发酵工程原理与技术_江南大学-陈坚-2第二章发酵过程的生物学基础

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1、第二章发酵过程的生物学基础11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22第一节第一节发酵过程与微生物发酵过程与微生物â.微生物与发酵â.微生物细胞工厂33一、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

2、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。44二、微生物细胞工厂五碳糖ATP(木糖、阿拉伯糖)ADP苯C3酮酸C3烯酸C3醇芳香族水解转移C5糖~P裂解还原合成化合物异构生物质C3烯酰CoAC3酮聚酮粗原料分解裂解H2转移转移聚羟基酶系裂解CO2裂解烷酸C3羟酸氧化C4CoA还原高分子水解C7糖~PNADP+C4醇还原NAD+C1酸合成聚合物NADPH还原转移NADHNAD+NADH六碳糖转移转移裂解氧化转移(葡萄糖C6糖~P转移C3酮酸氧化C2CoAC2~PC2酸甘

3、露糖)C4糖~PATPPi+O2CO2ADPATP生物ATPADP裂解转移NAD+CO还原燃料NADH2还原氧化转移异构ADP裂解NADHC2醛C2醇C3醛~PC3C3酮酸~P转移NAD+CONADHNAD+2NAD+NADHADPATP酸~PHOC1-C62C6酸氧化CO异构合成2平台转移还原裂解还原C4酸NAD+C5酮酸C3羟酮~PC3二醇NADH化合物C4CoAADPATPNADHNAD+HONADHNAD+合成氧化2CO2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55细胞工厂的生产模式

4、ó选择性生ó高效性物生物炼制ó含氧原料细胞工厂ó手性特征3-羟基丙酸质丙烯酸石分分建筑、纺织、包装减裂分精分氧氧压离离离化离化目前国内需求55化馏油万吨，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CO2排放。66“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

5、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。77“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

6、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88“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。99细胞工厂的挑战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

7、合成不能合成定向合成乙醇产量(g/L)浓度(g/L)130~150谷氨酸100木糖木糖阿拉伯糖微柠檬酸葡萄糖半乳糖生甘露糖丁醇时间物丁二酸木糖利用速率:葡萄糖1/4乙烯(?)时间转化率:10-40%葡萄糖丙烯酸(?)(淀粉)3-羟基丙酸(?)1010细胞工厂的构建细胞工厂高效利用生物质高效生产目的产物出发菌株遗传修饰设计策略代谢分析细胞工厂构建的策略1111细胞工厂的构建•基于基因组序列数据、代谢组分析和通量组计算重构代谢网络，是构建生物炼制细胞工厂的基础。•在此基础上，利用计算生物学的方法，整合转录组学、蛋

8、白质组学和代谢组学所产生的数据，理解微生物对不同的细胞内和环境刺激的应答情况，利用适当的算法解析代谢网络结构，确定其中的关键节点，可以设计出新的代谢工程策略，设法调节代谢流向目标产物产量最大化的方向流动，从而构建高效的细胞工厂。1212第五节微生物的代谢调节在生物进化过程中，微生物细胞形成了愈来愈完善的代谢调节机制，在代谢繁殖过程中，能量的利用以及对细胞生长繁殖过程中所需的各种物质的形成是非常合理和