新型能源生物丁醇课件

新型能源生物丁醇新型能源生物丁醇新型能源生物丁醇目录目录丁醇的简介及用途丁醇的简介及用途1丁醇研究和生产现状丁醇研究和生产现状2丁醇代谢途径改造丁醇代谢途径改造3展望展望4目录丁醇的简介及用途1丁醇研究和生产现状2丁醇代谢途径改造32正丁醇正丁醇正丁醇（正丁醇（n-butanol），），为无色液体，有特殊气为无色液体，有特殊气味，分子式为味，分子式为C4H9OH，具有一定的危险性。具有一定的危险性。正丁醇3丁醇是一种极具潜力的新型生物燃料丁醇是一种极具潜力的新型生物燃料热值热值Btu/gallon 汽油汽油 丁醇丁醇 乙醇乙醇 甲醇甲醇 114,000110,00084,00064,000热值比乙醇热值比乙醇高高，抗爆性好，抗爆性好亲水性亲水性弱弱，腐蚀性，腐蚀性小小，便，便于管道输送于管道输送 能与汽油能与汽油任意比任意比混合混合在塑料工业和食品行业中在塑料工业和食品行业中应用极广应用极广汽油汽油 丁醇丁醇 乙醇乙醇 甲醇甲醇 辛烷值辛烷值Octane96949291丁醇是一种极具潜力的新型生物燃料热值汽油 丁醇 乙醇 甲醇 4丁醇在分子结构和性能上均比乙醇更接近汽油丁醇在分子结构和性能上均比乙醇更接近汽油项目项目乙醇乙醇1-1-丁醇丁醇汽油汽油密度密度/(g/cm)/(g/cm)0.7940.7940.8140.8140.7200.7200.7750.775热量热量/(MJ/L)/(MJ/L)21.121.121.721.7 26.926.927.027.032.232.232.932.9(O(O),%),%34.734.721.621.62.72.7表表1 1-丁醇的性能丁醇的性能丁醇在分子结构和性能上均比乙醇更接近汽油项目乙醇1-丁醇汽油5酯化、取代、消去、氧化、还原酯化、取代、消去、氧化、还原丁醛、丁酸丁醛、丁酸丙烯酸丁酯丙烯酸丁酯(溶剂溶剂)邻苯二甲酸二丁酯邻苯二甲酸二丁酯脂肪族二元酸二丁酯脂肪族二元酸二丁酯(增塑剂增塑剂)丁二烯丁二烯醋酸丁酯醋酸丁酯(溶剂溶剂)丁胺丁胺 丁醇还是一种重要的平台化合物丁醇还是一种重要的平台化合物丁醇丁醇聚丁二烯橡胶聚丁二烯橡胶丁苯橡胶丁苯橡胶2012年我国消费量年我国消费量约为约为277万吨万吨/年年酯化、取代、消去、氧化、还原丁醛、丁酸丙烯酸丁酯邻苯二甲6 沙特基础工业公司沙特基础工业公司(SABIC)2013年年6月月23日日宣布：沙特丁醇公司宣布：沙特丁醇公司(SaBuCo)将建设世界上最大将建设世界上最大的正丁醇厂；建设产能包括正丁醇的正丁醇厂；建设产能包括正丁醇 33万吨万吨/年和年和异丁醇异丁醇1.1万吨万吨/年的装置，计划于年的装置，计划于2015年投产。年投产。2005年美国能源部进行了一项以丁醇作为汽车唯一燃料的试验，穿越10个州，历时1个月，行程16 000多公里。在10个州的测定结果表明，1 L丁醇完全可以替代1 L汽油。沙特基础工业公司(SABIC)2017丁醇研究和生产现状丁醇研究和生产现状 ABE发酵发酵(丙酮丙酮:丁醇丁醇:乙醇乙醇=3:6:1)：曾是全球：曾是全球第二大第二大发酵工业发酵工业我国始于我国始于1956年，年，80年代初年代初50余家，余家，1996年最后一年最后一家家(华北制药华北制药)停产。停产。