I. 3. 1,3 propanediol và các ứng dụng
I.6. Các phương pháp khác sản xuất 1,3 propanediol
Chuyển hóa glucose thành glycerol
1,3-Propanediol là một sản phẩm đặc trƣng c ủa quá trình lên men glycerol và không thể được sản xuất theo con đường kỵ khí chuyển đổi các cơ chất hữu cơ khác. Việc sử dụng các nguồn nguyên liệu thay thế là rất quan trọng trong quy mô công nghiệp với các nguồn nguyên liệu rẻ và dễ kiếm nhƣ glucose hoặc tinh bột.
Các loài nấm men biến đổi glucose thành glycerol theo con đường Embden- Mayerhof-Parnasthường được sử dụng cho s ản xuất glycerol là S.cerevisiae, S.rouxii, T.magnoliae, Candida glycerinogenes và P.farinosa (Shuge và cộng sự, 2001). Nhìn chung, s ản lƣợng glycerol thu đƣợc không đáng kể và quá trình lên men chuyển hóa glucose thành glycerol là một quá trình độc lập, không có lợi ích về kinh tế.
Hình I.3. Qúa trình chuyển hóa glucose thành glycerol
Lên men hai giai đoạn
Lên men hai giai đoạn 1,3 PDO đƣợc thực hiện bằng chủng C.freundii (Boenigk và các cộng sự, 1993), qúa trình lên men đƣợc thực hiên bằng hai giai đoạn liên tiếp. Ở thùng lên men đầu tiên, sinh khối đƣợc hoạt hóa trong điều kiện glycerol bị giới hạn, ở thùng lên men thứ hai, tốc độ pha loãng đƣợc giảm dần để tăng sản lƣợng 1,3 PDO, lƣợng 1,3 PDO lớn nhất thu đƣợc là 1,38 g/L/h. Papanikolaou và các cộng sự (2000) sử dụng phương pháp lên men hai giai đoạn bằng C.butyricum để tạo ra 1,3 PDO và cho hiệu quả cao hơn C.freundii, là 3,4g/L/h.
Ưu điểm của phương pháp này là kiểm soát được điều kiện lên men ở từng giai đoạn và tính linh động của việc sử dụng cơ chất và sản xuất các sản phẩm khác nhau.
Haynie và Wagner (1996) đã sử dụng phương pháp lên men hai giai đoạn bằng kết hợp các chủng vi sinh vật khác nhau, chuyển hóa glucose thành glycerol và sau đó chuyển hóa glycerol thành 1,3 PDO.
Đồng lên men.
Phương pháp đồng lên men là lên men hỗn hợp glycerol và các loại đường thành 1,3 PDO để làm giảm chi phí của quá trình lên men. Luthi- Peng và các cộng sự (2002) đã nghiên cứu ảnh hưởng của glucose trong quá trình chuyển hóa glycerol của Lactobacillus.reutri ATCC 1603. Trong môi trường lên men 200 mM glycerol và 100 mM glucose, sản lƣợng 1,3 PDO thu đƣợc là 27,02 mM, và trong môi trường không có glucose thì sản lượng 1,3 PDO thu được là 4,61 mM, kết quả thu được cho thấy glucose có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình chuyển hóa glycerol.
Phương pháp đồng lên men còn được nghiên cứu với E.coli, không có khả năng chuyển hóa glycerol thành 1,3 PDO. (Cameron và các cộng sự, 1998). Tong và Cameron (1992) nghiên c ứu về E.coli đƣợc biến đổi với các gen dha của K.pneumoniae có khả năng đồng lên men glycerol và glucose. Sản lƣợng 1,3 P DO đƣợc tăng từ 0,46 mol/ mol glycerol lên 0,63 mol/ mol glycerol và glucose, 0,55 mol/mol glycerol và xylose.
Điều kiện vi hiếu khí.
Thông thường quá trình tổng hợp 1,3 PDO được thực hiện trong điều kiện yếm khí. Ở điều kiện hiếu khí, glyceol có thể chuyển thành 3 HPA, gây độc với tế bào (Slininger và Bothast, 1985). Tuy nhiên K.pneumoniae có thể sản xuất 1,3 P DO (Cheng và các cộng sự, 2003) với sản lƣợng từ 0,8- 1,57 g/L/h trong điều kiện vi hiếu khí. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng O2 nhƣ chất nhận điện tử ngo ại bào, có thể làm tăng sản lƣợng 1,3 PDO. Hao và các cộng sự (2008) đƣa ra báo cáo về sản xuất 1,3 PDO trong điều kiện hiếu khí bằng 8 chủng khác nhau của Citrobacter và Klebsiella, quá trình lên men hiếu khí có thể làm giảm giá thành của sản xuất và giảm sự tích lũy của HPA.
Sử dụng các chủng kháng.
Qúa trình lên men glyceol thường có hiệu quả không cao do ức chế của cơ chất, sản phẩm ho ặc cả hai, ví dụ nhƣ C.butyricum bị ức chế ở 1053 mM glycerol và 788 mM 1,3 PDO (Biebl, 1991). Tuy nhiên có một số vi khuẩn có khả năng phát triển các cơ chế cho phép đáp ứng lại các ức chế này. Bằng phương pháp chọn lọc, các chủng đột biến của C.butyricum DSM 5431 có khả năng chuyển hóa hơn 44 % glycrol và s ản xuất hơn 50 % 1,3 PDO so với chủng ban đầu (Abbad- Andaloussi và các cộng sự, 1995). C.butyricum E5 đƣợc phân lập bởi Petitdemange và các cộng sự (1995) chỉ bị ức chế 66% ở 200 g/l glycerol còn C.buyricum DSM 5431 bị ức chế hoàn toàn.
Kỹ thuật di truyền.
Ứng dụng các kỹ thuật di truyền có thể làm nâng cao khả năng sản xuất 1,3 PDO của các chủng. Ví dụ như đưa các gen có thể chuyển hóa đường thành glycerol hoặc trực tiếp thủy phân đường vào một chủng sản xuất 1,3 PDO từ glycerol (Sprenger và các cộng sự, 1989) hoặc đƣa các gen có thể chuyển hóa glycerol thành 1,3 PDO vào các chủng có khả năng chuyển hóa đường thành glycerol hoặc vào chủng thông thường không có khả năng chuyển hóa glycerol thành 1,3 PDO. Một phương pháp khác là đưa các gen có hai khả năng trên vào chủng hoàn toàn không có khả năng chuyển hóa đường thành glycerol và glycerol thành 1,3 PDO.