发酵法生产1,3-丙二醇的研究进展

李晓姝，张霖，高大成，师文静，樊亚超

（中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺113001）

发酵法生产1,3-丙二醇的研究进展

李晓姝，张霖，高大成，师文静，樊亚超

（中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺113001）

1,3-丙二醇是一种重要的化合物，近年来由于其用途的不断拓宽而越来越受到广泛重视。生物合成法生产1,3-丙二醇具有绿色高效、使用可再生能源等特点，是目前最具前景的生产方式。本文从发酵菌种、发酵工艺、发酵过程优化和精制提纯几个方面对发酵法生产1,3-丙二醇的研究现状进行了介绍。提出为使生物法生产1,3-丙二醇在成本上与化学法相比更具优势，在提高产量的同时应该引入新技术、新手段对发酵过程进行强化，使得过程更加精准且易于控制；同时指出综合考虑经济性与能耗问题，对发酵与分离的全过程进行整合，是今后发酵法生产1,3-丙二醇实现产业化的研究重点。

1,3-丙二醇；发酵；生物转化；甘油

1,3-丙二醇（1,3-PD）是一种重要且用途广泛的化工原料，其与对苯二甲酸聚合合成的聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT），是一种性质优良的聚酯材料。目前1,3-PD的合成方法主要有化学合成法和微生物发酵法两种。化学合成法的工艺条件较为苛刻，反应的选择性差，副产物较多，且产品精制难度大，高品质1,3-PD产品提纯困难。这些都严重限制了化学法合成1,3-PD的进一步应用[1-2]。微生物发酵法制备1,3-PD有着反应条件温和、环境友好无污染的优点。2014年1,3-PD全球市场容量为3.1亿美元，预计到2021年达到6.2亿美元，平均年复合增长率为10.4%。下游产品中合成PTT是1,3-PD最主要的应用，占据了接近市场90%的份额[3-4]。随着1,3-PD的应用范围不断拓宽，国内外市场的需求不断增大。因此，寻找低成本、低能耗、高转化率的1,3-PD生产方法，将具有良好的社会效益和经济效益。本文就1,3-PD的应用、发酵菌种、发酵方式、发酵过程优化和精制提纯几个方面进行了综述。

1 1,3-PD的应用

1,3-PD是一种无色、无味的黏稠液体，可溶于水、醇、醚等多种溶剂。1,3-PD本身作为一种特殊的化合物可以用作保护剂、溶剂、抗冻剂。作为化工原料，在食品领域可以作为调味剂、增稠剂、吸湿剂等[5-6]，也可以用于化妆品、树脂、黏合剂、洗涤剂等产品的合成。1,3-PD是一种有机合成的重要中间物质，被广泛应用于各种药品、杀虫剂、芳香剂等[7-8]；参与聚合反应时1,3-PD能表现出优异的性能，但1,3-PD的高制备成本和下游市场开发一度是限制其应用的两个主要因素。随着1,3-PD作为聚酯单体的商业化应用，尤其是聚酯材料PTT的广泛需求，1,3-PD开始展现出广阔的应用领域和巨大的商业价值。PTT作为一种新型聚酯，用途十分广泛，可以作为热塑性工程塑料、薄膜和涂料[9]。此外，其最主要的用途是用来生产毛毯和纺织品纤维，这种纤维因其回弹性好、染色牢固、抗着色污染性能好、抗静电以及良好的生物降解性而越来越受到广泛关注。

2 发酵法生产1,3-PD的研究进展

2.1 发酵菌种

1,3-丙二醇的生产菌种来源主要包括自然界分离的野生菌及基因工程构建菌。其中对于野生菌种的研究主要是利用物理化学手段对菌种进行诱变和筛选，基因工程菌的构建主要是利用基因工程手段对野生菌或本身不能进行甘油和1,3-PD代谢生产的其他菌种进行改造。

