Producción microbiana de dioles como sustancias químicas de la plataforma: Progresos recientes

Producción microbiana de dioles como sustancias químicas de la plataforma: Progresos recientes

An-Ping Zeng y Wael Sabra

Los dioles son productos químicos con dos grupos hidroxilo que tienen Una amplia gama de aplicaciones atractivas como productos químicos y combustibles. En particular, cuatro compuestos de diol, a saber 1,3-propanodiol (1,3 - DOP), 1,2 - propanodiol (1,2 - DOP), 2,3 - butanodiol (2,3 -BDO) y 1,4-butanodiol (1,4-BDO) pueden ser biotecnológicamente Producido por la bioconversión microbiana directa de Materiales. Estos dioles se consideran como plataformas verdes Productos químicos. Revisamos y discutimos aquí la reciente Desarrollo en la producción microbiana de estos dioles, Especialmente en lo que respecta a la ingeniería de las Optimización de los procesos de fermentación.

Introducción

Debido a su potencial como químicos de plataforma para muchos

Aplicaciones en la industria, tales como la síntesis de

Polímeros, productos químicos especiales e intermediarios químicos La producción microbiana de 1,3-propanodiol (1,3-PDO), 1,2 - propanodiol (1,2 - DOP), 2,3 - butanodiol (2,3 - BDO) y Más recientemente el 1,4-butanodiol (1,4-BDO) ha recibido Gran interés por la nueva ola de biotecnología industrial. Estos dioles pueden ser producidos a partir de diferentes Los piensos e incluso los residuos de la producción de biocombustibles Asentado en la Figura 1. De los cuatro dioles, 1,3-DOP Y 2,3-BDO han sido estudiados más intensamente en la los últimos años. Se publicaron varias revisiones exhaustivas Recientemente, que cubren detalles de la producción microbiana De 1,3-DOP y 2,3-BDO [1-4]. En este documento de opinión, Se da una breve descripción de la importancia y Microbiana de estos cuatro dioles como productos químicos de la plataforma.

Aunque el 1,2-PDO microbiano y 1,4-BDO son de Inmensos intereses industriales porque están establecidos Productos químicos actualmente producidos a partir de fuentes Volúmenes de producción (más de 1,5 millones de toneladas anuales DOP y alrededor de 1,3 millones de euros. T por año para 1,4-BDO), relativamente Pocas publicaciones están disponibles para sus producción. Por lo tanto, hemos puesto énfasis en el 1,3 - DOP y 2,3 - BDO. Progreso de la investigación en los últimos 5-7 Años en estas áreas se evalúa con más detalle en dos Siguientes secciones. Las perspectivas futuras se discuten en La última sección. Para la producción microbiana de 1,2-DOP Y 1,4-BDO que no están cubiertos en detalle en este documento El lector es referido a los revisores representativos [5-7] y Seleccionado trabajo [8, 9].

Diols como sustancias químicas de plataforma y sus Producción biotecnológica: una breve reseña

1,3-PDO tiene propiedades atractivas para muchos Reacciones tales como policondensación, y para usos en disolventes, Adhesivos, resinas, detergentes y cosméticos. Es Especialmente conocido como monómero para la síntesis de Tereftalato de politrimetileno (PTT), un poliéster con Excelentes propiedades para fibras, textiles, alfombras, revestimientos y así. PTT se produjo previamente sobre la base 1,3-PDO sintetizado químicamente. Al principio de Este siglo PTT basado en la producción biotecnológica 1,3-DOP fue comercialmente introducida en el mercado Debido al esfuerzo de DuPont y Genencor en el desarrollo Una cepa recombinante de Escherichia coli para la producción De 1,3-PDO de la glucosa [10]. 1,3-PDO también puede De la conversión microbiana de glicerol por Microorganismos naturales (Tabla 1). Esta ruta del glicerol Sido estudiado durante mucho tiempo y está ganando de nuevo Atención debido al aumento de la producción de biodiesel Que genera glicerol como subproducto en un 10% peso. En la actualidad, las rutas microbianas siguen La competencia de la síntesis química de 1,3-DOP A partir del etilenoóxido (proceso de Shell) a través del microbiano Procesos están adquiriendo cada vez más importancia porque Utilización de materiales renovables y / o de residuos y la Aumento del precio del petróleo. Sin embargo, la economía de un proceso Determinará en gran medida su destino en el mercado. Esto impulsa Innovaciones continuas y el desarrollo tecnológico La producción microbiana de 1,3-DOP. 1,2-PDO es un producto químico a granel actualmente Petroquímica. Sus principales aplicaciones incluyen la preparación De resinas de poliéster para la fabricación de películas y fibras, Como deicer en fluido de avión, como un reemplazo no tóxico de Etilenglicol en automóviles, como anticongelante en fábricas de cerveza Y establecimiento lácteo, como inhibidor del crecimiento de moho y Como niebla para desinfectar el aire. La capacidad de los microbios para producir

Figuara 1

1,2-AOP a partir de materiales renovables se conoce muchos años. La producción microbiana de 1,2-PDO de una Punto de vista biotecnológico ha sido, sin embargo, sólo Estudiado recientemente. El trabajo de Cameron y Cooney [11] Fue uno de los estudios más tempranos que utilizaron Thermoanaerobacterium Thermosaccharolyticum para producir R-1,2- PD de la glucosa. Sin embargo, el título del producto fue bastante bajo. Luego se hicieron esfuerzos para diseñar metabólicamente E. coli recombinante y levadura para la producción de 1,2-PD a partir de glucosa. Los títulos de 1,2-PD alcanzados hasta ahora con el recombinante Las cepas son generalmente bajas. La concentración máxima De 1,2-DOP alcanzado hoy está en el intervalo de 2-9 g / l [6] (Tabla 1). Hasta la fecha, los rendimientos bastante bajos de 1,2-DOP fueron Obtenido utilizando E. coli o Saccharomyces genéticamente modificados Cepas [12]. Las mejoras adicionales al anfitrión, Junto con la vía y la optimización del proceso, puede En un alto título, rendimiento y productividad de 1,2-PDO [6, 13].

