《有机酸发酵》有机酸发酵工业进展课件.ppt

1、一、有机酸发酵工业概况一、有机酸发酵工业概况 柠檬酸柠檬酸乳酸乳酸乙酸乙酸丙酸丙酸苹果酸苹果酸衣康酸衣康酸葡萄糖酸葡萄糖酸丙酮酸丙酮酸有机酸概述有机酸概述有机酸是指一些具有酸性的有机化合物。最常见的有机酸是羧酸有机酸是指一些具有酸性的有机化合物。最常见的有机酸是羧酸,其酸性源于羧基其酸性源于羧基(-COOH)Varioussubstancesthatcanbederivedfromsuccinicacidbychemicalconversion.TrendsinBiotechnology,2008:100-108有机酸概述有机酸概述有机酸也是重要的平台化合物有机酸也是重要的平台化合物Renew

2、ablerawmaterials全球有机酸的产量超过全球有机酸的产量超过300300万吨、产值超过万吨、产值超过5050亿美元亿美元柠檬酸柠檬酸乳酸乳酸苹果酸苹果酸葡萄糖酸葡萄糖酸醋酸醋酸衣康酸衣康酸曲酸曲酸丙酮酸丙酮酸酒石酸酒石酸丙酸丙酸C2C3C4C5C6丙烯酸丙烯酸富马酸富马酸酒石酸酒石酸有机酸发酵概况有机酸发酵概况有机酸工业是发酵工业领域一个成熟的分支。有机酸工业是发酵工业领域一个成熟的分支。2012年中国年中国有机酸的总产量超过有机酸的总产量超过200万吨。万吨。柠檬酸柠檬酸乳酸乳酸苹果酸苹果酸葡萄糖酸葡萄糖酸醋酸醋酸衣康酸衣康酸曲酸曲酸丙酮酸丙酮酸食品和饮料食品和饮料医药工业医药工

3、业化学工业化学工业建筑业建筑业例如例如:酸味剂酸味剂例如例如:抗凝血剂抗凝血剂例如例如:洗涤剂洗涤剂例如例如:混泥土混泥土日照鲁信金禾生化有限公司日照鲁信金禾生化有限公司安徽丰原集团安徽丰原集团河南金丹乳酸科技股份有限公司河南金丹乳酸科技股份有限公司潍坊英轩实业有限公司潍坊英轩实业有限公司山东柠檬生化有限公司山东柠檬生化有限公司宜兴协联生物化学有限公司宜兴协联生物化学有限公司杭州宝晶生物化工有限公司杭州宝晶生物化工有限公司青岛科海生物有限公司青岛科海生物有限公司天富生化技术有限责任公司天富生化技术有限责任公司西王集团西王集团主要生产企业主要生产企业产品产品应用领域应用领域沈阳科纳提克公司沈阳科

4、纳提克公司酒石酸酒石酸其他工业其他工业例如例如:显影剂显影剂琥珀酸琥珀酸安徽雪郎生物科技股份有限公司安徽雪郎生物科技股份有限公司丙酸丙酸(1)自主创新能力显著增强自主创新能力显著增强研发投入加大研发投入加大:企业研发投入约占销售收入的企业研发投入约占销售收入的3-5%。研究平台发酵技术国家工程研究中心发酵技术国家工程研究中心生化工程国家工程研究中心生化工程国家工程研究中心粮食发酵工艺及技术国家工程实验室粮食发酵工艺及技术国家工程实验室发酵行业技术创新服务平台发酵行业技术创新服务平台衣康酸衣康酸:2000年获国家科技进步二等奖。年获国家科技进步二等奖。长链二元酸长链二元酸:2006年获国家科技进