2.1.1 甘油转化生产1,3-丙二醇的代谢途径

甘油转化生产1,3-PD是通过氧化和还原两个途径进行的[10-11]。氧化途径的主要步骤：首先通过甘油脱氢酶将甘油氧化为2-羟基丙酮（DHA）；之后，DHA在2-羟基丙酮激酶作用下生成磷酸二羟丙酮（DHAP）；DHAP进一步被氧化生成丙酮酸，丙酮酸进而再代谢生成乙酸、乳酸等副产物，丙酮酸代谢过程同时产生ATP和NADH，一方面为细胞的生长代谢提供能量，另一方面为还原途径中产物1,3-PD的合成提供足够的还原力。还原途径有2步酶反应：①甘油脱水酶将甘油转化成3-羟基丙醛（3-HPA）；②由1,3-丙二醇氧化还原酶将3-HPA还原生成1,3-PD，该过程需要消耗NADH。

甘油转化1,3-PD过程的关键酶主要有：甘油脱水酶（GDHt）、甘油脱氢酶（GDH）、1,3-PD氧化还原酶、2-羟基基丙酮激酶（DHAK）和丙酮酸脱氢酶系（PDH）等[12]。其中甘油脱水酶是还原途径的限速酶，需要在VB12的辅助下才能进行有效催化。

2.1.2 菌种的筛选与驯化

已知自然界生产1,3-PD的菌种中，丁酸梭菌的甘油脱水酶可以不依赖于辅酶VB12，而克雷伯氏菌具有较高的底物甘油耐受力和产物转化率，是受到较多关注的两种菌[13]。王扬等[14]以克雷伯氏菌为出发菌，利用紫外诱变及亚硝基胍和超声协同处理获得1,3-PD高产突变株，发酵产量提高了38.64%。文献[15]报道利用大气压介质阻挡放电等离子体对克雷伯氏菌进行诱变，并对诱变菌进行驯化，获得的突变株间歇发酵产量比野生菌提高43%。朱晓丽等[16]也作了类似研究，在使用LiCl与大气压介质阻挡放电等离子体复合诱变后，突变株的l,3-PD产量和摩尔转化率为70.2g/L和57.6%，比出发菌分别提高24.9%和17.7%。突变株对粗甘油耐受良好，利用粗甘油发酵产1,3-PD水平与原始菌株利用精甘油发酵的水平相当。ZHOU等[17]从海洋中分离出一株克雷伯氏菌，该菌株发酵产1,3-PD终浓度可达80.08g/L，且具有良好的耐盐、耐有机酸特性。REIMANN等[18]利用亚硝基胍对丁酸梭菌进行诱变，再经耐高渗与质子自杀手段对获得的突变株进行筛选，补料批式发酵结果表明产物1,3-PD终浓度达70g/L，生产强度1.4g/L/h，大大缩短了发酵时间。采用物理化学手段对自然菌进行诱变筛选是传统且较为成熟的育种手段，其优点是技术相对成熟，菌种的遗传稳定性较好，但对于改造目标的定向性较差。

2.1.3 菌种的基因工程改造

由于甘油转化1,3-PD转化率的限制（理论上转化率最高为72%），发酵生产1,3-PD的成本受到一定影响。为了提高生物转化过程的经济性，获得在转化率、产物量、生产强度等方面更具优势的菌种，科学家们开始对现代基因技术聚焦。早期基因工程菌的构建常选用以大肠杆菌为代表的结构较为简单的微生物作为表达宿主。随着研究的深入和基因构建技术的不断发展，直接利用1,3-PD生产菌种作为表达宿主，对其代谢途径进行改造的路线渐受关注，从而将传统育种方式与先进基因工程技术相结合。陈利飞等[19]通过敲除克雷伯氏菌产乳酸代谢途径中的关键酶乳酸脱氢酶基因（1dhA），使获得的基因工程菌株副产物乳酸产量由原来的10.16g/L降为0.49g/L，而1,3-PD的产量和甘油转化率提高到85.76g/L和65.97%，分别提高了8.79%和5.33%。副产物积累量的降低不仅提高了碳源的转化效率，对下游分离的成本降低也有一定贡献。刘陈才等[20]发现过表达某些生长基因时克雷伯氏菌的生物量、甘油转化率和1,3-PD产量有所提高，表明刺激菌体生长与提高目标产物的积累成正相关。付晓萌等[21]将大肠杆菌中的木糖异构酶基因引入克雷伯氏菌中，利用重组菌发酵的1,3-PD产量比出发菌株提高了20%。木糖异构酶基因的表达提高了细胞内还原力NADH，从而促进了产物的生成。

