CN101353632A - 一株丙酮丁醇梭菌及其筛选方法和用途 - Google Patents

一株丙酮丁醇梭菌及其筛选方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物发酵技术领域,具体涉及一株能快速利用淀粉发酵生产生物丁醇的丙酮丁醇梭菌及其筛选方法和用途。本发明公开了一种丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)菌株RAB3226,属于丙酮丁醇梭菌CICC8011的突变株,保藏号为CTCC M207199。本发明通过NTG诱变,淀粉透明圈和丁醇结构类似物双平板筛选,得到的菌株能够快速利用淀粉发酵生产生物丁醇,丁醇比高,解决了传统工艺上以玉米粉为原料废醪COD高的问题,对环境更友好。

Description

一株丙酮丁醇梭菌及其筛选方法和用途
技术领域
本发明涉及生物发酵技术领域,具体涉及一株通过诱变选育得到的丙酮丁醇梭菌,以及该丙酮丁醇梭菌的筛选方法和该丙酮丁醇梭菌在快速利用淀粉发酵生产生物丁醇中的应用。
背景技术
丁醇是重要的化工材料单体。丁醇广泛用于各种塑料和橡胶制品的生产。我国丁醇供需矛盾十分突出,进口量占消费量的50%以上。丁醇作为替代汽油的生物燃料也得到国际上很大的重视。与乙醇相比,丁醇能与汽油以更高的比例混和,更适合在现有的燃料供应和分销系统中使用;生物丁醇的经济性更高,能提高车辆的燃油效率和行驶里程。与石油燃料相比,生物丁醇产生是以可再生资源为原料,而且具有显著的环境效益。
丁醇的生产方法有生物法和化学法。化学法生产丁醇的原材料为石化下游产品丙烯,预计到2010年,中国对丙烯的当量需求将达到1905万吨,供需缺口将达到825万吨。而石油的价格飞涨和资源加速枯竭正在将已经成为世界上第二大石油进口国的中国推向石油经济时代的悬崖边!开发发酵法生产丁醇新技术除其直接经济效益外还可以为开发新的可再生资源提供一条新途径。
近年来,国内对丙酮丁醇发酵的研究很多,主要围绕着菌种诱变、发酵工艺条件优化、溶剂提取等方面进行研究。1995年颜叙秀报道利用紫外诱变丙酮丁醇梭菌提高代谢产物;1999年马光庭等进行了对糖蜜发酵生产丙酮丁醇菌种筛选及对小试发酵条件的选择进行了研究;ZL专利号95111733.5报道了焦瑞身等对高丁醇比丙酮丁醇梭菌进行选育,他们通过化学试剂诱变,利用玉米粉或者高粱,得到总溶剂在20g/L左右,丁醇产量为总溶剂的70%;
2001年,县永平对丙酮丁醇梭菌固定化技术进行了研究;1998年,陈守文等研究了稻草酶法水解液的丙酮丁醇发酵,研究将纤维资源用于丙酮丁醇发酵。国外近年来主要围绕着利用基因工程和采用新发酵工艺来提高菌株的代谢性能和生产效率;比较有代表性的是美国Illinois大学所做的工作。他们用膜渗透汽化与发酵耦联进行ABE发酵的研究、利用gas-stripping和发酵耦联工艺进行ABE发酵的研究。2005年,美国专利US2005/0089979A1报道了利用gas-stripping和连续发酵耦联来生产丙酮丁醇,这些实验一般在1L罐的水平上,而且采用的原料多为葡萄糖,并且丁醇比停留在60-70%之间。同时传统意义上的丙酮丁醇生产以玉米粉为原料进行发酵,造成发酵废醪的COD高,对环境造成了不良影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于开发具有新的性能的丙酮丁醇菌株,它能够快速利用淀粉,溶剂量高,发酵废醪的COD低。
本发明所要解决的技术问题之二在于提供所述丙酮丁醇菌株的筛选方法。
本发明所要解决的技术问题之三在于提供所述丙酮丁醇菌株的用途。
