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