2,3-丁二醇是1,3-PD发酵过程一种主要副产物，由于与产物的沸点接近，增加了下游分离的难度，因此对高纯1,3-PD的获得造成一定困难。乙酰乳酸合酶缺陷的克雷伯氏菌突变株由于在甘油代谢中存在缺陷无法生产1,3-丙二醇或2,3-丁二醇[22]。LEE等[23]将Zymomonas mobilis的丙酮酸脱羧酶（pdc）和醛脱氢酶（aldB）基因引入乙酰乳酸合酶缺陷的克雷伯氏菌突变株中，异源表达pdc和aldB有效地恢复了突变株的甘油代谢，发现该菌株的甘油代谢受中间代谢物丙酮酸的影响，通过将丙酮酸转化为乙醇，实现了2,3-丁二醇的产量最小化，同时强化了1,3-PD的生产。2,3-丁二醇的发酵转化是由乙偶姻还原酶（AR）催化完成的，WU等[24]通过在K. pneumoniaeCF中插入甲酸脱氢酶基因使得AR产生了失活变异。AR的失活和甲酸脱氢酶的表达降低了2,3-丁二醇的生成，同时提高了1,3-PD的产量。摇瓶发酵结果表明，甘油到1,3-PD的转化率达到0. 74mol/mol，高于理论值。5L批式发酵的产物终浓度和转化率分别为72.2g/L和0. 569mol/mol，2,3-丁二醇和甲酸浓度分别降低了52.2%和73. 4%。

为了从原料价格上进一步提升生物法生产1,3-PD的竞争力，有研究者将目标转向廉价的碳源，如葡萄糖。LIANG等[25]通过将酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae中的3-磷酸甘油脱氢酶（gpd1）和3-磷酸甘油磷酸化酶（gpp2）基因引入大肠杆菌（E. coli），同时表达来自克雷伯氏菌的dha操纵子，构建了一株可以直接利用葡萄糖生产1,3-丙二醇的大肠杆菌工程菌，该菌株发酵的中间代谢物积累量小，副产物浓度较低。饶志明等[26]将获得的来源于克雷伯氏菌的甘油脱水酶基因dhaB和来源于大肠杆菌的1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶基因yqhD，分别与载体PGAPZB连接，构建了重组质粒PGAPZB-dhaB和PGAPZB-yqhD，同时构建载体pYX212-zeocin；并进一步构建了酿酒酵母的游离型表达载体YX212-zeocin-pGAP-yqhD-pGAP-dhaB，首次成功实现基因yqhD和dhaB串联后在酿酒酵母中表达。美国DuPont公司和Genencor公司开发构建了以大肠杆菌为宿主的基因工程菌，可以发酵葡萄糖转化为高浓度的1,3-PD[27]，但1,3-PD生产成本较高的问题却仍难以解决。1,3-PD的高浓度生产取决于菌种对底物和产物的耐受力，取决于副产物量的降低和转化率的提高，取决于发酵过程的还原力与代谢流的整体平衡。因此，高产菌种的获得需要多种手段的系统改造和多种技术的高效集成。

2.2 发酵方式

微生物生产过程中，不同的发酵方式和条件，对菌种的代谢流以及遗传进化会有一定的定向诱导作用，其所需要的设备形式、能耗物耗、控制条件也有较大差异。目前，1,3-PD生产的发酵方式主要有批次发酵、连续发酵、固定化和混合菌发酵等，下面对这几种发酵方式的研究进展进行介绍。