作为本发明第一方面的丙酮丁醇菌株,其特征在于它是丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)菌株RAB3226,属于丙酮丁醇梭菌CICC 8011的突变株,保藏号为CCTCC NO:M207199,保藏日期:2007.12.14,保藏单位:中国典型培养物保藏中心,中国、武汉、武汉大学。
作为本发明第二方面的丙酮丁醇菌株的筛选方法,是以丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)为出发菌株,采取了化学诱变,并利用淀粉平板和丁醇结构类似物平板,进行双平板筛选,得到一株能够利用淀粉快速发酵生产生物丁醇的丙酮丁醇梭菌。
在一实施方案里,本发明所述的丙酮丁醇梭菌为中国工业微生物菌种保藏中心编号CICC 8011的丙酮丁醇梭菌株。
在一实施方式里,本发明所述的筛选方法的具体筛选步骤如下:
a)初筛菌种:保藏的丙酮丁醇菌活化培养,得到生长旺盛、菌形粗壮的菌液;吸取菌液经淀粉平板初筛,挑选出透明圈大和出现时间早的菌株;单菌落接入种子培养基扩大培养,然后在发酵培养基中发酵,筛出总溶剂量高的菌落;
b)NTG诱变:亚硝基胍诱变剂(NTG浓度10-50ug/ml)处理初筛的菌种,10-20min;
c)淀粉平板筛选:吸取NTG处理的菌液经淀粉平板筛选,挑选透明圈大和出现时间早的菌株;
d)高丁醇比菌种的筛选:淀粉平板筛选出的单菌点植于2-丁醇平板,挑选生长旺盛的菌落;
e)试管发酵筛选:将步骤d)筛出的菌落接入种子培养基扩大培养,然后在发酵培养基中试管发酵,挑选满足溶剂量18-23g/L,丁醇比68-80%的两个条件的菌株。
f)稳定性试验:将步骤e)筛出的菌落接入发酵培养基中连续传代32次,传代温度35-40℃;经过32次传代,挑选发酵指标满足18-23g/L,丁醇比68-80%的两个条件的菌株作为目的菌株。
在上述筛选方法中,步骤a)和c)中所述淀粉平板采用下列重量比的原料和步骤制备出:葡萄糖0-2%,糊化淀粉1-6%,牛肉膏0.1-2%,蛋白胨0.01-0.1%,磷酸二氢钾0-0.1%,氯化钠0-0.1%,硫酸亚铁0-0.05%,硫酸钙0-0.5%,琼脂2%,用5%的NaOH调节pH5.5-6.0,原料加热溶解于水,灭菌,制备平板;配置0.01-0.5%的碘溶液,滤膜除菌,在平板上均匀涂布碘溶液,使整个平板培养基呈兰色。
步骤b)中所述NTG浓度优选40ug/ml。
步骤d)中所述2-丁醇平板采用下列重量比的原料和步骤制备出:葡萄糖0-2%,糊化淀粉1-6%,牛肉膏0.1-2%,蛋白胨0.01-0.1%,磷酸二氢钾0-0.1%,氯化钠0-0.1%,硫酸亚铁0-0.05%,硫酸钙0-0.5%,琼脂2%,pH5.5-6.0;原料加热溶解于水,灭菌,培养基尚处于融化态加入无菌的2-丁醇,2-丁醇在培养基中的浓度为1.0-2.5%,混匀后制备平板。
所述种子培养基采用下列重量比的原料制备出:葡萄糖3-7%,牛肉膏0.1-2%,蛋白胨0.01-0.1%,磷酸二氢钾0-0.1%,氯化钠0-0.1%,硫酸亚铁0-0.05%,硫酸钙0-0.5%,pH5.5-6.0。
所述发酵培养基采用下列重量比的原料和步骤制备出:糊化淀粉5-8%,牛肉膏0.1-2%,蛋白胨0.01-0.1%,磷酸二氢钾0-0.1%,氯化钠0-0.1%,硫酸亚铁0-0.05%,硫酸钙0-0.5%,pH5.5-6.0。
作为本发明第三方面的丙酮丁醇菌株的用途,其主要是在生产丁醇中的应用。
本发明通过NTG诱变、淀粉透明圈和丁醇结构类似物双平板筛选,开发具有新的性能的丙酮丁醇生产菌株,它能够快速利用淀粉,溶剂量高,丁醇比高,发酵废醪的COD低,解决了传统工艺上以玉米粉为原料废醪COD高的问题,对环境更友好。
附图说明
图1为本发明丙酮丁醇菌株的筛选方法的流程图。
具体实施方式
本发明对部分术语定义如下