La importancia y el significado de la tecnología continua Desarrollo para el futuro de los productos químicos de la biotecnología Puede ser bien ilustrado por la historia de Microbiana de 2,3-BDO. 2,3-BDO es un prometedor Compuesto tanto como una plataforma química y como un líquido combustible. Como una plataforma química, el inusual estereoisomerismo De 2,3-BDO es muy útil. Tiene tres estereoisómeros Formas: las formas dextro, levo y meso; Todos los cuales son Producido por la fermentación microbiana. El isómero levo Tiene un bajo punto de congelación de 608C lo que lo hace interesante Para uso comercial como anticongelante. Tanto el levo Y los isómeros dextro son excelentes componentes quirales para Síntesis asimétrica y se utilizan en productos farmacéuticos, Agroquímica, química fina y alimentaria [14] o Para los cristales líquidos [15]. Se observa que la quiralsíntesis y Separación siguen siendo costosos pasos en la síntesis química y Por lo tanto, utilizando enzimas o microbios para sintetizar compuestos Con alta pureza enantiomérica representa un Alternativa y eficaz. 2,3-BDO puede ser Fácilmente deshidratado a metiletil cetona (MEK), un Excelente disolvente orgánico para resinas y lacas, y A butandiene para la fabricación de poliésteres y poliuretanos.

El 2,3-BDO también se puede deshidrogenar fácilmente En acetoin y diacetil que son agentes aromatizantes usados En productos lácteos, margarinas y cosméticos. 2,3-BDO También se ha demostrado que tiene aplicaciones potenciales en el Producción de tintas de imprenta, perfumes, humectantes y Agentes suavizantes, explosivos y plastificantes [16]. El Primera aplicación comercial a gran escala de 2,3-BDO Para la fabricación de caucho sintético durante el segundo Guerra Mundial, y el 2,3-BDO fue el tiempo Biotecnología. En la década de 1950, el proceso biológico Fue sustituido por síntesis química debido a la disponibilidad De petróleo barato. En vista de las actuales limitaciones ecológicas y Presiones políticas que impulsan una producción y Debido a las rápidas ventajas de permitir que las tecnologías interesen En la producción biotecnológica de 2,3-BDO reaparecióFuertemente en los últimos años. Se prevé que Microbiana 2,3-BDO volverá a entrar en el mercado nuevamente como Plataforma química. En comparación con otros bien estudiados bioprocesos De la biotecnología industrial como el etanol, Acetona / butanol y 1,3-PDO fermentaciones la Producción microbiana de 2,3-BDO tiene el siguiente Ventajas especiales [16]:

1. 2,3-BDO es mucho menos tóxico para la producción de Microorganismos, permitiendo así un producto mucho más Concentración (Tabla 1);

2. Azúcares principales (hexosas, pentosas y ciertos disacáridos) Y ácidos urónicos derivados de los hidrolizados de Los materiales hemicelulósicos y celulósicos pueden utilizarse como sustratos;

3. La síntesis química de 2,3-BDO es más costosa Que la vía biológica y, por lo tanto, la Producción de 2,3-BDO sólo se limitaría a la Biológica.

EL DESARROLLO RECIENTE EN EL MICROBIANO PRODUCCIÓN DE 1,3-PROPANODIOL

Ingeniería de cepas de producción

En esta área, la innovadora obra de DuPont y Genencor International Inc. en el desarrollo exitoso de De una cepa recombinante de E. coli para producir 1,3-DOP De glucosa todavía representa el estado de la técnica [10]. El Recombinante en uso comercial contiene genes de Saccharomyces cerevisiae para producir glicerol a partir de glucosa Y los genes de Klebsiella pneumoniae para producir 1,3-DOP a partir de glicerol, respectivamente. Genética extensiva Ingeniería de la maquinaria celular de E. coli Emprendido. Como resultado, un alto rendimiento y producción de 1,3-DOP (Más de 130 g / l). Debido A la importancia comercial de este proceso, sin embargo, Se publicaron pequeños detalles científicos. Probablemente porque Patentamiento extensivo de Dupont y Genencor en el De glucosa a 1,3-DOP, poca investigación científica fue Hecho en la academia en los últimos años. Jin y Lee [17] informó un recombinante E. coli Delta6 mutante que Puede producir 43 g / l de 1,3-PDO a partir de glucosa en un lote alimentado Fermentación durante 60 horas. Liang et al. [18] recientemente Informó la construcción de un metabolismo inducido por estrés Vía de glucosa a 1,3-DOP en E. coli. El Enfoque es básicamente el mismo que el de Dupont Pero alcanzó una concentración de 1,3-DOP mucho menor (12,1 g / l).

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