2.2.1 批次发酵

批次发酵的优点是对营养物的利用效率较高，产物浓度高，工艺操作简单，但生产效率相对较低。因此，为提高1,3-PD生产强度，进一步提高产量，可以采用补料批式发酵方式。薛学东等[28]通过甘油的流加来控制菌体比生长速率，发现菌体比生长速率控制较高时，甘油的比消耗速率随之提高，同时可减少副产物的生成。WILKENS等[29]利用丁酸梭菌（Clostridium butyricumAKR102a）在1L和200L规模分别进行了补料批式发酵生产1,3-PD。1L发酵使用精甘油为原料，产物浓度和生产强度分别在93.9g/L和3.3g/L/h，1L发酵采用粗甘油为原料，产物浓度和生产强度分别在76.2g/L和2.3g/L/h，利用粗甘油200L规模发酵时，产物浓度和生产强度分别在61.5g/L和2.1g/L/h。这是因为粗甘油原料中的脂肪酸、重金属离子以及盐类等杂质的存在对细胞的生长有一定抑制和毒害作用。另有文献[30]报道在非无菌条件下，利用粗甘油为原料脉冲式补料批式发酵生产1,3-PD，发酵87h产物终浓度可达到67.9g/L。

2.2.2 连续发酵

连续发酵是指物料以一定速度流入和流出发酵罐，使得罐内各物质浓度达到动态平衡的稳定的发酵方式。相对于批次发酵，连续发酵无需频繁灭菌、配料、清洗及种子培养等，因此可以节省大量的辅助操作时间。连续发酵最重要的操作参数是稀释率（D）。一定条件下，随着D的增加，产物浓度降低，同时生产强度增大。

贺璐等[31]对1,3-PD发酵进行了多级连续发酵考察，采用单级连续发酵，二级连续发酵和三级连续发酵时，产物1,3-PD的浓度分别为37.08g/L，68.11g/L和67.73g/L。其中二级连续发酵的1,3-PD生产强度是1.89g·(L·h)–1，认为二级连续发酵是较优的方式。有文献[32]报道采用丁酸梭菌VPI 3266连续发酵生产1,3-PD，产物的生产强度最高达到了10.3g·(L·h)–1。丁酸梭菌合成1,3-PD的过程中甘油脱水酶不依赖价格昂贵的辅酶VB12，从生产的经济性考虑，可以显著降低1,3-PD的生产成本。通常消除产物抑制的途径是把产物从发酵液中移除，连续发酵可以有效解决产物抑制问题，故生产强度较高，但由于高补料及发酵液移出率，产物浓度较低，后续分离提取负荷较大。连续发酵中细胞可以悬浮于发酵液中，也可以固定于反应器中。

2.2.3 固定化发酵

细胞固定化是在酶固定化的基础上发展起来的一项技术。固定化细胞发酵可以重复利用细胞，在高细胞浓度下连续进行发酵，且发酵过程中细胞不受剪切效应的影响，单位容积下能够获得高产率（生产强度高），同时发酵液中菌体含量少，有利于产品的分离纯化。但固定化发酵过程中，载体亦会存在扩散限制作用，即载体形成的孔隙大小一定程度上会影响底物的通透性。

文献[33]以粗甘油为原料，固定化发酵生产1,3-PD，采用了3种不同的固定材料，即不锈钢丝、玻璃拉西环和陶瓷泡沫过滤材料，发现以不锈钢丝作为固定材料时，1,3-PD的生产强度最高，达到了4.8g/L/h，以玻璃拉西环作为固定材料时产物浓度最高，达到了17.9g/L。杨博等[34]采用生物膜固定化发酵法生产1,3-PD，在发酵罐外连通填充有纤维载体的生物膜反应器，利用克雷伯氏菌细胞自身形成的生物膜固定于纤维床反应器中，取得了较好的发酵效果。GONEN等[35]利用拜氏梭菌，以粗甘油为原料发酵生产1,3-PD，分别采取固定化和悬浮混合两种连续发酵方式，固定化发酵使用玻璃材料作为固定材料。研究结果表明前者的生产强度和操作稳定性均高于后者。GUNGORMUSLER等[36]也得到了类似结论，认为相对于悬浮发酵，固定化发酵的稳定性和生产强度更高，且需要的反应器体积更小，减小了反应器的投资成本，同时发现停留时间是影响反应器性能的重要参数。