“种子培养基”是供微生物发芽、生长和大量繁殖菌丝体,并使菌体长得粗壮,成为活力强的“种子”。所以种子培养基的营养成分要求比较丰富和完全,氮源和维生素的含量也要高些,但总浓度以略稀薄为好,这样可达到较高的溶解氧,供大量菌体生长繁殖。种子培养基的成分要考虑在微生物代谢过程中能维持稳定的pH,其组成还要根据不同菌种的生理特征而定。一般种子培养基都用营养丰富而完全的天然有机氮源,因为有些氨基酸能刺激孢子发芽。但无机氮源容易利用,有利于菌体迅速生长,所以在种子培养基中常包括有机及无机氮源。最后一级的种子培养基的成分最好能较接近发酵培养基,这样可使种子进入发酵培养基后能迅速适应,快速生长种子培养基要求营养丰富,完整易于吸收,氮源和维生素的含量高一点,常用原料有葡萄糖、糊精、蛋白胨、玉米浆、酵母粉等。
“发酵培养基”是供菌种生长、繁殖和合成产物之用。它既要使种子接种后能迅速生长,达到一定的菌丝浓度,又要使长好的菌体能迅速合成需产物。因此,发酵培养基的组成除有菌体生长所必需的元素和化合物外,还要有产物所需的特定元素、前体和促进剂等。但若因生长和生物合成产物需要的总的碳源、氮源、磷源等的浓度太高,或生长和合成两阶段各需的最佳条件要求不同时,则可考虑培养基用分批补料来加以满足。
以下结合具体实施例,进一步阐明本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件,或按照制造厂商所建议的条件。比例和百分比基于重量,除非特别说明。
培养基的配置:
培养基1:25%磨碎煮熟的马铃薯,0.6%葡萄糖,0.2%碳酸钙,pH自然,1公斤压力灭菌15min。
培养基2:葡萄糖2%,糊化淀粉3%,牛肉膏2%,蛋白胨0.1%,磷酸二氢钾0.03%,氯化钠0.03%,硫酸亚铁0.05%,硫酸钙0.1%,用5%的NaOH调节pH5.5-6.0,琼脂2%,1公斤压力灭菌30min。配置0.1%的碘溶液,用0.2um的无菌滤膜抽滤碘溶液,在培养基2的平板上均匀涂布适量碘溶液,使整个平板培养基呈兰色。
培养基3:葡萄糖3%,牛肉膏2%,蛋白胨0.1%,磷酸二氢钾0.03%,氯化钠0.03%,硫酸亚铁0.05%,硫酸钙0.1%,用5%的NaOH调节pH5.5-6.0,1公斤压力灭菌30min。
培养基4:糊化淀粉6.5%,牛肉膏2%,蛋白胨0.1%,磷酸二氢钾0.03%,氯化钠0.03%,硫酸亚铁0.05%,硫酸钙0.1%,用5%的NaOH调节pH5.5-6.0,1公斤压力灭菌30min。
培养基5:葡萄糖2%,糊化淀粉3%,牛肉膏2%,蛋白胨0.1%,磷酸二氢钾0.03%,氯化钠0.03%,硫酸亚铁0.05%,硫酸钙0.1%,琼脂2%,,用5%的NaOH调节pH5.5-6.0,1公斤压力灭菌30min。将上述培养基平板在融化后加入经过滤膜除菌的2-丁醇(终浓度为1.5%)混匀后冷却至35℃使用。
筛选流程参看图1。
实施例1初筛菌株的确定
将保藏的丙酮丁醇菌(CICC 8011)用培养基1活化40-48h,得到生长旺盛、菌形粗壮的菌液。吸取菌液均匀涂布于培养基2的平板中,倒放于不锈钢器皿中,器皿中加入适量焦性没食子酸,放入35-40℃培养箱静置培养3-5天。平板表面出现单菌后,挑选透明圈大和出现透明圈时间早的单菌落接入培养基3中培养24-30h。然后取扩培的菌液按5-10%的接种量接种于新制备的培养基4培养,培养3-5天,视产气情况和发酵残余总糖作为发酵结束的判定指标。
通过大量的菌种筛选,得到约500株在培养基2平板上生长良好,且透明圈大和出现透明圈快的菌株。在培养基B上进一步筛选,得到2#,32#,16#产溶剂的水平较高,时间较短。
  菌号   发酵时间   总溶剂量   丁醇比
  2#   90h   10g/L   64%
  16#   80h   13.2g/L   65%
  32#   82h   13.6g/L   67%