主要生产菌株主要生产菌株丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌等丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌等5个种个种遗传操作系统已经基本建立遗传操作系统已经基本建立 菌种方面：菌种方面：拓宽底物谱，提高对廉价底物的利用能力，拓宽底物谱，提高对廉价底物的利用能力，提高丙酮丁醇转化率，提高溶剂耐受能力提高丙酮丁醇转化率，提高溶剂耐受能力丁醇研究和生产现状 ABE发酵(丙酮:丁醇:乙醇=3:6:182 pyruvateglucose2 acetyl-CoAAcetyl-PpflB2ATP,2NADHacetateATPptaacetaldehydeNADHNADHethanolthlacetoacetyl-CoAacetoacetateacetoneadcctfABNADH3-hydroxybutyryl-CoAhbdcrtcrotonyl-CoAbcdNADHbutytyl-CoAbutyryl-PbutyrateptbbukATPbutyraldehydebutanolNADHNADHMetabolic pathways of Metabolic pathways of C.acetobutylicumC.acetobutylicumadhE/adhE2adhE/adhE2adhE/adhE2adhE/adhE22 pyruvateglucose2 acetyl-CoAA91 阻断丙酮和阻断丙酮和/或乙醇的生物合成途径或乙醇的生物合成途径glucoselactateacetyl-CoACO2H2ethanolAcetic acidacetoacetyl-CoAacetonebutytyl-CoAbutyratebutanol pyruvateEMPldhadhEadhEadcbuk主产物途径主产物途径副产物途径副产物途径XXRaw materialptbctfABhbdcrtbcdpflBCO21 阻断丙酮和/或乙醇的生物合成途径glucoselacta10 酰基转移酶和乙酰乙酸脱羧酶，酰基转移酶和乙酰乙酸脱羧酶，分别由分别由ctfAB 基因基因和和adc 基因基因编码。编码。其中敲除其中敲除ctfA 基因的菌株丧失了丙基因的菌株丧失了丙酮生成能力，但同时丁醇和乙醇的酮生成能力，但同时丁醇和乙醇的生成能力亦有明显下降生成能力亦有明显下降;基因敲除法阻断丙酮生物合成途径基因敲除法阻断丙酮生物合成途径 酰基转移酶和乙酰乙酸脱羧酶，分别由ctfAB11基因敲除法阻断丙酮生物合成途径基因敲除法阻断丙酮生物合成途径 将酸产生途径中的将酸产生途径中的pta 基因基因和和buk 基因基因进行双敲除，阻断丙酮生物合成进行双敲除，阻断丙酮生物合成途径。这是迄今为止通过代谢工程手途径。这是迄今为止通过代谢工程手段获得的丁醇产量和转化率最高（分段获得的丁醇产量和转化率最高（分别为别为18.9 g/L和和31.2%）的丙酮丁醇）的丙酮丁醇梭菌突变体。梭菌突变体。基因敲除法阻断丙酮生物合成途径 将酸产生12基因敲除法阻断乙醇生物合成途径基因敲除法阻断乙醇生物合成途径 敲除指导合成乙醇脱氢酶的敲除指导合成乙醇脱氢酶的AdhE基因基因，可有效阻断副产物，可有效阻断副产物乙醇的产生。乙醇的产生。基因敲除法阻断乙醇生物合成途径 敲除指导合成乙13基因敲除法阻断乙酸生物合成途径基因敲除法阻断乙酸生物合成途径 pta 基因基因和和ack 基因基因是生产乙酸的是生产乙酸的2 个必须基因。