2.2.4 混合菌发酵

混合菌种发酵指发酵菌种中包含两种或多种微生物的发酵过程。目前生产1,3-PD的混合发酵常以葡萄糖为底物，先用一种可利用葡萄糖的微生物（如酵母菌、肠道细菌等）将葡萄糖转化为甘油，再供另一种可将甘油转化为1,3-PD的微生物利用转化为终产品。

这种混合菌发酵实际上是两步发酵制备1,3-PD。郭玲等[37]以葡萄糖为底物，利用基因构建大肠杆菌和克雷伯氏菌共发酵生产1,3-PD，发酵结果表明，在30L发酵罐中发酵68h，1,3-PD终浓度为24.09g/L，认为混合菌发酵中不同阶段条件的要求不同造成了发酵工艺难度较大。PACHAPUR等[38]利用E. aerogenesNRRL B-407和C. butyricumNRRL B-41122两种微生物混合发酵，以生物柴油副产物粗甘油为底物生产1,3-PD和H2。以氢气作为另一目标产物，一定程度上提高了该过程的经济性，另外，氢气易于从体系中分离，不需要额外的纯化工序。该研究显示了通过生产1,3-PD，整合生物柴油产品及提高生物柴油产业经济性的可行性。有机酸是甘油发酵生产1,3-PD的典型副产物，这些副产物对菌体的生长和产物的合成均存在抑制作用。文献[39]报道了利用混合菌C. butyricum和M. mazei发酵，C. butyricum发酵甘油生产1,3-PD时产生的70%以上的有机酸类副产物可以被M. mazei利用而产生甲烷。研究结果表明，使M. mazei的代谢途径最大化倾向甲烷生成且控制避免其过多的菌体量生长是有利于从体系中移除具有毒害作用的有机酸的最佳培养条件。

2.3 发酵过程优化

工业微生物发酵过程中，对于一定的菌种和发酵形式来说，发酵过程的控制条件也是至关重要的，适宜的发酵条件可以使得菌种自身的特性得到最大限度的发挥。为了探索最优化的控制条件，近年来学者们针对发酵动力学、底物浓度控制、适宜pH、中和剂的选择以及新技术在1,3-PD生产中的应用等方面进行了研究，其中间歇发酵过程的优化控制研究较多。

郑宗明等[40]通过考察pH对克雷伯氏菌关键酶酶活的影响，发现偏酸性的发酵条件和对数期维持一定的底物浓度可以促进1,3-PD的合成。董晓宇等[41]通过大气压介质阻挡放电等离子体预处理克雷伯氏菌接种体后摇瓶发酵，结果表明，等离子体处理4min组在6%甘油发酵中1,3-PD产量最大，达到17.2g/L。等离子体诱变使菌体细胞膜通透性增强；同时改变了关键代谢酶的酶活，因此菌体合成产物的能力得到强化。但是甘油代谢生产1,3-PD过程中三种关键酶比活性增加程度不同，表明等离子体对每种酶在基因水平或蛋白水平诱导效应是不同的，还需要今后进一步研究。WOJTUSIK等[42]以克雷伯氏菌Klebsiella oxytocaNRRL-B199发酵甘油产1,3-PD，发现甘油和磷酸盐浓度对生物量和产物量的影响较大，其他因素，如镁离子含量和K : Na对于生物量和产物浓度影响较小；同时发现在发酵过程中，采用变化的搅拌速率（从50～100r/min）和37℃恒定温度条件下，甘油转化率和1,3-PD产量均有所增加。宋志远等[43]通过对1,3-PD发酵动力学的分析，建立了底物流加量与生物量和碱液消耗量间的函数关系，实现发酵过程中底物浓度的精确控制。黄金海等[44]根据建立的发酵动力学模型，将甘油流加速率与碱液流加速率和发酵时间相耦联，提出了甘油的自动流加策略并搭建了自动流加装置。文献[45]报道了丁酸梭菌Clostridium butyricumVPI 1718利用菜籽粉水解物作为培养基中的营养物质转化粗甘油生产1,3-PD，产物终浓度可达65.5 g/L，平均生产强度1.15g·(L·h)–1，近似等于以酵母膏为培养基组分时生产强度的2倍。菜籽粉水解物富含氨基酸、肽类以及多种微量营养素，是一种更加经济的培养基营养物，为降低发酵生产1,3-PD的成本提供了又一思路。

