Ado-cbi为“指示信号”耦合发酵维生素B12和丙酸的基础研究

Traditional Propionibacterium sp. fermentation process only could obtain one main product, vitamin B12 or propionic acid. In this project, the metabolic pathways and coupling rule of vitamin B12 and propionic acid were investigated systematically to optimize the Propionibacterium sp. fermentation strategy. In situ product recovery technology with expanded-bed adsorption was used to relieve the feedback inhibition of propionic acid on line, and a dual-fermentation separation system of Propionibacterium sp. was constructed. The operation parameters of ex situ cell transformation process were optimized to improve the vitamin B12 productivity, with Ado-cbi as an indicator signal. At last, the coupling production of vitamin B12 and propionic acid was realized by Propionibacterium sp. semicontinuous fermentation.

传统的Propionibacterium sp.发酵只能收获一种产品，维生素B12或丙酸。为提高发酵效率，本研究从Propionibacterium sp.的代谢途径入手，探讨维生素B12和丙酸的内在耦合规律，基于转录组学和代谢通量分析优化Propionibacterium sp.的发酵调控策略；分析扩张床吸附介质在线分离丙酸的规律及影响因素，构建新型的实时、在线、高效的双产物发酵分离系统；以代谢产物Ado-cbi为“指示信号”，建立维生素B12的细胞离位转化工艺，实现“边分离、边转化、边发酵”的Propionibacterium sp.半连续耦合发酵，为新型发酵-分离耦合技术在现代发酵工业的应用奠定坚实的技术基础。

本项目紧紧围绕 Propionibacterium sp.耦合发酵维生素 B12 和丙酸展开，探讨了维生素 B12 和丙酸双产物联产的耦合规律，构建了新型的实时、在线、 高效的双产物发酵分离系统，实现了Propionibacterium sp. “边分离、边转化、边发酵”的半连续生产。具体包括：（1）为解除丙酸对发酵的反馈抑制作用，筛选出一种大孔型阴离子交换树脂ZGD630，建立了丙酸的扩张床吸附分离工艺，使得丙酸和维生素B12的产量分别达到53 g/L和43mg/L，较传统批次发酵过程分别提高了148 %和18.2%；（2）选育出一株耐酸菌株P-10，并优化了其发酵调控策略，使丙酸产量提高了20.12%，丁二酸产量降低了67.45%，有效控制了发酵液中的杂酸比例，使得能量和物质更多的流向目标产物；（3）以Ado-cbi为信号指标，建立了维生素B12的细胞离位转化工艺，维生素B12的产量为53.9 mg/L，Ado-cbi的转化率达到了78.8 %，实现了发酵废水的二次利用，在此基础上，将膜分离与ISPR技术耦合，引入H型阳离子交换树脂酸化单元，使得ZGD630树脂对丙酸的静态吸附量达到了118.2 mg/g，同时采用“两段式”层析工艺，实现了丙酸、丁二酸的固定床吸附分离；（4）将发酵单元、膜分离、ISPR 技术、离位转化等操作单元进行过程集成，构建了一种高效的维生素B12和丙酸耦合发酵系统，实现了维生素B12和丙酸的半连续发酵生产，为发酵-分离耦合技术在现代发酵工业上的大规模应用奠定了基础。