5、步二等奖。年获国家科技进步二等奖。丙酮酸丙酮酸:2006年获国家科技进步二等奖。年获国家科技进步二等奖。L-乳酸乳酸:2011年获国家科技进步二等奖。年获国家科技进步二等奖。“丙酮酸发酵技术丙酮酸发酵技术”被世界被世界上最大发酵公司之一日本味上最大发酵公司之一日本味之素公司购买之素公司购买,成为成为该公司该公司从中国购买的第一个技术从中国购买的第一个技术。(2)产品产量迅速提高、产品结构更趋合理产品产量迅速提高、产品结构更趋合理近近20年年,我国有机酸发酵工业主要产品的总产量呈快速增我国有机酸发酵工业主要产品的总产量呈快速增长的态势。产品品种从早期长的态势。产品品种从早期2-3个发展到个发展到

6、10余个。余个。产产品品19921997200220072012柠檬酸162132.789107乳 酸 0.51.254.513衣康酸0.30.7523葡萄糖酸钠0.382550近近20年有机酸主要产品产量年有机酸主要产品产量单位单位:万吨万吨(3)生产技术水平不断上升（以柠檬酸为例）生产技术水平不断上升（以柠檬酸为例）12.3%发酵产酸发酵产酸16.5%1999年年2012年年77%提取总收率提取总收率90%1999年年2012年年发酵周期发酵周期72hr55hr1999年年2012年年成品粮耗成品粮耗1.86t/t1.59t/t1999年年2012年年汽耗汽耗12.5t/t4.3t/t19

7、99年年2012年年电耗电耗1985kW/t966kW/t1999年年2012年年水耗水耗142m3/t16m3/t1999年年2012年年有机酸行业龙头近年来纷纷通过扩大优势产品的产能有机酸行业龙头近年来纷纷通过扩大优势产品的产能,提高提高抗风险能力抗风险能力,使得行业产业集中度呈现逐步提高态势使得行业产业集中度呈现逐步提高态势,规模规模经济效应也使行业平均期间费用率呈现下降的趋势经济效应也使行业平均期间费用率呈现下降的趋势,这有利这有利于保障行业的盈利能力提升与长期发展。于保障行业的盈利能力提升与长期发展。(4)企业规模扩大企业规模扩大,产业集中度增强产业集中度增强行行业业产产量量企业个数

8、企业个数产量占总量比例产量占总量比例(%)柠檬酸20万吨以上580乳酸2万吨以上273葡萄糖酸钠2万吨以上680衣康酸1万吨以上2 90我国有机酸发酵行业产业集中度我国有机酸发酵行业产业集中度(5)新技术、新材料和新装备得到广泛应用新技术、新材料和新装备得到广泛应用l酶技术、膜技术和计算机技术越来越多的被采用酶技术、膜技术和计算机技术越来越多的被采用l设备趋于大型化、连续化和自动化设备趋于大型化、连续化和自动化丙酸的应用及市场丙酸的应用及市场2012:260mlbs(117,936tonnes)化学法:2万/吨发酵法:6万/吨（食品安全）丙酸钙价格06年全球产量年全球产量37.7万吨万吨75%

9、用于谷物用于谷物和饲料防腐和饲料防腐筛选丙酸高产菌筛选丙酸高产菌从奶制品厂取样低丙酸浓度富集高丙酸浓度初筛产量检测复筛24 25 29 30 32 36菌种鉴定筛选野生型质粒筛选野生型质粒细胞壁裂解条件优化Blank12345678Lysozyme00.500.50.51110ProteinaseK000.50.510.5101Result-+-条件:溶菌酶 20 mg/mL 37 oC,蛋白酶K 2 mg/mL 56 oC.“-”表示细胞壁没有裂解.“+”表示细胞壁被裂解.菌种菌种是否含有质粒是否含有质粒P.a253229302436质粒电泳图质粒鉴定分析质粒鉴定分析质粒ORF转录水平分析丙

10、酸高产菌、野生质粒的筛选以及质粒分析丙酸高产菌、野生质粒的筛选以及质粒分析丙酸杆菌代谢工程改造策略丙酸杆菌代谢工程改造策略过量表达甘油脱氢酶过量表达甘油脱氢酶（gldAgldA）,提高对甘油的提高对甘油的利用速率利用速率过量表达苹果酸脱氢酶过量表达苹果酸脱氢酶（mdhmdh）,富马酸水合酶富马酸水合酶（fumCfumC）,提高丙酸代谢提高丙酸代谢途径通量途径通量gldAmdhfumC过量表达甘油脱氢酶过量表达甘油脱氢酶电转化电转化24241000菌落菌落 PCRPCR菌种鉴定菌种鉴定Marker1000 12 Marker1 5 11 1000 12 35 371000Marker1000 1