3 1,3-丙二醇的精制提纯

3. 1 发酵液性质与预处理

1,3-PD发酵液体系中主要包括产物1,3-PD、有机酸、甘油、微生物菌体、无机盐、蛋白质、水及其他中间代谢产物等，是一个复杂的混合体系。由于国内外发酵生产1,3-PD的菌种及工艺不同，发酵液的性质、副产物的种类和浓度会有一定的差别。终止发酵液通常需要采用絮凝、过滤、离心等手段对发酵液进行预处理，将其中的微生物菌体、蛋白、核酸等大分子杂质除去，得到澄清发酵液，以使后续的提纯过程能够顺利进行。

3.2 发酵液脱盐、除杂

1,3-PD分子中含有两个羟基，亲水性较乙醇更强，同时1,3-PD的沸点高、黏度较大。在前期的提取工艺中很难将其与水分开，因此应尽量将发酵液中的杂质去除，得到体系组成较为简单的发酵液。脱盐过程去除的杂质主要是发酵液中的有机盐和无机盐。1,3-PD发酵液脱盐方法主要有电渗析法、离子交换法、有机溶剂萃取法、双水相萃取法和盐析法等。

电渗析法[46]是一种特殊的膜分离操作，在直流电场作用下，溶液中的离子选择性地通过离子交换膜，所使用的膜只允许一种电荷的离子通过而将另一种电荷的离子截留。郝健等[47]采用电渗析法对1,3-丙二醇发酵液进行脱盐，发现1,3-PD损失与脱盐所耗时间近似呈线性关系，耗时越长1,3-PD损失越多，因此在电渗析操作中应选用较高操作电压以保持较短的耗时减少产物损失；同时发现絮凝处理可使发酵液中的蛋白质含量明显减少，减轻膜的污染，从而提高脱盐效率，当离子交换膜连续重复使用15批次后性能下降明显需要进行清洗。文献[48]报道了1,3-PD发酵液电渗析法脱盐中试试验，结果表明流速越大产品1,3-PD的损失率也越大，在试验范围内选择小流速（0.617cm/s）比较理想，在此流速下产品损失率小于5%。电渗析法可以有效脱除发酵液中的盐分，过程中不使用酸碱和溶剂等，具有环境友好的特点，但发酵液除盐过程中存在膜污染严重的问题，膜的清洗、维护和更换频繁，增加了操作成本。

离子交换法[49]是应用离子交换剂与不同离子间结合力不同的原理将盐分从发酵液中脱除的。侯志强等[50]分别采用6种阳离子交换树脂和3种阴离子交换树脂处理1,3-丙二醇发酵液，结果表明，阳离子交换树脂中的D001-cc对发酵液的处理效果最好，电导率能降到2250μS/cm，3种阴离子交换树脂中，D301R的去盐效果最好。王领民等[51]利用离子交换耦联电渗析工艺进行了1,3-PD发酵液脱盐的中试试验，结果表明耦联后的两步脱盐工艺可以使产物损失率由单纯使用电渗析法脱盐时的11.41%，降低到5.88%，提高了生产效率。离子交换法的脱盐效果较为理想，但树脂再生时会产生大量酸碱废液，对废水处理造成较大负荷。生产中可以考虑设计使用连续离子交换，降低废水排放及酸碱的消耗量。

