第二章 发酵过程的生物学基础
1 1 第二章 发酵过程的生物学基础
本章的教学内容 第一节发酵过程与微生物 第二节 微生物的营养与培养基的设计 第三节微生物的生长模式及其动力学 第四节环境对微生物的影响 第五节 代谢产物的代谢调控 第六节 微生物代谢产物的过量产生 2
2 2 本章的教学内容 第一节 发酵过程与微生物 第二节 微生物的营养与培养基的设计 第三节 微生物的生长模式及其动力学 第四节 环境对微生物的影响 第五节 代谢产物的代谢调控 第六节 微生物代谢产物的过量产生
第一节 发酵过程与微生物 微生物与发酵 1,微生物细胞工口
3 3 第一节 发酵过程与微生物 第一节 发酵过程与微生物 k .微生物与发酵 k .微生物细胞工厂
一、 微生物与发酵 发酵工程是以微生物的生命活动为中心的 。 微生物的生物学性状和发酵条件决定了其相应产物 的生成 ·工业上用的全部微生物都称为工业微生物，工业生 产上常用的微生物主要是细菌、放线菌、酵母菌和 霉菌 ·由于发酵工程本身的发展以及基因工程正在进入发 酵过程，病毒、藻类等其它微生物也正在逐步地变 为工业生产菌。 4
4 4 一、微生物与发酵 • 发酵工程是以微生物的生命活动为中心的 • 微生物的生物学性状和发酵条件决定了其相应产物 的生成 • 工业上用的全部微生物都称为工业微生物，工业生 产上常用的微生物主要是细菌、放线菌、酵母菌和 霉菌 • 由于发酵工程本身的发展以及基因工程正在进入发 酵过程，病毒、藻类等其它微生物也正在逐步地变 为工业生产菌
二、微生物细胞工厂 五碳糖 47 (木糖、阿拉伯糖) YY人C⊙雨酸 C3烯酸 C3薄 芳香族 水解 转移 裂解 还原 合成 化合物 生物质 C⑤塘-P异构 来酮 粗原料 分解 转移 裂解 C3烯酰CoA H, C3丽 裂解 裂解 转移， 烷酸 氯化 水解 (c7塘-P C3羟酸 (C4COA 还原 高分子 NADP 还原 NADPH还原 NAD 转移⊙ 合成 +C④唐 聚合物 NADH 六碳糖 转移 转移 NADH 裂解 氧化 转移 (葡萄糖 C6-p 转移 C③丽酸氧化 (C2)CoA C2P (C2酸 甘露糖) ATP 裂解 C④塘-P ATP PAO,CO, 生物 转移 NAD- 还 料 C3屋-p 氧化转移异构 -ADP C3 还原，C2磨 转移 NADH ADP ATP 酸P @ 异构 合成 C⑤酸氧化，o C1-C6 平台 C3羟聊-p 转移还原裂解还原 NAD AD⑤雨骏 化合物 合成 @coA氧化 co: 将生物质原料各类组分，高效、定向合成燃料、材料与各类化学品 5
5 5 二、微生物细胞工厂 裂解 生物 燃料 C1-C6 平台 化合物 高分子 聚合物 芳香族 化合物 C2 酸 C2 醇 C3 酮酸 C2 CoA C2 醛 C2 ~P 转移 ADP ATP 还原 NADH NAD+ 氧化 Pi+O2 CO2 还原 NADH NAD+ C1 酸 氧化 NADH CO2 NAD+ 转移 C3 C3 酮酸~P 酸~P 转移 裂解 H2O C3 醛~P 异构 NAD+ NADH ADP ATP 氧化 转移 ADP ATP C3 羟酮~P 异构 C3 二醇 裂解 NADH NAD+ 还原 ADP ATP 转移 NADH NAD+ 还原 H2O 生物质 粗原料 C6 糖~P 裂解 转移 ATP ADP C5 糖~P C7 糖~P C4 糖~P 转移 ADP ATP 转移 转移 还原 NADPH NADP+ 苯 C3 酮酸 裂解 异构 C3 羟酸 还原 裂解 C3 烯酰CoA NADH NAD+ 裂解 C3 烯酸 氧化 CO2 H2 合成 C4 CoA C3 酮 C3 醇 裂解 还原 还原 NADH NAD+ C4 醇 聚酮 合成 转移 聚羟基 烷酸 C4 酸 C6 酸 C5 酮酸 C4 CoA 合成 CO2 转移 氧化 NAD+ NADH CO2 CO 氧化 合成 2 六碳糖 (葡萄糖 甘露糖) 五碳糖 (木糖、阿拉伯糖) 分解 转移 酶系 水解 水解 将生物质原料各类组分，高效、定向合成燃料、材料与各类化学品
细胞工厂的生产模式 物 质 3羟基丙酸 丙烯酸 石 建筑、纺织、包装 氧 压 精 目前国内需求55 万吨，产值88亿 实现One-Pot反应，缩短石油化学品生产的工艺流程，减 少原油资源消耗，降低投资成本，减少污染与CO排放。 6
