《有机酸发酵》有机酸发酵工业进展

,有机酸发酵工业进展,报告内容,一,.,有机酸发酵工业概况,二,.,中国有机酸发酵工业现状及成就,三,.,中国有机酸发酵研究进展举例,丙酸发酵,-,酮戊二酸发酵,四,.,中国有机酸发酵工业展望,一、有机酸发酵工业概况,柠檬酸,乳酸,乙酸,丙酸,苹果酸,衣康酸,葡萄糖酸,丙酮酸,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，其酸性源于羧基,(-COOH),Various substances that can be derived from succinic acid by chemical conversion.,Trends in Biotechnology,2008:100-108,有机酸概述,有机酸也是重要的平台化合物,Renewable,raw materials,全球有机酸的产量超过,300,万吨、产值超过,50,亿美元,柠檬酸,乳酸,苹果酸,葡萄糖酸,醋酸,衣康酸,曲酸,丙酮酸,酒石酸,丙酸,C2,C3,C4,C5,C6,丙烯酸,富马酸,酒石酸,有机酸发酵概况,二、中国有机酸发酵工业现状及成就,中国有机酸发酵工业现状,有机酸工业是发酵工业领域一个成熟的分支。,2012,年中国有机酸的总产量超过,200,万吨。,柠檬酸,乳酸,苹果酸,葡萄糖酸,醋酸,衣康酸,曲酸,丙酮酸,食品和饮料,医药工业,化学工业,建筑业,例如：酸味剂,例如：抗凝血剂,例如：洗涤剂,例如：混泥土,日照鲁信金禾生化有限公司,安徽丰原集团,河南金丹乳酸科技股份有限公司,潍坊英轩实业有限公司,山东柠檬生化有限公司,宜兴协联生物化学有限公司,杭州宝晶生物化工有限公司,青岛科海生物有限公司,天富生化技术有限责任公司,西王集团,主要生产企业,产品,应用领域,沈阳科纳提克公司,酒石酸,其他工业,例如：显影剂,琥珀酸,安徽雪郎生物科技股份有限公司,丙酸,中国有机酸发酵工业成就,(1),自主创新能力显著增强,研发投入加大：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,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,发酵行业技术创新服务平台,衣康酸：,2000,年获国家科技进步二等奖。,长链二元酸：,2006,年获国家科技进步二等奖。,丙酮酸：,2006,年获国家科技进步二等奖。,L-,乳酸：,2011,年获国家科技进步二等奖。,“丙酮酸发酵技术”被世界上最大发酵公司之一日本味之素公司购买，成为,该公司从中国购买的第一个技术,。,中国有机酸发酵工业成就,(2),产品产量迅速提高、产品结构更趋合理,近,20,年，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,2-3,个发展到,10,余个。,产 品,1992,1997,2002,2007,2012,柠檬酸,16,21,32.7,89,107,乳 酸,0.5,1.25,4.5,13,衣康酸,0.3,0.75,2,3,葡萄糖酸钠,0.3,8,25,50,近,20,年有机酸主要产品产量,单位：万吨,中国有机酸发酵工业成就,(3),生产技术水平不断上升（以柠檬酸为例）,12.3%,发酵产酸,16.5%,1999,年,2012,年,77%,提取总收率,90%,1999,年,2012,年,发酵周期,72hr,55hr,1999,年,2012,年,成品粮耗,1.86t/t,1.59t/t,1999,年,2012,年,汽耗,12.5t/t,4.3t/t,1999,年,2012,年,电耗,1985kW/t,966kW/t,1999,年,2012,年,水耗,142m,3,/t,16m,3,/t,1999,年,2012,年,有机酸行业龙头近年来纷纷通过扩大优势产品的产能，提高抗风险能力，使得行业产业集中度呈现逐步提高态势，规模经济效应也使行业平均期间费用率呈现下降的趋势，这有利于保障行业的盈利能力提升与长期发展。,中国有机酸发酵工业成就,(4),企业规模扩大，产业集中度增强,行 业,产 量,企业个数,产量占总量比例,(%),柠檬酸,20,万吨以上,5,80,乳酸,2,万吨以上,2,73,葡萄糖酸钠,2,万吨以上,6,80,衣康酸,1,万吨以上,2,90,我国有机酸发酵行业产业集中度,中国有机酸发酵工业成就,(5),新技术、新材料和新装备得到广泛应用,酶技术、膜技术和计算机技术越来越多的被采用,设备趋于大型化、连续化和自动化,三,.,中国有机酸发酵研究进展丙酸,丙酸的应用及市场,2012:260m lbs(117,936 tonnes),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,37.7,万吨,75%,用于谷物,和饲料防腐,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,细胞壁裂解条件优化,Blank,1,2,3,4,5,6,7,8,Lysozyme,0,0.5,0,0.5,0.5,1,1,1,0,Proteinase K,0,0,0.5,0.5,1,0.5,1,0,1,Result,-,-,-,+,+,+,+,-,-,条件,:,溶菌酶,20 mg/mL 37,o,C,蛋白酶,K 2 mg/mL 56,o,C.,“,-,”,表示细胞壁没有裂解,.,“,+,”,表示细胞壁被裂解,.,菌种,是否含有质粒,P.a,25,32,29,30,24,36,质粒电泳图,质粒鉴定分析,质粒,ORF,转录水平分析,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,过量表达甘油脱氢酶（,gldA,），提高对甘油的利用速率,过量表达苹果酸脱氢酶（,mdh,），富马酸水合酶（,fumC,），提高丙酸代谢途径通量,gldA,mdh,fumC,过量表达甘油脱氢酶,电转化,24,1000,菌落,PCR,菌种鉴定,Marker,1000 