Herstellung von Chemikalien durch<em> Klebsiella pneumoniae</em> Bambushydrolysat als Ausgangsmaterial verwenden
Summary
Bambuspulver wurde mit NaOH vorbehandelt und enzymatisch hydrolysiert. Das Hydrolysat von Bambus wurde als Ausgangsmaterial für 2,3-Butandiol, R- Acetoin, 2-Ketogluonsäure und Xylonsäure-Produktion von Klebsiella pneumoniae verwendet .
Abstract
Bambus ist eine wichtige Biomasse, und Bambushydrolysat wird von Klebsiella pneumoniae als Ausgangsmaterial für die chemische Produktion verwendet. Hier wurde Bambuspulver mit NaOH vorbehandelt und auf einen neutralen pH-Wert gewaschen. Cellulase wurde dem vorbehandelten Bambuspulver zugesetzt, um das Hydrolysat zu erzeugen, das 30 g / l Glucose und 15 g / l Xylose enthielt und als Kohlenstoffquelle verwendet wurde, um ein Medium für die chemische Produktion herzustellen. Bei kultivierten mikroaerobischen Bedingungen wurden 12,7 g / l 2,3-Butandiol durch Wildtyp- K. pneumoniae hergestellt . In aeroben Bedingungen wurden 13,0 g / l R- Acetoin durch die budC- Mutante von K. pneumoniae produziert . Eine Mischung aus 25,5 g / l 2-Ketoglorkonsäure und 13,6 g / l Xylonsäure wurde durch die budA- Mutante von K. pneumoniae in einer zweistufigen, pH-kontrollierten Fermentation mit hoher Luftzufuhr hergestellt. In der ersten Stufe der Fermentation wurde die Kultur bei einem neutralen pH-Wert gehalten; Nach Zelle Wachstum, die FermentatioN ging in die zweite Stufe über, in der die Kultur sauer werden durfte.
Introduction
Klebsiella pneumoniae ist ein Bakterium, das unter aeroben und anaeroben Bedingungen gut wächst. K. pneumoniae ist ein wichtiger industrieller Mikroorganismus, der verwendet wird, um viele Chemikalien herzustellen. 1,3-propandiol ist eine wertvolle Chemikalie, die hauptsächlich als Monomer zur Synthese von Polytrimethylenterephthalat verwendet wird. Polytrimethylenterephthalat ist ein biologisch abbaubarer Polyester, der bessere Eigenschaften aufweist als die von 1,2-Propandiol, Butandiol oder Ethylenglykol 1 . 1,3-propandiol wird von K. pneumoniae unter Verwendung von Glycerin als Substrat in sauerstoffbeschränkten Bedingungen hergestellt 2 . 2,3-Butandiol und seine Derivate haben Anwendungen auf dem Gebiet der Kunststoffe, der Lösemittelherstellung und des synthetischen Kautschuks und haben das Potential, als Biokraftstoff verwendet zu werden 3 . Mit Glucose als Substrat ist 2,3-Butandiol der Hauptmetabolit des Wildtyp-Stammes 4 . 2,3-Butandiol ist SyntheseEd von pyruvate Zuerst kondensieren zwei Moleküle Pyruvat, um α-Acetolactat zu ergeben; Diese Reaktion wird durch α-Acetolactatsynthase katalysiert. Α-Acetolactat wird dann durch α-Acetolactat-Decarboxylase in Acetoin umgewandelt. R- Acetoin kann bei der Katalyse von Butandiol-Dehydrogenase weiter zu 2,3-Butandiol reduziert werden. Ein effizientes Gen-Ersatzverfahren, das für K. pneumoniae geeignet ist, wurde untersucht und viele Mutanten wurden 5 , 6 , 7 konstruiert. Eine budC- Mutante, die ihre 2,3-Butandiol-Dehydrogenase-Aktivität verloren hat, akkumuliert ein hohes Maß an Acetoin in Kulturbrühe. Acetoin wird als Additiv verwendet, um den Geschmack der Nahrung zu verbessern 8 . Wenn budA , das für α-Acetolactat-Decarboxylase kodiert, mutiert ist, sammelt sich 2-Ketoglorkonsäure in der Brühe an. 2-Ketoglasonsäure wird für die Synthese von Erythorbinsäure (Isoascorbinsäure), Ein Antioxidans in der Lebensmittelindustrie verwendet 9 . 