本发明选择32#菌株作为NTG诱变的出发菌株。
实施例2:NTG诱变
将初筛的菌种接入培养基3中培养24-30h。然后取扩培的菌液按5-10%的接种量接种于新制备的培养基3培养24-30h。
取上述经过单菌分离扩培两次的菌液20ml,5000rpm离心10分钟,离心温度2-4℃,倾去上清液,加入5ml磷酸盐缓冲液洗涤菌体,倒入装有5ml亚硝基胍诱变剂(NTG浓度10-50ug/ml)试管中,恒温水浴振荡器20rpm振荡20min,然后将该试管液体用5000rpm离心3分钟,离心温度2-4℃,倾去上清液体用磷酸盐缓冲液洗涤三次。
  20ug/ml   30ug/ml   40ug/ml   50ug/ml
 初始菌落数   1.1×109   1.1×109   1.1×109   1.1×109
 NTG诱变后成活数   4.73×107   2.53×107   5.5×106   0
 致死率   95.7%   97.7%   99.5%   100%
选择NTG的诱变剂量40ug/ml。
实施例3:试管复筛
淀粉平板筛选
吸取NTG处理并洗涤后的菌液按照10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8的稀释倍数分别均匀涂布于培养基2的平板中,倒放于不锈钢器皿中,器皿中加入适量焦性没食子酸,放入35-40℃培养箱静置培养3-5天,每天定期观察。经过NTG诱变后,得到大约40株左右的菌株,它们在培养基2平板上出现透明圈的时间早,而且透明圈大。
高丁醇比菌种的筛选:
用牙签挑选菌周围出现透明圈时间快和透明圈大的菌落,点植于加入含有1.0-2.5%的2-丁醇的培养基5平板中。放入35-40℃培养箱静置培养3-5天,每天定期观察。
试管发酵筛选:
挑选在培养基5平板上菌落大,生长旺盛的菌落,用接种铲接入培养基3中扩大培养24-30h,然后取扩培的菌液按5-10%的接种量接种于新制备的培养基4培养,视产气情况和发酵残余总糖作为发酵结束的判定指标。RAB3218,RAB3240各项发酵指标符合要求。
  菌号   发酵时间   总溶剂量   丁醇比
  RAB3218   40h   21.5g/L   71.5%
  RAB3226   44h   21.7g/L   72.3%
  RAB3240   46h   20.8g/L   74.2%
实施例4:传代稳定性实验
将RAB3226,RAB3218,RAB3240分别接种于培养基4,每24h传代一次,连续传代32次,验证该3株菌的稳定性。
  菌号   传代次数   发酵时间   总溶剂量   丁醇比
  RAB3218   15   48h   16.5g/L   70.8%
  RAB3226   32   44h   22.0g/L   72.5%
  RAB3240   10   47h   15.8g/L   73.2%
经过32次传代实验RAB3226均能保持良好的发酵性能;RAB3218在传代15次后,发酵性能出现下降;RAB3240在传代10次后发酵性能出现下降。
实施例5:筛选菌株和出发菌株的发酵性能比较
出发菌株32#分别接种于培养基4和8%玉米粉培养基,RAB3226接种于培养基4,35-40℃培养,结果见下表。
  菌号  培养基   发酵时间   总溶剂量   丁醇比   COD
  32#  培养基4   80h   13.5g/L   64.3%   ND
  32#  8%玉米粉   60h   20.0g/L   60.3%   30000ug/ml
  RAB3226  培养基4   42h   21.4g/L   72.2%   15000ug/ml