12,Marker,1 5 11 1000 12 35 37,1000,Marker,1000 12,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,.,29,29(pZGX03-,gldA,),菌株,PA,(g/L),Y,P/S,(g/g),Y,P/A,(g/g),r,PA/Glycerol,(g/g),生产强度,(g L,-1,h,-1,),29,22.06,14.61,8.2,0.73,0.15,29(pZGX03-,gldA,),28.23,23,9.08,0.941,0.20,培养基及培养条件优化,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,PA,DCW,PA,DCW,SA,最佳碳源为,20 g/L,甘油，最佳氮源为酵母粉，最适浓度为,10 g/L,。,最佳接种量为,10%,，最佳接种龄为,48-60h,左右种子，最佳培养温度为,30,。,Control,2.10,4.37,12.33,4,2.10,5.27,11.46,8,2.15,5.59,12.46,12,2.26,4.78,11.63,16,2.13,5.34,11.59,MgSO,4,7H,2,O(mg/L),DCW(g/L),SA(g/L),PA(g/L),金属,Mg,2+,对发酵过程影响,金属,Co,2+,对发酵过程影响,DCW(g/L),SA(g/L),PA(g/L),Control,1.64,4.04,10.98,4,1.66,4.55,10.98,8,1.67,3.96,10.61,12,1.61,4.07,10.37,16,1.57,3.72,10.06,ZnSO,4,7H,2,O(mg/L),金属,Zn,2+,对发酵过程影响,金属,Mn,2+,对发酵过程影响,PA,SA,DCW,MnSO4H,2,O(mg/L),DCW(g/L),SA(g/L),PA(g/L),Control,1.64,4.04,10.98,4,1.84,5.81,11.01,8,1.76,4.71,11.27,12,1.75,4.14,10.75,16,1.75,4.42,11.30,培养基及培养条件优化,-,金属离子,最佳,Co,2+,浓度为,10 mg/L,发酵模式研究,-,分批发酵,甘油初始浓度对丙酸发酵过程的影响,20 g/L,50 g/L,70 g/L,80 g/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/L,20 g/L,50 g/L,80 g/L,20 g/L,50 g/L,70 g/L,80 g/L,分批发酵过程中，随着甘油浓度的增加，菌体比生长速率及丙酸的比合成速率显著下降，说明较高的甘油浓度不利于菌体生长及丙酸的合成。,参数,初始甘油浓度（,g/L,）,20,50,70,80,剩余甘油浓度（,g/L,）,0.020.001,0.030.0015,0.10.05,0.120.06,发酵时间（,h,）,1206,1508,30017,35024,细胞干重（,g/L,）,1.86 0.06,3.79 0.13,2.13 0.07,2.01 0.05,丙酸产量（,g/L,）,15.720.41,28.530.82,29.210.73,32.000.91,乙酸产量（,g/L,）,1.200.04,2.560.08,3.410.12,5.200.21,琥珀酸产量（,g/L,）,2.310.71,4.240.32,5.530.21,6.710.23,丙酸,/,琥珀酸（,g/g,）,6.810.33,6.730.30,5.280.32,4.770.23,丙酸,/,乙酸（,g/g,）,13.100.53,11.140.62,8.570.42,6.150.31,丙酸,/,甘油（,%,）,793.9,572.8,422.1,401.8,丙酸生产强度（,gL,-1,h,-1,）,0.130.0052,0.190.0095,0.100.0031,0.090.0036,发酵模式研究,-,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，发酵时间明显延长，生产强度显著下降；菌体干重先升高后降低；初始甘油浓度在,20 g/L50 g/L,时适合菌体生长。,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,发酵模式研究,-,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,一次性添加,160g,纯甘油；,residual glycerol,PA,DCW,SA,*,AA,参数,培养模式,A,B,C,D,剩余甘油浓度（,g/L,）,0.020.001,0.030.0015,0.10.05,0.120.06,发酵时间（,h,）,24014,22011,20011,25015,细胞干重（,g/L,）,2.99 0.09,4.76 0.17,3.79 0.11,4.1 0.14,丙酸产量（,g/L,）,34.811.01,44.621.12,35.510.92,43.501.21,乙酸产量（,g/L,）,2.710.08,2.420.08,2.810.09,2.510.06,琥珀酸产量（,g/L,）,4.210.12,3.520.23,4.520.21,4.110.13,丙酸,/,琥珀酸（,g/g,）,8.270.40,12.680.51,7.860.32,10.580.49,丙酸,/