2-Ketoglasonsäure ist ein Zwischenprodukt des Glucose-Oxidationswegs; In diesem Weg, der sich im periplasmatischen Raum befindet, wird Glukose zu Gluconsäure oxidiert und dann weiter zu 2-Ketogluonsäure oxidiert. Glukonsäure und 2-Ketoglorkonsäure, die im Periplasma produziert werden, können zum weiteren Metabolismus zum Cytoplasma transportiert werden. Die Anhäufung von 2-Ketoglorkonsäure hängt von sauren Bedingungen ab, und eine höhere Luftzufuhr begünstigt die 2-Ketogluconinsäure-Produktion 10 . Gluconat-Dehydrogenase, kodiert durch Gad , Katalysiert die Umwandlung von Gluconsäure in 2-Ketolguconinsäure. Die Gad- Mutante von K. pneumoniae produzierte ein hohes Maß an Glukonsäure anstelle von 2-Ketogluonsäure, und dieser Prozeß hängt auch von sauren Bedingungen ab. Glukonsäure ist eine organische Grundsäure und wird als Additiv zur Erhöhung der Eigenschaften von Zement 1 verwendet1 Glucose-Oxidation zu Gluconsäure wird durch Glucose-Dehydrogenase katalysiert. Xylose ist auch ein geeignetes Substrat der Glukose-Dehydrogenase. Wenn Xylose als Substrat verwendet wird, erzeugt K. pneumoniae Xylonsäure 12 .
Die chemische Produktion mit Biomasse als Rohstoff ist ein heißes Thema in der Biotechnologie 13 . Die Hauptkomponenten der Biomasse sind Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Allerdings können diese makromolekularen Verbindungen nicht direkt von den meisten Mikroorganismen (einschließlich K. pneumoniae ) katabolisiert werden. Cellulose und Hemicellulosen in der Biomasse müssen zu Glucose und Xylose hydrolysiert werden und können dann von Mikroorganismen verwendet werden. Die Anwesenheit von Lignin in Lignocellulosen schafft eine Schutzbarriere, die die Biomasse-Hydrolyse durch Enzyme verhindert. So wird ein Vorbehandlungsprozess, der Lignin und Hemicellulosen entfernt und die Kristallinität von Cellulose reduziert, immer während der Biomasseverwendung durch Mic durchgeführtRoorganismen Es wurden viele Vorbehandlungsmethoden entwickelt: Säure-, Alkali-, Ammoniak- und Dampfvorbehandlungen sind üblich.
Bambus ist reich an tropischen und subtropischen Regionen und ist eine wichtige Biomasse-Ressource. Hier werden die Herstellung von Bambushydrolysat und die chemische Produktion mit Bambushydrolysat vorgestellt
Protocol
Representative Results
Discussion
K. pneumoniae gehört zur Gattung Klebsiella in der Familie Enterobacteriaceae . K. pneumoniae ist weit verbreitet in natürlichen Umgebungen wie Boden, Vegetation und Wasser 14 . Der in dieser Forschung verwendete Wildtyp- K. pneumoniae- Stamm wurde aus dem Boden isoliert und wird für die 1,3-Propandiol-Produktion verwendet 15 . K. pneumoniae und Mutanten dieser Art produzieren viele Chemikalien unter verschiedenen Be…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Nationalen Naturwissenschaftlichen Stiftung von China (Grant Nr. 21576279, 20906076) und dem KRIBB-Forschungsinitiative-Programm (KGM2211531) unterstützt.
Materials
| autoclave | SANYO | 3780 | |
| bioreactor | Sartorius stedim biotech | Bostat Aplus | |
| agitator | IKA | RW 20 | |
| water bath shaker | Zhicheng | ZWY-110X50 | |
| high performance liquid chromatograph system | Shimadzu Corp | 20AVP | |
| centrifuge | Hitachi | CR22G III | |
| Bamboo powder | purchased from Zhejiang Province, China | mesh number, 50 | |
| cellulase | Youtell Biochemical, Shandong, China | 200 PFU/ml |
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