微生物发酵生产丁二酸研究进展

丁二酸是微生物三羧酸循环中重要的代谢中间产物,广泛用于生物高分子、食品与医药等行业,市场潜在需求量巨大。文中从3个方面归纳了国内外生物基丁二酸研究进展：能够过量积累丁二酸的微生物的发现和筛选,产丁二酸工程菌构建中所采用的基因工程策略及代谢工程技术,丁二酸发酵过程控制与优化。最后,讨论了微生物法生产丁二酸今后的研究方向。     

生物基丁二酸产业化发展及态势分析

<正>丁二酸作为一种重要的四碳化合物,在工业上,无论是在中间产物、有机合成材料还是专用化学品中,都起到了平台化合物的作用,尤其在农药、食品、燃料、染料、香料、塑料、油漆和材料工业得到了广泛的应用,而生物基丁二酸以其具有节约大量的石油资源并且可以降低由石化方法产生的污染等优点而受到广泛关注。随着生物基丁二酸的工业化技术趋于成熟,全球生物基丁二酸大规模商业化项目也出现陆续投产现象。对丁二酸市场现状及趋势、生物基丁二酸生产企业竞争态势以及产业化技术进行了分析。     

2013生物基化学品 (Biobased Chemicals) 专刊序言

生物基化学品是生物经济和生物制造的核心内容之一。本专刊综述了国内外生物基化学品的重要研究进展,包括：丁二酸、己二酸、乳酸、3-羟基丙酸、葡萄糖二酸、甘油、木糖醇、高级醇、乙烯等生物基化学品的代谢工程和发酵调控,直接利用木质纤维素生产生物基化学品的菌株构建,生物基乳酸的衍生和生物转化技术,生物基化学品的盐析萃取分离纯化技术等。同时,本专刊也包括了国内学者在丁二酸、D-甘露醇、苹果酸、5-氨基乙酰丙酸、1,3-丙二醇和丁醇方面的研究论文。     

串珠镰刀菌素的结构与毒性的关系

用O_3对串珠镰刀菌素去毒处理后,对产物进行了分离纯化,并通过红外、核磁共振等分析,证明串珠镰刀菌素双键消失,四元环已打开,产物为2,3-二羟基-2,3环氧-丁二酸(3)和2-羰基-3-羟基-丁二酸(4).以1日龄北京雏鸭为实验动物,将串珠镰刀菌素及其结构类似物方酸进行生物毒性对比试验,分别灌胃法给毒8mg/kg体重和方酸24mg/kg体重,方酸量为串珠镰刀菌素的三倍时仍无毒性,说明串珠镰刀菌素结构中的H对其毒性起关键作用.这在国内外尚属首次报道.     

环境因素对琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的影响

琥珀酸放线杆菌是发酵生产有应用前景的生物基原料-丁二酸的微生物。本研究室从牛瘤胃中筛选获得一株琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes CGMCC 1593, 分析了环境气体、pH、氧化还原电位(ORP)环境因素对琥珀酸放线杆菌A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的影响。结果表明: CO2不仅提供了A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的最佳气体环境, 也是发酵生产丁二酸的底物之一; MgCO3是A. succinogenes CGMCC 1593发酵过程较好的pH调节剂, 发酵过程维持pH7.1~6.2, 可满足菌体生长与产酸的要求; 发酵液初始ORP过低, 不利于菌体生长, ORP在-270 mV时对丁二酸产生有利。在菌体对数生长期结束时, 通过Na2S·9H2O降低发酵液ORP到-270 mV, 发酵48 h时可产丁二酸37 g/L, 摩尔产率达到129%。这对深入研究A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸具有参考价值。     