有机溶剂萃取法是利用醇、酮类等有机溶剂对菌体、蛋白和盐类等的沉淀析出作用进行分离的。徐育烨等[52]将1,3-PD发酵液离心或过滤得到清液，对清液进行蒸发浓缩得到母液，按一定体积比在母液中加入C1～C4醇或C3～C5酮，降温搅拌至一定温度时加入晶种，伴随温度降低，较大地增加了蛋白和盐的析出量。有机溶剂萃取法在一定程度上简化工艺流程，但还存在脱盐效果有限和后续的溶剂分离回用问题。

双水相萃取法是向发酵液中加入一定量的高聚物与无机盐或有机溶剂与无机盐，使发酵液形成不互溶的两相，利用1,3-PD与盐类等杂质分别进入不同相中而实现分离。修志龙等[53]在1,3-PD发酵液中直接加入可溶性无机盐以及亲水有机物（醇类或酮类）形成双水相，从而达到萃取发酵液中1,3-PD的作用，免去了菌体分离步骤，双水相体系对1,3-PD有较好的萃取效果，1,3-PD回收率大于86%。双水相萃取的过程中，由于影响萃取分配的因素众多且作用复杂，杂质的分离并不完全，对终产品的纯度会有一定影响。

盐析法主要是利用在高浓度中性盐存在下，固体溶质在水中的溶解度降低产生沉淀而进行分离。修志龙等[54]首先将1,3-PD发酵液用过滤、离心等手段将菌体除去，然后将清液蒸馏浓缩，再加入不同饱和度的硫酸铵，使溶液的离子强度增加，除去沉淀物后，再对清液进行浓缩，进一步将浓缩液中蛋白、多糖、核酸及部分有机盐和无机盐沉淀析出，最后进行精馏提纯，可获得纯度95%以上的1,3-PD产品。盐析法对于蛋白质、多糖、多肽等生物大分子的沉淀效果较好，但对于发酵液中的某些盐分的脱除效果并不理想。

3.3 1,3-PD的精制

经过前期一系列处理过程，1,3-丙二醇发酵液中通常还含有水、甘油、其他醇类（如2,3-丁二醇）等。同时由于发酵所使用的原料（例如生物柴油副产物粗甘油）在其制备过程中会伴有少量副产物，这些副产物随原料一同引入发酵过程中，含量虽少但组分复杂且难以去除，这无疑增加了高品质1,3-PD产品提纯的难度。

一般除盐后的发酵液可以先经过脱水浓缩后再进行精制，常用的1,3-PD精制方法有精馏法和萃取法等。精馏是化工分离操作中广泛使用的提纯工艺，可以利用料液中各组分沸点不同而实现分离。杜邦公司[55]将离子交换处理后的1,3-丙二醇发酵液进行4柱蒸馏，第1蒸馏柱除去多余的水，第2蒸馏柱中除去重杂质、大部分甘油和残糖，再对柱顶馏分进行加氢处理以改善1,3-PD的颜色（主要是脱除缩醛和其他羰基化合物、过氧化物等发色基团），减少硫含量，从而提高1,3-PD在各种应用中的性能，第3蒸馏柱进一步除去料液在1号柱中未除尽的杂质及2号柱加氢反应的副产物等轻杂质，4号柱除去剩余的重杂质，最终获得高纯度的1,3-PD产品。精馏操作具有料液处理量大，产品纯度高的特点；但同时也存在能耗大、产品收率不高等问题。