11、2野生菌与工程菌分批发酵对比:丙酸(PA),:甘油浓度,:细胞干重(DCW),:乙酸(AA),:琥珀酸(SA),:甘油脱氢酶比酶活.2929(pZGX03-gldA)菌株菌株PA(g/L)YP/S(g/g)YP/A(g/g)rPA/Glycerol(g/g)生产强度生产强度(gL-1h-1)2922.0614.618.20.730.1529(pZGX03-gldA)28.23239.080.9410.20不同种类的碳源对丙酸发酵过程的影响不同种类的氮源对丙酸发酵过程的影响酵母粉浓度对发酵过程的影响PADCWPADCWSA最佳碳源为最佳碳源为20g/L甘油甘油,最佳氮源为酵母粉最佳氮源为酵母粉,

12、最适浓度为最适浓度为10g/L。最佳接种量为最佳接种量为10%,最佳接种龄为最佳接种龄为48-60h左右种子左右种子,最佳培养温度为最佳培养温度为30。Control2.104.37 12.3342.105.27 11.4682.155.59 12.46122.264.78 11.63162.135.34 11.59 MgSO4 7H2O(mg/L)DCW(g/L)SA(g/L)PA(g/L)金属Mg2+对发酵过程影响金属Co2+对发酵过程影响 DCW(g/L)SA(g/L)PA(g/L)Control1.644.0410.9841.664.5510.9881.673.9610.61121.6

13、14.0710.37161.573.7210.06 ZnSO4 7H2O(mg/L)金属Zn2+对发酵过程影响金属Mn2+对发酵过程影响PASADCWMnSO4H2O(mg/L)DCW(g/L)SA(g/L)PA(g/L)Control1.644.0410.9841.845.8111.0181.764.7111.27121.754.1410.75161.754.4211.30培养基及培养条件优化培养基及培养条件优化-金属离子金属离子最佳最佳Co2+浓度为浓度为10mg/L甘油初始浓度对丙酸发酵过程的影响20 g/L20 g/L50 g/L50 g/L70 g/L70 g/L80 g/L80 g

14、/L residual glycerol,PA,DCW,SA,*AA 甘油浓度对细胞比生长速率的影响甘油浓度对丙酸比合成速率的影响70 g/L70 g/L20 g/L20 g/L50 g/L50 g/L80 g/L80 g/L20 g/L20 g/L50 g/L50 g/L70 g/L70 g/L80 g/L80 g/L分批发酵过程中分批发酵过程中,随着随着甘油浓度的增加甘油浓度的增加,菌体菌体比生长速率及丙酸的比比生长速率及丙酸的比合成速率显著下降合成速率显著下降,说说明较高的甘油浓度不利明较高的甘油浓度不利于菌体生长及丙酸的合于菌体生长及丙酸的合成。成。参数参数初始甘油浓度（初始甘油浓度（

15、g/L）20507080剩余甘油浓度（剩余甘油浓度（g/L）0.020.0010.030.00150.10.050.120.06发酵时间（发酵时间（h）120615083001735024细胞干重（细胞干重（g/L）1.860.063.790.132.130.072.010.05丙酸产量（丙酸产量（g/L）15.720.4128.530.8229.210.7332.000.91乙酸产量（乙酸产量（g/L）1.200.042.560.083.410.125.200.21琥珀酸产量（琥珀酸产量（g/L）2.310.714.240.325.530.216.710.23丙酸丙酸/琥珀酸（琥珀酸（g/g