环境因素对琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的影响

琥珀酸放线杆菌是发酵生产有应用前景的生物基原料-丁二酸的微生物。本研究室从牛瘤胃中筛选获得一株琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes CGMCC 1593, 分析了环境气体、pH、氧化还原电位(ORP)环境因素对琥珀酸放线杆菌A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的影响。结果表明: CO2不仅提供了A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的最佳气体环境, 也是发酵生产丁二酸的底物之一; MgCO3是A. succinogenes CGMCC 1593发酵过程较好的pH调节剂, 发酵过程维持pH7.1~6.2, 可满足菌体生长与产酸的要求; 发酵液初始ORP过低, 不利于菌体生长, ORP在-270 mV时对丁二酸产生有利。在菌体对数生长期结束时, 通过Na2S·9H2O降低发酵液ORP到-270 mV, 发酵48 h时可产丁二酸37 g/L, 摩尔产率达到129%。这对深入研究A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸具有参考价值。     

大肠杆菌AFP111菌体回收连续转化生产丁二酸

在利用大肠杆菌AFP111厌氧发酵生产丁二酸过程中,随着产物丁二酸的不断积累,菌体活力和产酸能力逐渐降低,而通过回收菌体在新鲜培养基中重复发酵,可延长厌氧发酵时间,但是丁二酸生产效率较低。为了提高菌体回收丁二酸的转化效率,通过在回收菌体时有氧诱导 3 h,以纯水为培养基,进行丁二酸转化发酵。在连续进行 3 批次的发酵后,丁二酸的总产量和最终收率分别为 56.50 g/L和90%,生产速率达到了 0.81 g/(L·h),比未诱导情况下的生产速率提高了13%。     

采用玉米秸秆水解糖和玉米浆发酵生产丁二酸

研究了以玉米秸秆水解糖为碳源,不同氮源条件下琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenesSF-9的丁二酸发酵产酸能力。结果表明玉米浆可以替代酵母膏作为丁二酸发酵的廉价氮源。厌氧摇瓶丁二酸发酵单因素试验,得到在初糖浓度50 g/L时,玉米浆的较佳用量为20 g/L。在5 L搅拌罐上,考察了不同初始玉米秸秆水解糖浓度对A.succinogenes SF-9发酵生产丁二酸的影响,结果显示高初始秸秆糖浓度对琥珀酸放线杆菌的生长有抑制作用。采用补料分批发酵,发酵60 h丁二酸的产量达到42.7g/L,丁二酸产率82.7%,生产强度0.81 g/(L·h)。丁二酸的产量和生产强度较分批发酵有明显提高。     

短链硫酯酶缺失对大肠杆菌合成聚羟基丁酸乳酸酯的影响

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHAs)是一种具有优质生物相容性的可降解生物基材料,其理化性质优越,具备替代石油基塑料的潜力.P(3HB-co-LA)是PHAs的一种,融合了聚乳酸(Polylactic acid,PLA)和聚3-轻基丁酸(poly(3-hydroxybutyrate),P...     

国内生物基材料产业发展现状

近年来,生物基材料正逐步成为引领当代世界科技创新和经济发展的又一新的主导产业。文章综述了国内生物基材料产业的最新进展,对整个生物基材料产业市场进行了综合分析,包括生物基化学品如乳酸、1,3-丙二醇、丁二酸等,可生物降解生物基塑料如二元酸二元醇共聚酯、聚乳酸、二氧化碳共聚物、聚羟基烷酸酯、聚己内酯、热塑性生物质塑料,非生物降解生物基塑料如生物基聚酰胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯、生物基聚氨酯,以及生物基纤维等材料的产业现状。     

葡萄糖二酸研究进展

葡萄糖二酸是一种葡萄糖衍生物,可作为原料制备多种聚合物和生物质新能源,在化工领域具有广泛的应用价值,被认为是"最具价值的生物炼制产品"之一。葡萄糖二酸也具有调控体内激素、提高机体免疫功能、减少癌症病发的作用,它在食品和医药领域的关注度和市场需求逐年增加。目前葡萄糖二酸的制备主要依靠化学氧化法生产,用微生物法合成的研究还处于初级探索阶段。本文综述了葡萄糖二酸的在医药、化工等领域的应用前景,阐述了其生产方法及测定手段,并对微生物法生产葡萄糖二酸进行了展望。     

