极高光学纯D-和L-乳酸发酵制造新技术.pptVIP

极高光学纯D-和L-乳酸发酵制造新技术 王正祥 路福平 主要内容 1.研究背景 2.研究内容 3.技术路线 4.成果展示 什么是极高光学纯D-和L-乳酸？ 研究背景 D-乳酸 L-乳酸 DL-乳酸 单个的乳酸分子中有一个羟基和一个羧基，多个乳酸分子在一起，-OH与别的分子的-COOH脱水缩合，-COOH与别的分子的-OH脱水缩合，它们手拉手形成了聚合物，叫做聚乳酸(PLA)。聚乳酸也称为聚丙交酯，属于聚酯家族。 为什么需要极高光学纯D-和L-乳酸？ 研究背景 什么是生物可降解聚乳酸？ 研究背景 日光 光合 微生物发酵 加工聚合 土壤 生物可降解的意义—塑料制品的使命与归宿 研究背景 使命：承载了生活中的点点滴滴 归宿：白色污染 研究背景 生物可降解的意义—聚乳酸制品 K. Jim Jem et al. Microbial Lactic Acid, Its Polymer Poly(lactic acid), and Their Industrial Applications. 2009. 生物可降解的意义—保护环境，聚乳酸有责 研究背景 K. Jim Jem et al. Microbial Lactic Acid, Its Polymer Poly(lactic acid), and Their Industrial Applications. 2009. 丙交酯 单体缩聚 聚乳酸 开环聚合 聚合修饰 发酵生产 单糖 乳酸 研究背景 聚乳酸的生产链条—微生物发酵法 聚乳酸的生产链条—微生物发酵法 丙交酯 单体缩聚 聚乳酸 开环聚合 聚合修饰 发酵生产 单糖 乳酸 58℃ 108℃ 研究背景 聚乳酸的生产链条—聚乳酸的单体 大肠杆菌 ☆ 优点： ①合成光学纯度D-乳酸 ②生长速度快 ③营养需求低 ④遗传背景清晰 ☆ 缺点： ①野生型菌株甲酸、乙酸、乙醇、丙酮酸和琥珀酸等副产物含量较高 研究背景 大肠杆菌合成D-乳酸 研究内容 阻断副产物合成途径 增强D-乳酸合成途径 选育D-乳酸合成菌株 实现D-乳酸高效合成 D-乳酸高效合成菌株的育种过程 实现L-乳酸高效合成 副产物合成途径的阻断 技术路线 L. Zhou et al. D-lactate production strategy Curr Microbiol. 2011 ☆ ldhA基因不表达：快速合成菌体，不形成乳酸。 ☆ ldhA基因过量表达：丙酮酸向乙酰-CoA的代谢流被截留，3-C中间代谢产物缺乏，细胞生长不良。 ☆ ldhA基因适度表达既能快速合成菌体，又能高效合成乳酸 。 调控D-乳酸合成强度 技术路线 Pyruvate Glucose Biomass Lactate Byproducts ldhA 0 1 2 3 4 NADH NAD+ L. Zhou et al. Fine tuning the transcription of ldhA for D-lactate production J Ind Microbiol Biotechnol. 2012 开关控制D-乳酸合成 技术路线 Pyruvate Glucose Biomass Lactate Byproducts ☆菌株B0013-070在菌体生长阶段合成7 g/L乳酸，与细胞合成竞争底物，由于在大规模发酵过程中供氧能力显著降低，好氧阶段乳酸的积累会进一步增加，菌体量的积累进一步降低，使得乳酸体积生产强度降低。 ☆ 对重组菌株乳酸合成途径进行开关式控制，使得在菌体生长阶段乳酸合成反应处于关闭状 态，快速积累菌体量；当达到一定的菌体浓度时，高表达乳酸合成途径，快速合成乳酸，提高 乳酸的生产强度。 N2 O2 L. Zhou et al. Genetically switched D-lactate production in Escherichia coli. Metab Eng. 2012 菌体生长精确调控下的D-乳酸高效合成 技术路线 通过营养素添加精确控制菌体生长 过渡阶段营养素逐渐消耗产酸启动 营养素缺乏菌体生长受限快速产酸 Glucose Pyruvate D-lactate Formate Acetate Ethanol Succinate TCA 菌体生长精确调控下的L-乳酸高效合成 技术路线 Glucose Pyruvate L-lactate Formate Acetate Ethanol Succinate TCA D-lactate 菌体生长精确调控下的L-乳酸高效合成 技术路线 ☆ 乳酸产量达125.1 g/L，是目前重组大肠杆菌以葡萄糖作为惟一碳源发酵生产乳酸的报道中水平较高的。 ☆ 副产物琥珀酸含量仅为1.3 g/L，乙醇含量也极低。 ☆ 尽管已删除了三条乙酸合成