16、）6.810.336.730.305.280.324.770.23丙酸丙酸/乙酸（乙酸（g/g）13.100.5311.140.628.570.426.150.31丙酸丙酸/甘油（甘油（%）793.9572.8422.1401.8丙酸生产强度（丙酸生产强度（gL-1h-1）0.130.00520.190.00950.100.00310.090.0036发酵模式研究发酵模式研究-分批发酵分批发酵不同甘油浓度下过程动力学参数比较随着初始甘油浓度的增加随着初始甘油浓度的增加,发酵时间明显延长发酵时间明显延长,生产强度显著下降生产强度显著下降;菌体干重先菌体干重先升高后降低升高后降低;初始甘油浓度在初

17、始甘油浓度在20g/L50g/L时适合菌体生长。时适合菌体生长。仅通过分批发酵难以实现丙酸仅通过分批发酵难以实现丙酸发酵高产量、高得率和高生产强度的统一发酵高产量、高得率和高生产强度的统一发酵模式研究发酵模式研究-流加发酵流加发酵注:A 初始甘油浓度为20 g/L,48 h-96 h恒速流加浓度为400 g/L的甘油水溶液,流速控制为0.01 L/h;B 初始甘油浓度为30 g/L,72 h-120 h恒速流加浓度为400 g/L的甘油水溶液,流速控制为0.01 L/h;C 初始甘油浓度为50 g/L,在96 h时一次性添加质量为80 g的纯甘油;D 初始甘油浓度为40 g/L,在84 h一次

18、性添加160g纯甘油;residual glycerol,PA,DCW,SA,*AA参数参数培养模式培养模式ABCD剩余甘油浓度（剩余甘油浓度（g/L）0.020.0010.030.00150.10.050.120.06发酵时间（发酵时间（h）24014220112001125015细胞干重（细胞干重（g/L）2.990.094.760.173.790.114.10.14丙酸产量（丙酸产量（g/L）34.811.0144.621.1235.510.9243.501.21乙酸产量（乙酸产量（g/L）2.710.082.420.082.810.092.510.06琥珀酸产量（琥珀酸产量（g/L）4

19、.210.123.520.234.520.214.110.13丙酸丙酸/琥珀酸（琥珀酸（g/g）8.270.4012.680.517.860.3210.580.49丙酸丙酸/乙酸（乙酸（g/g）12.850.6518.440.7812.640.5717.330.87丙酸丙酸/甘油（甘油（%）492.5562.7511.9542.3丙酸生产强度（丙酸生产强度（gL-1h-1）0.150.00710.200.0080.180.00630.170.0068不同流加发酵模式下过程动力学参数比较发酵模式研究发酵模式研究-流加发酵流加发酵最佳流加策略最佳流加策略:初始甘油为初始甘油为30g/L,72-12

20、0h进行进行恒速流加恒速流加,流加速率为流加速率为0.11L/h(甘油浓度为甘油浓度为400g/L)发酵模式研究发酵模式研究-10m3发酵罐放大试验发酵罐放大试验丙酸10 m3罐中试发酵过程曲线 residual glycerol,PA,DCW,SA,*AA丙酸最高产量为丙酸最高产量为47.28g/L,生产强度为生产强度为0.197gL-1h-1全球第二家采用发酵法生产丙酸全球第二家采用发酵法生产丙酸 降低病患机体损耗降低病患机体损耗清除自由基清除自由基,延缓衰老延缓衰老提高繁殖率提高繁殖率,促进骨骼的生长促进骨骼的生长有机中间体有机中间体体格增强剂、运动饮料添加剂体格增强剂、运动饮料添加剂医

21、药医药化妆品食品化工饲料国际市场食品级国际市场食品级-酮戊二酸潜在市场容量约为酮戊二酸潜在市场容量约为1万吨万吨 名称名称价格价格(RMB/Kg)纯度纯度用途用途-酮戊二酸酮戊二酸28098%医药、化工中间体医药、化工中间体L-精氨酸精氨酸:-酮戊酮戊二酸钠盐二酸钠盐(2:1)35099%运动饮料添加剂运动饮料添加剂L-鸟氨酸鸟氨酸:-酮戊酮戊二酸钠盐二酸钠盐(1:1)65099%运动饮料添加剂运动饮料添加剂化学法发酵法筛选得到的菌种:解脂亚诺酵母-酮戊二酸的生产方法酮戊二酸的生产方法生产效率低、环境非友生产效率低、环境非友好和有毒试剂使用好和有毒试剂使用,限制限制其在医药、保健品和食其在医药

