产生，如AlfredM.Spormann等通过电化学系统强化了二氧化碳的利用并加快了电能的产生。但是，不同的代谢物所需的还原力并不相同，因此所需的电化学调控手段也会存在一定的差异。其中，电子传递效率与调控手段的不同有着直接的关系。一般情况下，电化学活性菌株（如希瓦氏菌）可以合成导电附属结构（纳米导线）或向胞外分泌电子载体（核黄素）以增加电子的传递效率。但是，对于非电化学活性菌株而言，外源电子载体的添加对于电子在胞内及胞外传递过程中起着决定性作用。由于不同的电子载体本身具有的独特的电化学特性，即使是同一电子载体，在不同浓度条件下对细胞生长及电子的传递作用也并不一致。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法及其应用，将生物电化学系统(燃料电池系统)引入微生物发酵体系中，用于平衡及调控胞内辅酶平衡，包括降低胞内还原力水平，平衡还原型底物甘油的消耗及细胞的生长，在此基础之上获得生物电能并增加还原型产物的合成。为了实现本专利技术的技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法，包括菌种活化、种子培养、厌氧发酵，所述厌氧发酵采用电化学发酵，在发酵培养基中添加电子载体，所述电子载体的浓度为0.1-1.0mmol/L，发酵培养基中甘油浓度为10~40g/L。所述菌株为任意可在厌氧条件下生长并可发酵积累还原型产物的菌株，包括但不限于产琥珀酸放线(Actinobacillussuccinogenes)。所述电化学发酵中，选用石墨碳毡作为阴阳两极电极，Ag/AgCl(饱和KCl)作为参比电极，发酵培养基和磷酸盐缓冲液(或铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液)分别作为阴极和阳极电解液，并通过电子载体介导电子由微生物胞内向电极的传递。所述电子载体为具有氧化还原对特性的化合物，可以为化学型电子载体，也可以选择可生物型电子载体，包括但不限于中性红、甲基紫精、硫堇和核黄素。所述电化学发酵中阳极电解液为磷酸盐缓冲液，磷酸盐缓冲液pH6-7，浓度0.1-1.0mol/L，添加氯化钠（0.1-1.0mol/L）以增加电解液的导电率；电化学发酵中阳极电解液还可以为铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液，将等量铁氰化钾及亚铁氰化钾混合，调pH6-7，浓度控制在0.1-1.0mol/L。电化学发酵时，阴极室内填充的发酵培养基中包含不同浓度的电子载体，并通过外电阻将阴阳两极室联通。当电子载体为中性红或核黄素时，浓度为0.1-1.0mmol/L；当电子载体为甲基紫精或硫堇时，浓度为0.1-0.5mmol/L。更优选地，中性红1mM核黄素1mM甲基紫精0.5mmol/L硫堇0.5mmol/L。所述电化学系统为采用气密性良好的微生物电解池装置，通过外加电子载体的协助，将胞内代谢产生的过剩电子从胞内传递至胞外，进而传递至阳极电极以产生电流，在利用强还原型底物的同时降低胞内还原力以恢复(促进)菌株的生长。所述菌株为产琥珀酸放线杆菌，厌氧条件下于电化学装置中发酵时，可以以高还原型底物甘油为碳源进行代谢并合成还原性产物。所述阳极磷酸盐缓冲液中添加氯化钠以增加电解液的导电率，优选为pH7.0，浓度0.1-1.0mol/L。所述发酵培养基既可以为复合培养基，也可以是合成培养基。复合发酵培养基为玉米浆干粉5-10g/L，酵母粉5-15g/L，乙酸钠1.0-2.0g/L，NaCl0.5-2.0g/L，CaCl20.1-0.5g/L，MgCl20.1-0.5g/L,NaH2PO41.0-2.0g/L,Na2HPO40.1-0.5g/L,K2HPO41.0-5.0g/L，碳源甘油，甘油浓度为10~40g/L；优选为甘油10g/L，玉米浆干粉7.5g/L，酵母粉10g/L，乙酸钠1.36g/L，NaCl1g/L，CaCl20.2g/L，MgCl20.2g/L,NaH2PO41.6g/L,Na2HPO40.3g/L,K2HPO43g/L。合成发酵培养基为CH3COONa1.0-2.0g/L,NaCl0.5-2.0g/L,MgCl20.1-1.0g/L,CaCl20.1-1.0g/L,Na2HPO40.1-1.0g/L,NaH2PO41.0-3.0g/L,K2HPO41.0-5.0g/L,NH4HCO31.0-2.0g/L，甘油10~40g/L，生物素0.01g/L,烟酸0.025g/L,蛋氨酸0.11g/L；优选为甘油10g/L，生物素0.01g/L,烟酸0.025g/L,蛋氨酸0.11g/L，CH3COONa1.36g/L,NaCl1g/L,MgCl20.2g/L,CaCl20.2g/L,Na2HPO40.31g/L,NaH2PO41.6g/L,K2HPO43g/L,NH4HCO31.57g/L。本专利技术所述的菌种活化、种子培养步骤是常规的放线杆菌菌种活化方法及种子培养方法，以产琥珀酸放线杆菌NJ113(ActinobacillussuccinogenesNJ113)为例说明菌种活化及种子培养步骤：产琥珀酸放线杆菌NJ113(Actinobacill本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法，包括菌种活化、种子培养、厌氧发酵，其特征在于，所述厌氧发酵采用电化学发酵，在发酵培养基中添加电子载体，所述电子载体的浓度为0.1‑1.0 mmol/L。

【技术特征摘要】
1.一种通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法，包括菌种活化、种子培养、厌
氧发酵，其特征在于，所述厌氧发酵采用电化学发酵，在发酵培养基中添加电子载体，所述
电子载体的浓度为0.1-1.0mmol/L。
2.根据权利要求1所述的通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法，其特征在
于，所述电子载体为具有氧化还原对特性的化合物。
3.根据权利要求1所述的通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法，其特征在
于，所述电化学发酵中，阳极电解液为磷酸盐缓冲液或者铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液，所述
阳极电解液的pH为6-7，浓度为0.1-1.0mol/L。
4.根据权利要求1所述的通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法，其特征在
于，所述微生物菌体为产琥珀酸放线杆菌NJ113。
5.根据权利要求1所述的通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法，其特征在
于，所述发酵培养基为：玉米浆干粉5-10g/L，酵母粉5-15g/L，乙酸钠1.0-2.0g/L，NaCl
0.5-2.0g/L，CaCl20.1-0.5g/L，MgCl20.1-0.5g/L,NaH2PO41.0-2.0g/L,Na2HPO40.1-0.5g/L,K2HPO41.0-5.0g/L，碳源甘油，甘油浓度为10~40g/L。...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜岷，冀亚亮，马江锋，陈美丽，高有军，
申请(专利权)人：南京工业大学，常茂生物化学工程股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32