6 6 减 压 精 馏 氧 化 氧 化 丙烯酸 建筑、纺织、包装 目前国内需求55 万吨， 产值88亿 生 物 质 生物炼制 细胞工厂 细胞工厂的生产模式 实现One-Pot反应，缩短石油化学品生产的工艺流程，减 少原油资源消耗，降低投资成本，减少污染与CO2排放。 分 离 裂 化 分 离 分 离 分 离 y选择性 y高效性 y含氧原料 y手性特征 3-羟基丙酸 石 油
“微生物细胞工厂”概述 所谓工厂”，就是能够生产或制造某种产品，或者 进行某种处理程序的场所。因此，一般意义上的工 厂”应该具备特定的生产线，以及相应的动力等辅 助系统，并且需要在一定的管理程序下才能正常运 转，尤其重要的是“工厂”的各要素是根据人的意志 “设计”进行的，可以根据需求设计生产线及辅助系 统等，并调控生产进度。 ·“细胞工厂”也具备相应的组成要素，同样地，对于 “细胞工厂”而言，其“可设计性”也是最重要的。这 就首先需要了解菌体的遗传操作背景及原有的代谢 途径或网络，因此细胞工厂的构建多在遗传背景相 对清楚的模式菌的基础上进行
7 7 “微生物细胞工厂”概述 • 所谓“工厂”，就是能够生产或制造某种产品，或者 进行某种处理程序的场所。因此,一般意义上的“工 厂”应该具备特定的生产线，以及相应的动力等辅 助系统，并且需要在一定的管理程序下才能正常运 转，尤其重要的是“工厂”的各要素是根据人的意志 “设计”进行的，可以根据需求设计生产线及辅助系 统等，并调控生产进度。 • “细胞工厂”也具备相应的组成要素，同样地，对于 “细胞工厂”而言，其“可设计性”也是最重要的。这 就首先需要了解菌体的遗传操作背景及原有的代谢 途径或网络，因此细胞工厂的构建多在遗传背景相 对清楚的模式菌的基础上进行
“微生物细胞工厂”概述 “工厂”组织和调控要素 相应的细胞结构或调控要素 生产线 产物合成/底物降解途径 动力等辅助系统 胞内能量及辅因子系统 管理程序 胞内复杂的调节控制系统和 对外界调控的响应能力 根据需求设计生产线，并 在遗传背景相对清楚的模式 调控生产进度 菌中构建新的代谢途径或进 行代谢调控 8
8 8 “微生物细胞工厂”概述 在遗传背景相对清楚的模式 菌中构建新的代谢途径或进 行代谢调控 根据需求设计生产线, 并 调控生产进度 胞内复杂的调节控制系统和 对外界调控的响应能力 管理程序 动力等辅助系统 胞内能量及辅因子系统 生产线 产物合成/ 底物降解途径 “ 工厂”组织和调控要素 相应的细胞结构或调控要素
“微生物细胞工厂”概述 野生型的菌株通常不能被称之为细胞工厂， 主要是因为： - 野生型菌株代谢速率和产物积累浓度低； 野生型菌株的代谢产物往往是多种产品的混合物 ，直接用于工业生产时产品分离难度较大， - 野生型菌株主要依靠自然进化，速度慢，随机性 强，不适合用于工业生产， 多数微生物底物谱较窄，而生物质成分复杂，难 以被一种微生物全部利用。 9
9 9 “微生物细胞工厂”概述 • 野生型的菌株通常不能被称之为细胞工厂， 主要是因为： – 野生型菌株代谢速率和产物积累浓度低; – 野生型菌株的代谢产物往往是多种产品的混合物 ，直接用于工业生产时产品分离难度较大; – 野生型菌株主要依靠自然进化，速度慢，随机性 强，不适合用于工业生产; – 多数微生物底物谱较窄，而生物质成分复杂，难 以被一种微生物全部利用
细胞工厂的挑战 目前生物炼制的经济竞争力与市场影响力有限 原料利用能力 产品合成能力 精细原料 复杂原料 微量合成 大量合成 不能合成 定向合成 乙醇 产量(gL) 130-150 谷氨酸 木糖 阿拉伯糖 柠檬酸 半乳糖 甘露糖 生 ”丁醇 ,丁三酸 ·乙烯(？) 时间 葡萄糖 丙烯酸(？) (淀粉) 3-羟基丙酸(2) 10 10
10 10 细胞工厂的挑战 细胞工厂的挑战 复杂原料 大量合成 定向合成 微量合成 不能合成 木糖 阿拉伯糖 半乳糖 甘露糖 葡萄糖 (淀粉) 产品合成能力 精细原料 目前生物炼制的经济竞争力与市场影响力有限 原料利用能力 葡萄糖 时间 浓度(g/L) 100 木糖 利用速率: 葡萄糖1/4 转化率: 10-40% 木糖 微 生 物 产量(g/L) 130~150 乙烯(?) 时间 3-羟基丙酸(?) 丙烯酸(?) 丁二酸 乙醇 谷氨酸 柠檬酸 丁醇