本发明的范围不受所述具体实施方案的限制,所述实施方案只欲作为阐明本发明各个方面的单个例子,本发明范围内还包括功能等同的方法和组分。实际上,除了本文所述的内容外,本领域技术人员参照上文的描述和附图可以容易地掌握对本发明的多种改进。所述改进也落入所附权利要求书的范围之内。上文提及的每篇参考文献皆全文列入本文作为参考。

Claims (10)

1、丙酮丁醇菌株,其特征在于它是丙酮丁醇梭菌菌株RAB3226,保藏号为CTCC M207199。
2、一种权利要求1所述的丙酮丁醇菌株的筛选方法,其特征是以丙酮丁醇梭菌为出发菌株,采取化学诱变,并利用淀粉平板和丁醇结构类似物平板,进行双平板筛选,得到能够利用淀粉快速发酵生产生物丁醇的丙酮丁醇梭菌。
3、根据权利要求2所述的筛选方法,其特征在于所述丙酮丁醇梭菌株为中国工业微生物菌种保藏中心编号CICC 8011的丙酮丁醇梭菌。
4、根据权利要求2所述的筛选方法,其特征在于,具体的筛选步骤如下:
a)初筛菌种:保藏的丙酮丁醇菌活化培养,得到生长旺盛、菌形粗壮的菌液;吸取菌液经淀粉平板初筛,挑选出透明圈大和出现时间早的菌落;单菌落接入种子培养基扩大培养,然后在发酵培养基中发酵,筛出总溶剂量高的菌落;
b)NTG诱变:10-50ug/ml亚硝基胍诱变处理初筛的菌种,10-20min;
c)淀粉平板筛选:吸取NTG处理的菌液经淀粉平板筛选,挑选透明圈大和出现时间早的菌落;
d)高丁醇比菌种的筛选:淀粉平板筛选出的单菌点植于2-丁醇平板,挑选生长旺盛的菌落;
e)试管发酵筛选:将步骤d)筛出的菌落接入种子培养基扩大培养,然后在发酵培养基中试管发酵,挑选满足溶剂量18-23g/L、丁醇比68-80%的两个条件的菌落;
f)稳定性试验:将步骤e)筛出的菌落接入发酵培养基中连续传代32次,传代温度35-40℃;经过32次传代,挑选发酵指标满足18-23g/L、丁醇比68-80%的两个条件的菌株作为目的菌株。
5、根据权利要求4所述的筛选方法,其特征在于,步骤a)和c)中所述淀粉平板采用下列重量比的原料和步骤制备出:葡萄糖0-2%,糊化淀粉1-6%,牛肉膏0.1-2%,蛋白胨0.01-0.1%,磷酸二氢钾0-0.1%,氯化钠0-0.1%,硫酸亚铁0-0.05%,硫酸钙0-0.5%,琼脂2%,pH5.5-6.0,原料加热溶解于水,灭菌,制备平板;配置0.01-0.5%的碘溶液,滤膜除菌,在平板上均匀涂布碘溶液,使整个平板培养基呈兰色。
6、根据权利要求4所述的筛选方法,其特征在于,步骤b)中所述NTG浓度为40ug/ml。
7、根据权利要求4所述的筛选方法,其特征在于,步骤d)中所述2-丁醇平板采用下列重量比的原料和步骤制备出:葡萄糖0-2%,糊化淀粉1-6%,牛肉膏0.1-2%,蛋白胨0.01-0.1%,磷酸二氢钾0-0.1%,氯化钠0-0.1%,硫酸亚铁0-0.05%,硫酸钙0-0.5%,琼脂2%,用5-40%的NaOH调节pH5.5-6.0,原料加热溶解于水,1公斤压力灭菌30min,培养基尚处于融化态加入无菌的2-丁醇,2-丁醇在培养基中的浓度为1.0-2.5%,混匀后倒板冷却使用。
8、根据权利要求4所述的筛选方法,其特征在于,所述种子培养基采用下列重量比的原料制备出:葡萄糖3-7%,牛肉膏0.1-2%,蛋白胨0.01-0.1%,磷酸二氢钾0-0.1%,氯化钠0-0.1%,硫酸亚铁0-0.05%,硫酸钙0-0.5%,pH5.5-6.0。
9、根据权利要求4所述的筛选方法,其特征在于,所述发酵培养基采用下列重量比的原料制备出:糊化淀粉5-8%,牛肉膏0.1-2%,蛋白胨0.01-0.1%,磷酸二氢钾0-0.1%,氯化钠0-0.1%,硫酸亚铁0-0.05%,硫酸钙0-0.5%,用pH5.5-6.0。
10、一种权利要求1所述的丙酮丁醇菌株在生产丁醇中的应用。
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