22、、保健品和食品等高附加值产品生产品等高附加值产品生产应用应用生产效率高生产效率高环境友好环境友好食品安全性高食品安全性高食品安全级生物法生产食品安全级生物法生产-酮戊二酸酮戊二酸土壤样品土壤样品维生素维生素B1缺陷型筛选缺陷型筛选500500株微生物菌株株微生物菌株 0.1g/L13.4%0.1-1g/L74.4%1-10g/L6.4%10g/L5.8%菌落形态菌落形态AGTCTAGTATAAACAATTATACAGTGAAACTGCGAACGGCTCATTAAATCAGTTATCGTTTATTTGATAGTTTTCTACATGGATAACCGTGATAACTTCAGAACTAATACATGA

23、CAGCCTTCTGGCGTATATATTAGATACAAACCAACAGTATGGTGATTCATAATATCTTGTCGAACCGATCTTCGGTGTATCATTCAAATTTCTGCCCTATCAACTGTCGATGGTAGGATCGTGGCCTACCATGGTAACAACGGGTAACGGGGAATCAGGGTTCTATTCCGGAGAGGGAGCCTGAGAAACGGCTACCACATCCAAGGAAGGCAGCAGGCGCGCAAATTACCCAATCCTGACACAGGGAGGTAGTGACAATATATAACGATCCGGGGCTCTTTGAGTTTCGGAATTGGAATG

24、AGTACAATTTAAACACCTTAACGAGGAACAATTGGAGGGCAAGTCTG18SrRNAYarrowia lipolytica WSH-Z06生物法生产生物法生产-酮戊二酸的关键问题酮戊二酸的关键问题当以甘油为唯一碳源时当以甘油为唯一碳源时,发酵发酵6天后天后-KG产量可达产量可达30g/L左右左右,但是发酵液但是发酵液中同时会积累大量的副产物中同时会积累大量的副产物丙酮丙酮酸酸(30g/L左右左右)。Y.lipolytica WSH-Z06摇瓶发酵曲线-KG(),Glycerol(),Pyruvate(),DCW()存在的问题存在的问题1.辅因子调辅因子调控控3.3.节流

25、节流2.开源开源4.调控转调控转运蛋白运蛋白解决方案解决方案代谢工程改造解脂亚洛酵母代谢工程改造解脂亚洛酵母代谢工程改造解脂亚洛酵母代谢工程改造解脂亚洛酵母1.辅因子调辅因子调控控调控乙酰辅酶调控乙酰辅酶A代谢促进代谢促进-酮戊二酸的积累酮戊二酸的积累CONACS1/ACLCONACS1ACL过量表达过量表达ACS1基因使胞内基因使胞内ACS比酶活达比酶活达到到0.92U/mgprotein,过量表达过量表达ACL基因基因使胞内使胞内ACL酶活达到了酶活达到了1.51U/mgprotein,比对照分别提高了比对照分别提高了10.5和和11.6倍倍,胞内乙酰辅酶胞内乙酰辅酶A含量分别是对照的含量

26、分别是对照的231.2%和和244.2%。调控乙酰辅酶调控乙酰辅酶A代谢促进代谢促进-酮戊二酸的积累酮戊二酸的积累过量表达过量表达ACS1和和ACL基因对菌体生长和基因对菌体生长和-酮戊二酸合成的影响酮戊二酸合成的影响:-KG;:Glycerol;:pyruvate;:DCW(A):Thetime-coursesoffermentationinY.lipolytica-CON;(B):Thetime-coursesoffermentationinY.lipolytica-ACS1;(C):Thetime-coursesoffermentationinY.lipolytica-ACL.提高提高1