维生素C发酵研究进展

生物发酵法是生产维生素C的主要途径。目前具有工业应用前景的维生素C发酵途径主要有葡萄糖发酵工艺和山梨醇发酵工艺。我们分别从这2条产生维生素C重要前体2-酮基-L-古龙酸反应路线的代谢机制、反应酶系及工程菌构建等方面出发,综述了维生素C生物发酵的研究现状和最新进展,并对维生素C生物发酵应用前景做了展望。     

国内外生物航煤产业回顾与展望

回顾了近年来国内外生物航煤产业进展,重点综述了通过ASTM D7566(美国材料与试验协会标准)认可的生物航煤生产路线及相应航煤产品性质、油脂原料来源及"十二五"期间国内外生物航煤产业现状,结合笔者自身的研究工作,对未来生物航煤产业发展进行了展望并提出发展建议。     

生物基降解塑料行业现状

发展生物基降解塑料不仅有利于解决"白色污染"问题,同时对减少碳排放以及削弱对石油资源的依赖有重要意义。从产业化角度出发,综述了合成生物基降解塑料产业链现状,系统介绍了聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酯酸(PHA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)及聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)几种重要的合成生物基降解塑料的产业链现状,分析了合成生物基降解塑料的发展趋势及前景。     

秸秆真菌降解转化与可再生化工

秸秆生物质是储量巨大的碳资源,我国每年可用的生物质资源接近10亿t,如果可以转化为燃料乙醇等生物基化学品,有望减少至少2亿t的原油进口量,因此发展秸秆生物转化生产燃料乙醇和大宗化学品是生物制造的核心组成。中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)自建所之初,便提出了“两个替代一个提升”,其中包括以可再生碳资源替代不可再生石化资源生产大宗化学品。发展秸秆生物转化是研究所的长期战略,建所10年来,在这一领域进行了持续系统地研究,取得了显著进展。本文重点综述真菌系统的生物质降解与转化,包括丝状真菌纤维素降解机理,生物质炼制整合路线研发等,实现了生物质一步转化燃料乙醇、苹果酸等多种大宗能源材料化学品。在可再生化工研究方面,重点介绍了丁二酸、乳酸等一批大宗有机酸,以可再生碳资源为原料进行生产的工业化进展,展示了生物制造替代石化路线生产大宗化学品的潜力。天津工业生物所在秸秆生物转化和可再生化工方面的研究,为我国建设发展低碳经济社会提供了有效参考路径,有望为我国实现双碳战略目标作出自己的独特贡献。     

菜蚜茧蜂对甲胺磷和灭多威的抗性机制

采用试管药膜法测定了菜蚜茧蜂 Diaeretiella rapae 对甲胺磷和灭多威的抗性及增效剂的增效作用,并测定了菜蚜茧蜂和菜缢管蚜 Lipaphis erysimi 乙酰胆碱酯酶动力学参数、解毒酶活性及增效剂对菜蚜茧蜂酶活性的体内抑制作用。福州地区菜蚜茧蜂已对甲胺磷和灭多威产生5.6和9.1倍的抗性,胡椒基丁醚、磷酸三苯酯和马来酸二乙酯对两种杀虫剂的抗性品系均有显著增效作用,胡椒基丁醚的作用最为显著。胡椒基丁醚对抗性菜蚜茧蜂杀虫剂敏感性的增效作用远高于对敏感菜蚜茧蜂的影响。3种增效剂对菜蚜茧蜂乙酰胆碱酯酶均无抑制作用;磷酸三苯酯和胡椒基丁醚对羧酸酯酶,马来酸二乙酯对谷胱甘肽S转移酶有显著抑制作用。抗性和敏感菜蚜茧蜂乙酰胆碱酯酶的米氏常数K_m）、最大反应速度（V_max）、羧酸酯酶及谷胱甘肽S转移酶活性值相近,但敏感菜蚜茧蜂乙酰胆碱酯酶的双分子速度常数（K_I）值远高于抗性的。此外,对菜蚜茧蜂和菜缢管蚜乙酰胆碱酯酶、羧酸酯酶和谷胱甘肽S转移酶进行了比较研究。结果表明菜蚜茧蜂对甲胺磷和灭多威的低水平抗性与乙酰胆碱酯酶的不敏感性及解毒酶的解毒代谢有关。     