萃取法主要包括溶剂萃取、超临界萃取和络合萃取等。有专利[56]报道了采用己醇、磷酸三丁酯、油酸、大豆油等溶剂萃取发酵液中的1,3-PD，由于产物1,3-PD在有机相中的分配系数较低，过程中需要采取多级萃取的方式。文献[57]报道了在表面活性剂存在下利用超临界二氧化碳萃取发酵清液中的1,3-PD，通过表面活性剂的增溶作用，可以将极性的1,3-PD溶解而形成微乳或反胶团，很好地分散在非极性的超临界二氧化碳中，再通过膜分离将产物分离出来，1,3-PD的截留率大于95%。方云进等[58]选取脂肪醇为萃取剂，烃类物质为稀释剂，组成复合萃取剂直接对1,3-PD发酵液进行接触萃取，1,3-PD的萃取率大于93%，再经过产品精馏，1,3-PD产品纯度达99.5%以上。萃取过程常与精馏操作联用以获得更高的产物纯度并回收萃取剂，通常萃取剂回收过程的能耗也较大。

4 结论与展望

发酵法生产1,3-PD因其反应条件温和、环境友好而成为目前公认的最具前景的生产方式，随着1,3-PD下游产品应用范围的不断拓广，1,3-PD的市场容量迅速扩大。近年来国内外通过对生物法生产1,3-PD的生产菌种、发酵方式、过程控制及提纯精制的大量研究，该领域的诸多方面已经取得了很大突破，但由于生物法1,3-PD的生产成本相较于化学法的优势并不突出，目前的研究多集中在实验室阶段，生产的工业化放大仍然存在一些问题有待解决。因此今后的研究可以从以下几个方面重点入手。

（1）关于高产菌种的获得，如何将基因工程手段与传统育种相结合，筛选出对底物耐受性好且副产少，产量高的优异菌种；并且在提高产量、转化率的同时保证菌种的遗传稳定性。

（2）引入新技术、新手段对发酵过程进行强化，使得过程更加精准且易于控制，能够使菌种的特性达到最大限度的发挥。例如工程策略的深入研究，包括批次发酵、连续发酵（细胞固定、细胞悬浮）、多级发酵等。除此之外，数学模型设计对1,3-PD生产过程中的底物、产品和生物量等各种限制因素的研究，亦会促进发酵过程的优化控制。

（3）1,3-丙二醇产品的精制提纯应该根据不同的原料、培养基组成、发酵料液性质和产品要求等灵活调整和组合分离工艺，集成有效分离手段的优点进行耦合处理，兼顾收率并尽量简化工艺流程。

（4）对发酵法1,3-PD生产的全过程进行整合，综合考虑发酵与精制提取的经济性和能耗，选取最为合理、经济、高效的路线。相信在不久的将来，随着基础研究和发酵工程技术的长足发展，生物基1,3-PD的生产能够迎来经济和市场的新局面。

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Progress on the production of 1,3-propanediol by fermentation

LI Xiaoshu，ZHANG Lin，GAO Dacheng，SHI Wenjing，FAN Yachao
（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，SINOPEC，Fushun 113001，Liaoning，China）

1,3-propanediol is an important chemical compound，which has recently received more and more attention due to its wide applications. Synthesizing 1,3-propanediolviathe biological method has some merits，such as green，high efficiency，and sustainable. This method is the most promising for the 1,3-propanediol production.In this paper，the research advances on production of 1,3-propanediol by fermentation were reviewed with regard to fermentative strains，fermentation process，process optimization and purification. To have a low cost advantage over the other chemical synthesizes，the biological method needs to increase the concentration of 1,3-propanediol，to strengthen the fermentation process that is more accurate and easier control. Economy and energy consumption need to be considered to integrate the whole process of fermentation and separation，which should be the focus of research and industrial production of 1,3-propanediol by biological process in the future.

1,3-propanediol；fermentation；bioconversion；glycerol

TQ 923

A

1000–6613（2017）04–1395–09

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.032

2016-09-10；修改稿日期：2016-11-17。

及联系人：李晓姝（1984—），女，硕士，工程师，从事生物基化学品研究开发工作。E-mail：lixiaoshu. fshy@sinopec. com。