27、6.2%提高提高28.6%Y.lipolytica-ACS1和和Y.lipolytica-ACL中中-酮戊二酸的产量分别为酮戊二酸的产量分别为42.2g/L和和46.7g/L,比对照菌比对照菌(36.3g/L)分别提高了分别提高了16.2%和和28.6%。丙。丙酮酸产量分别为酮酸产量分别为14.5g/L和和10.6g/L,比对照菌比对照菌(21.2g/L)分别降低了分别降低了31.6%和和50%。代谢工程改造解脂亚洛酵母代谢工程改造解脂亚洛酵母2.开源开源强化丙酮酸羧化途径促进强化丙酮酸羧化途径促进-酮戊二酸的积累酮戊二酸的积累6.5倍倍10.2倍倍CONScPYC1RoPYC2表达载体表达载

28、体p0(hph)-ScPYC1和和p0(hph)-RoPYC2的构建的构建Y.lipolytica及其突变株胞内及其突变株胞内PC酶活酶活转化子提取基因组进行转化子提取基因组进行PCR验证验证强化丙酮酸羧化途径促进强化丙酮酸羧化途径促进-酮戊二酸的积累酮戊二酸的积累过量表达过量表达ScPYC1和和RoPYC2基因对菌体生长和基因对菌体生长和-酮戊二酸合成的影响酮戊二酸合成的影响:-KG;:Glycerol;:Pyruvate;:DCW(A):Thetime-coursesoffermentationinY.lipolytica-CON;(B):Thetime-coursesoffermenta

29、tioninY.lipolytica-ScPYC1;(C):Thetime-coursesoffermentationinY.lipolytica-RoPYC2.Y.lipolytica-ScPYC1和和Y.lipolytica-RoPYC2中中-酮戊二酸的产量分别酮戊二酸的产量分别为为45.2g/L和和49.1g/L,比对照菌比对照菌(36.3g/L)分别提高了分别提高了24.5%和和35.3%。丙。丙酮酸产量分别为酮酸产量分别为10.2g/L和和6.4g/L,比对照菌比对照菌(21.2g/L)分别降低了分别降低了51.9%和和69.8%。提高提高24.5%提高提高35.3%5M3中试结果中

30、试结果Timecourseoffed-batchfermentationbyconstantfeedingstrategyinpilotscale发酵发酵156h,PA:24.6g/L;-KG:64.2g/L工业微生物基因组工业微生物基因组组学分析组学分析计算模拟计算模拟分子改造分子改造新一代工业菌种新一代工业菌种基因组基因组转录组转录组蛋白质组蛋白质组代谢组代谢组结构设计结构设计途径设计途径设计网络设计网络设计数据集成数据集成基因组基因组理性设计理性设计基因组基因组网络重构网络重构全局扰动全局扰动优化优化多位点多位点快速进化快速进化基因组基因组删减优化删减优化代谢途径代谢途径优化优化n发酵过

31、程的自动控制发酵过程的自动控制 基于实时代谢流分析的在线状态预测与控制基于实时代谢流分析的在线状态预测与控制 基于智能控制系统的过程放大模拟系统基于智能控制系统的过程放大模拟系统 基于人工智能技术的过程控制与优化基于人工智能技术的过程控制与优化n细胞生理代谢与流场特性的结合细胞生理代谢与流场特性的结合 生理代谢特征与代谢通量分析生理代谢特征与代谢通量分析 基于传递、混合与生物反应动力学基于传递、混合与生物反应动力学 计算流体力学、发酵罐流场的计算机模拟计算流体力学、发酵罐流场的计算机模拟n高效分离单元及装备的开发与集成高效分离单元及装备的开发与集成 连续板框过滤技术、膜过滤技术连续板框过滤技术、膜过滤技术 人工智能模拟与控制的结晶技术人工智能模拟与控制的结晶技术 生化反应与分离耦合技术生化反应与分离耦合技术 n资源和能量的高效利用资源和能量的高效利用 发酵过程清洁生产技术和闭路循环工艺发酵过程清洁生产技术和闭路循环工艺 发酵食品生产废渣资源化和高值化工艺发酵食品生产废渣资源化和高值化工艺 发酵废弃物和副产物的综合利用和资源化处理发酵废弃物和副产物的综合利用和资源化处理