糠醛和5-羟甲基糠醛对大肠杆菌产丁二酸的影响

利用可再生生物质特别是木质纤维素水解液来生产平台化合物丁二酸,是目前研究的热点。虽然许多研究者相继报道了木质纤维素水解液对菌株生长和丁二酸生产存在一定抑制作用,但并没有水解液中各种抑制物对菌株影响的相关动力学研究及机理研究。我们选择了两种代表性木质纤维素水解液抑制物,即糠醛和5-羟甲基糠醛,系统研究了它们对大肠杆菌的生长和丁二酸生产的影响。结果表明：糠醛和5-羟甲基糠醛的初始抑制浓度均为0.8 g/L。当糠醛浓度大于6.4 g/L,5-羟甲基糠醛浓度大于12.8 g/L时,菌株生长完全受到抑制。在最高耐受浓度下,糠醛的存在使菌株生物量比对照菌株下降77.8%,丁二酸产量下降36.1%。5-羟甲基糠醛的存在使菌株生物量比对照菌株降低13.6%,丁二酸产量降低18.3%。糠醛和5-羟甲基糠醛具有明显的协同作用。体外酶活测定表明丁二酸生产途径中关键酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、苹果酸脱氢酶、富马酸还原酶均受糠醛和5-羟甲基糠醛抑制。研究结果对丁二酸生产用纤维素水解液的预处理和脱毒工艺开发具有指导作用,有利于实现丁二酸发酵生产的工业化。     

生物质原料发酵生产丁二酸研究进展

以生物质为原料微生物发酵生产丁二酸,对于减少化工产品对石化原料的依赖,保护环境有积极的意义.本文通过介绍目前用乳清、糖蜜、菊粉、甜高粱、小麦淀粉、木质纤维素等廉价原料生产丁二酸的研究近况,展现了非粮原料生产丁二酸的良好的应用前景.     

生物法年产千吨丁二酸有望在2012年开车

生物法年产千吨丁二酸有望在2012年开车2010年7月,中国石化科技开发部化工处处长庄毅主持了南京工业大学生物与制药工程学院的＂1 000 t/a生物发酵法合成丁二酸技术中试研究＂可行性论证及工艺包的审查会议。中国工程院院士曹湘洪担任评审委员会主任,中国石化科技开发部副主任王玉庆任评审委员会副主任。     

运动发酵单胞菌在生物炼制中的研究进展

以木质纤维素生物质为原料的生物炼制技术已成为全球研发的热点和难点。欧盟国家和美国的中长期生物质能源发展路线图中均将木质纤维素生物炼制技术作为重要目标,但是目前整体水平尚处于中试阶段。我国的纤维素类生物质原料非常丰富,将其转化成燃料乙醇及生物基础化学品等具有较大的潜力,但当前要想实现商业化生产,还面临着很多瓶颈问题亟待解决。缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物的发酵菌株,已成为纤维素生物质高效与高值转化的关键制约因素。运动发酵单胞菌是目前唯一一种通过ED途径兼性厌氧发酵葡萄糖的微生物,其独特的代谢途径使其成为构建产乙醇工程菌的优选宿主之一;同时由于该菌具有较高的糖利用效率等优点,也是其他生物基化学品生产的重要候选平台微生物,如山梨醇、葡萄糖酸、丁二酸和异丁醇等。本文从该菌的研究历程、分子生物学基础、菌种改良及该菌在生物能源及生物基化学品等生物炼制体系中的应用研究角度进行了综述,并提出该菌可作为纤维素生物质生物炼制系统的新的重要平台微生物。