微生物生產(chǎn)有機(jī)酸的市場(chǎng)研發(fā).ppt

1、微生物生產(chǎn)有機(jī)酸的市場(chǎng)研發(fā),jjcui,Trends in Biotechnology Vol.26 No.2,簡(jiǎn)介,通過微生物發(fā)酵來獲得有機(jī)酸是一種有效地從可再生碳源中獲得基本化合物的方法，盡管對(duì)一些重要的有機(jī)化合物的生物合成路徑尚不清楚，但是這并不會(huì)影響在大尺度上對(duì)微生物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸的可能性。 本文總結(jié)了近年來以檸檬酸（已成功市場(chǎng)化）、乳酸（市場(chǎng)逐漸成熟）和琥珀酸（潛力巨大，但尚未形成市場(chǎng)）為代表的有機(jī)酸的發(fā)展歷程，以及其不同的發(fā)展階段。,關(guān)鍵詞,Bio-refinery （生物煉制） 主要是利用農(nóng)業(yè)廢棄物、植物淀粉和木質(zhì)纖維素為原料，生產(chǎn)各種化學(xué)品，染料和生物基材料 Bio-diese

2、l （生物柴油） 以油料作物、野生油料植物、工程微藻等水生植物油脂以及動(dòng)物油脂、餐飲垃圾為原料油通過酯交換工藝制成的可替代化石柴油的可再生性染料。 化學(xué)法、生物酶法、工程微藻法,檸檬酸 從意大利檸檬到絲狀真菌,絲狀真菌黑曲霉菌是最早的高通量、低消耗地生產(chǎn)檸檬酸的微生物，近年來的年產(chǎn)量接近160萬噸。 不同于現(xiàn)在的篩選具有特性的微生物來生產(chǎn)目的產(chǎn)物，最初的生產(chǎn)方法卻是榨取意大利檸檬的檸檬汁來用作原料生產(chǎn)檸檬酸。 而這一方法一直沿用到發(fā)現(xiàn)黑曲霉菌為止。,一些至關(guān)重要的以經(jīng)驗(yàn)為主的參數(shù)導(dǎo)致了用黑曲霉菌有效生產(chǎn)檸檬酸，這些經(jīng)驗(yàn)包括了高底物濃度、低濃度的含氮量、高度的溶氧量和低的pH值。盡管這些參數(shù)的生

3、理生化效用到現(xiàn)在都屬未知，但在當(dāng)時(shí)的確十分有效的發(fā)展了檸檬酸產(chǎn)業(yè)。 除了已經(jīng)發(fā)展十分成熟的黑曲霉菌，另外還有用基因變異的酵母Yarrowia Lipolytica制造檸檬酸。 Yarrowia Lipolytica 是將一個(gè)對(duì)異檸檬酸裂解酶活性編碼的基因序列穩(wěn)定地多重整合在酵母基因組中，其優(yōu)點(diǎn)在于使不希望生成的副產(chǎn)物異檸檬酸明顯減少。,乳酸,盡管人們對(duì)乳酸的使用可以追溯到上上個(gè)世紀(jì)，但是大規(guī)模、商業(yè)化的用微生物發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的歷史卻并不很久。 由于生產(chǎn)可降解的塑料，導(dǎo)致了對(duì)純的乳酸生產(chǎn)的興趣。 2002年所生產(chǎn)的15萬噸乳酸中的90%，都是由微生物發(fā)酵生產(chǎn)的來的。 發(fā)酵用的乳酸菌具有復(fù)雜的營(yíng)養(yǎng)需

4、求和不同的糖發(fā)酵路徑。 不僅是乳酸菌，還有絲狀真菌米根霉也具有發(fā)酵積累乳酸的能力，能利用淀粉和木糖發(fā)酵產(chǎn)乳酸。,琥珀酸,目前來說，琥珀酸所占的市場(chǎng)份額比較小，僅有1.6萬噸的年產(chǎn)。如果琥珀酸的價(jià)格能夠更有競(jìng)爭(zhēng)力，則能夠替代石油衍生物馬來酸酐，就能夠拿到21.3萬噸/年的市場(chǎng)份額。 由于琥珀酸是許多化合物的前體物，市場(chǎng)份額可能達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過21.3萬噸的占有量。 如果琥珀酸成為石油化學(xué)的替代品，將會(huì)有更廣泛的用途。另外， 值得注意的是，在琥珀酸的生成過程中能消耗CO2。,微生物發(fā)酵生產(chǎn)琥珀酸,方案一：通過大腸桿菌進(jìn)行混合酸的發(fā)酵。 方案二：從反芻動(dòng)物的瘤胃中分離有產(chǎn)琥珀酸能力的厭氧微生物。但這種方

5、法比較昂貴，營(yíng)養(yǎng)條件比較復(fù)雜。 方案三：將從反芻動(dòng)物瘤胃中分離出的Mannheimia succiniciproducens的產(chǎn)琥珀酸的相關(guān)基因引入到大腸桿菌中，將厭氧轉(zhuǎn)為好氧，以發(fā)酵生產(chǎn)琥珀酸，但是這種方法生產(chǎn)的琥珀酸產(chǎn)量卻比較低。 方案四：絲狀真菌，如簡(jiǎn)青霉（ Penicillium simplicissimum ）具有積累琥珀酸的能力。盡管簡(jiǎn)青霉的產(chǎn)量較細(xì)菌宿主要少，但真菌的培養(yǎng)要更為簡(jiǎn)單可行。,琥珀酸作為各種化學(xué)物的前體,1,4-二氨基丁烷二鹽酸鹽,四氫呋喃,2-吡咯烷酮,r-丁內(nèi)酯,N-甲基吡咯烷酮,二甲基琥珀酰,琥珀腈,1.4-丁二醇,有機(jī)酸市場(chǎng)的開發(fā)到成熟,檸檬酸和乳酸的生產(chǎn)主要

6、取決于天然微生物發(fā)酵。因此，選擇合適的菌株和優(yōu)化反應(yīng)條件是發(fā)展這一市場(chǎng)的最佳途徑。 琥珀酸的市場(chǎng)尚未發(fā)展成熟，最有可能的突破是在運(yùn)用生理生化方法改良催化酶系統(tǒng)方面。 現(xiàn)階段，研究主要聚焦于代謝工程的改良方面，因?yàn)樵谄渌缟锛庸ず途旮牧挤矫娑减r有突破。 在下一階段，研究的主要方向在于運(yùn)用細(xì)胞生理代謝操作通過如優(yōu)化底物繼而純化產(chǎn)物方面。最終的目的都是要通過代謝工程的手段得到更多的有機(jī)酸。,高濃度的檸檬酸有強(qiáng)烈抑制糖酵解的作用，但是在培養(yǎng)基中加入一定比例的銨能緩解這種抑制作用。 通過轉(zhuǎn)錄后修飾，將pfk修飾成對(duì)高濃度檸檬酸不敏感且具有高催化效率的酶，以達(dá)到積累檸檬酸的作用。,以檸檬酸為例,在乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的產(chǎn)業(yè)中，有三個(gè)問題增加了純化過程中的費(fèi)用。 pH值：在整個(gè)發(fā)酵過程中，要求培養(yǎng)基始終處于pH5-7的范圍內(nèi)。這是由菌的生長(zhǎng)特性能夠所決定的。 培養(yǎng)基的配方中如酵母提取物，導(dǎo)致培養(yǎng)液中的成分復(fù)雜，不利于提純。 其他附產(chǎn)物如琥珀酸也伴隨產(chǎn)生，既消耗了培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)有增加了提純的難度。,總結(jié),代謝工程能幫助解決在發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)