实验表明：个必须基因。实验表明：pta 基因突变基因突变体的丁醇生产能力没有明显变化；而体的丁醇生产能力没有明显变化；而用用II 型内含子型内含子的方法插入失活了的的方法插入失活了的pta 基因，基因，pta 基因突变体的丁醇生产能力基因突变体的丁醇生产能力却提高了却提高了46%。ack 基因突变体的丁基因突变体的丁醇产量提高了醇产量提高了16%。基因敲除法阻断乙酸生物合成途径 pta 基因和142丁醇合成能力的优化丁醇合成能力的优化 丙酮丁醇梭菌是一丙酮丁醇梭菌是一种严格厌氧发酵的菌株，种严格厌氧发酵的菌株，控制菌株氧气耐受性的控制菌株氧气耐受性的基因主要是基因主要是perR 基因基因。研究人员发现敲除研究人员发现敲除perR 基因可以在很大程度上基因可以在很大程度上提高丙酮丁醇梭菌的氧提高丙酮丁醇梭菌的氧气耐受性，并且提高了气耐受性，并且提高了菌株对氧气的消耗速率。菌株对氧气的消耗速率。提高菌种提高菌种耐受性耐受性葡萄糖葡萄糖乙酰辅酶乙酰辅酶A乙酰乙酰乙酰乙酰辅酶辅酶A丁酰丁酰辅酶辅酶A丙酮酸丙酮酸丁醇丁醇玉米淀粉玉米淀粉2丁醇合成能力的优化 丙酮丁醇梭菌是一种严格厌氧152丁醇合成能力的优化丁醇合成能力的优化丁醇和丙酮的产量丁醇和丙酮的产量大幅下降大幅下降丁醇产量会有所丁醇产量会有所提高，但也会加提高，但也会加快孢子形成快孢子形成 在丙酮丁醇梭菌的发酵过程中，部分菌体会在丙酮丁醇梭菌的发酵过程中，部分菌体会形成孢子，菌浓下降，对溶剂生产不利。形成孢子，菌浓下降，对溶剂生产不利。SpoOA 基因有控制孢子形成和调控溶剂基因表达的作用。基因有控制孢子形成和调控溶剂基因表达的作用。SpoOA 基因基因 敲除敲除过表达过表达寻找平衡寻找平衡点，使丁点，使丁醇产醇产量尽量尽可能提高可能提高。2丁醇合成能力的优化丁醇和丙酮的产量大幅下降丁醇产量会有所提16 adhE/adhE2是控制丁醇合成的丁是控制丁醇合成的丁醇脱氢酶，醇脱氢酶，aad 基因基因是控制丁醇脱氢酶是控制丁醇脱氢酶合成的基因，合成的基因，过表达过表达aad 基因可以有效基因可以有效提高丁醇产量。提高丁醇产量。过表达过表达thl 基因可以促进基因可以促进乙酰乙酰-CoA 更多转化为丁酰更多转化为丁酰-CoA，也能，也能有效地提高丁醇得率。有效地提高丁醇得率。2丁醇合成能力的优化丁醇合成能力的优化 adhE/adhE2是控制丁醇合成的丁醇173 利用大肠杆菌生产丁醇利用大肠杆菌生产丁醇敲除竞争基因敲除竞争基因大肠杆菌大肠杆菌丁醇丁醇成成功功表表达达可产生可产生hbdhbd、crtcrt、bcdbcd、etfABetfAB和和adhE2 adhE2 基因基因adhEadhE、ldhAldhA、frdBCfrdBC、fnrfnr、ptapta基因基因同时同时表达大肠杆菌自身表达大肠杆菌自身的硫解酶基因的硫解酶基因atoBatoB，打，打通丁醇生物合成通道。通丁醇生物合成通道。3 利用大肠杆菌生产丁醇敲除竞争基因大肠杆菌丁醇成功表达可产18 来自齿垢密螺旋体的(Treponema denticola)的Ter基因催化糠醛辅酶A 到丁酰辅酶A 的Bcd/EtfAB 蛋白复合体进一步提高丁醇含量进一步提高丁醇含量被替换为被替换为被替换为被替换为催化反应催化反应催化反应催化反应是是是是可逆可逆可逆可逆的的的的催化反应是催化反应是催化反应是催化反应是不可逆不可逆不可逆不可逆的的的的增强丁醇增强丁醇代谢流代谢流同时表达了大肠杆菌自身的硫解酶基因phaA 和丙酮酸脱氢酶复合体aceEF-lpd操纵子。来自齿垢密螺旋体的(Treponema dent19 将增强将增强NADHNADH和和乙酰辅酶乙酰辅酶A A的的供给作为两个驱动力引入大肠杆供给作为两个驱动力引入大肠杆菌，以增强丁醇代谢流菌，以增强丁醇代谢流。进一步提高丁醇含量进一步提高丁醇含量 将增强NADH和乙酰辅酶A的供给作为两个驱动力引入20进一步提高丁醇含量进一步提高丁醇含量 在大肠杆菌中表达在大肠杆菌中表达甲酸脱氢酶甲酸脱氢酶，催化丙，催化丙酮酸甲酸裂解酶生成甲酸的同时，形成还原酮酸甲酸裂解酶生成甲酸的同时，形成还原力力NADH，并敲除菌体自身消耗还原力的途，并敲除菌体自身消耗还原力的途径：琥珀酸生成途径、乳酸生成途径和乙醇径：琥珀酸生成途径、乳酸生成途径和乙醇生成途径生成途径(adhE、ldhA、frdBC)。进一步提高丁醇含量 在大肠杆菌中表达甲酸脱氢酶，21进一步提高丁醇含量进一步提高丁醇含量 菌体为了保持氧化还原的平衡，必须菌体为了保持氧化还原的平衡，必须通过产生丁醇来通过产生丁醇来消耗消耗过多的过多的NADH。同时。同时还可以敲除大肠杆菌自身的还可以敲除大肠杆菌自身的pta 基因基因，增，增加乙酰辅酶加乙酰辅酶A 的供给。的供给。进一步提高丁醇含量 菌体为了保持氧化还原的平衡，22展望展望 代谢工程应用于丁醇发酵的目标就是要得到一种高耐受性、高浓度、长周期和高丁醇产率和选择性的菌株。尽管目前丙酮丁醇基因工程菌的生产能力还没有达到预期的目标，但随着基因工程和代谢工程的不断发展和成熟,基因工程菌将在生物法生产丙酮丁醇的工业化生产中发挥重要的作用。相信在不久的将来，利用基因工程菌以可再生资源为原料生产丙酮、丁醇必将向传统的化学法提出强有力的挑战，成为运用生物技术生产重要化工原料的重要途径之一。展望 代谢工程应用于丁醇发酵23参考文献参考文献1 Yan-Ning Zheng,Liang-Zhi Li.etc Problems with the microbial production of butanol J.J Ind Microbiol Biotechnol,2009,36:11271138.2宋锦玉宋锦玉.新一代的生物燃料新一代的生物燃料丁醇的开发动向丁醇的开发动向J.当代当代化工化工,2011,40(6):631-6333闫永亮闫永亮,刘宏娟刘宏娟,张建安张建安.代谢工程在生物丁醇生产中的应代谢工程在生物丁醇生产中的应用及研究进展用及研究进展J.现代化工现代化工,2012,32(4):25-294韩伟韩伟,张全孙张全孙,佟明友佟明友,关浩关浩,姚秀清姚秀清.对新一代生物燃料丁对新一代生物燃料丁醇的概述醇的概述J.安徽农业科学安徽农业科学,2013,41(11):4964-49665戴宗杰戴宗杰,董红军董红军,朱岩等朱岩等.生物丁醇代谢工程的研究进展生物丁醇代谢工程的研究进展J.生物加工过程生物加工过程,2013,11(2):58-646何景昌何景昌,张正波张正波,裘娟萍裘娟萍.生物丁醇合成途径中关键酶及生物丁醇合成途径中关键酶及其基因的研究进展其基因的研究进展J.食品与发酵工业食品与发酵工业,2009,35(2):116-120参考文献24