新型能源生物丁醇課件

新型能源生物丁醇新型能源生物丁醇目錄丁醇的簡介及用途1丁醇研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀2丁醇代謝途徑改造3展望4目錄丁醇的簡介及用途1丁醇研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀2丁醇代謝途徑改造32正丁醇正丁醇（n-butanol），為無色液體，有特殊氣味，分子式為C4H9OH，具有一定的危險性。正丁醇3丁醇是一種極具潛力的新型生物燃料熱值Btu/gallon

汽油丁醇乙醇甲醇114,000110,00084,00064,000熱值比乙醇高，抗爆性好親水性弱，腐蝕性小，便于管道輸送能與汽油任意比混合在塑料工業(yè)和食品行業(yè)中應(yīng)用極廣汽油丁醇乙醇甲醇辛烷值Octane96949291丁醇是一種極具潛力的新型生物燃料熱值汽油丁醇乙醇甲醇4丁醇在分子結(jié)構(gòu)和性能上均比乙醇更接近汽油項目乙醇1-丁醇汽油密度/(g/cm3)0.7940.8140.720～0.775熱量/(MJ/L)21.1～21.726.9～27.032.2～32.9ω(O?),%34.721.6＜2.7表11-丁醇的性能丁醇在分子結(jié)構(gòu)和性能上均比乙醇更接近汽油項目乙醇1-丁醇汽油5酯化、取代、消去、氧化、還原……丁醛、丁酸丙烯酸丁酯(溶劑)鄰苯二甲酸二丁酯脂肪族二元酸二丁酯(增塑劑)丁二烯醋酸丁酯(溶劑)丁胺丁醇還是一種重要的平臺化合物丁醇聚丁二烯橡膠丁苯橡膠2012年我國消費量約為277萬噸/年酯化、取代、消去、氧化、還原……丁醛、丁酸丙烯酸丁酯鄰苯二甲6沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABIC)2013年6月23日宣布：沙特丁醇公司(SaBuCo)將建設(shè)世界上最大的正丁醇廠；建設(shè)產(chǎn)能包括正丁醇33萬噸/年和異丁醇1.1萬噸/年的裝置，計劃于2015年投產(chǎn)。2005年美國能源部進行了一項以丁醇作為汽車唯一燃料的試驗，穿越10個州，歷時1個月，行程16000多公里。在10個州的測定結(jié)果表明，1L丁醇完全可以替代1L汽油。沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABIC)2017丁醇研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀

ABE發(fā)酵(丙酮:丁醇:乙醇=3:6:1)：曾是全球第二大發(fā)酵工業(yè)我國始于1956年，80年代初50余家，1996年最后一家(華北制藥)停產(chǎn)。主要生產(chǎn)菌株——丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌等5個種遺傳操作系統(tǒng)已經(jīng)基本建立

菌種方面：拓寬底物譜，提高對廉價底物的利用能力，提高丙酮丁醇轉(zhuǎn)化率，提高溶劑耐受能力丁醇研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀A(yù)BE發(fā)酵(丙酮:丁醇:乙醇=3:6:182pyruvateglucose2acetyl-CoAAcetyl-PpflB2ATP,2NADHacetateATPptaacetaldehydeNADHNADHethanolthlacetoacetyl-CoAacetoacetateacetoneadcctfABNADH3-hydroxybutyryl-CoAhbdcrtcrotonyl-CoAbcdNADHbutytyl-CoAbutyryl-PbutyrateptbbukATPbutyraldehydebutanolNADHNADHMetabolicpathwaysofC.acetobutylicumadhE/adhE2adhE/adhE2adhE/adhE2adhE/adhE22pyruvateglucose2acetyl-CoAA91阻斷丙酮和/或乙醇的生物合成途徑glucoselactateacetyl-CoACO2H2ethanolAceticacidacetoacetyl-CoAacetonebutytyl-CoAbutyratebutanolpyruvateEMPldhadhEadhEadcbuk主產(chǎn)物途徑副產(chǎn)物途徑XXRaw

materialptbctfABhbdcrtbcdpflBCO21阻斷丙酮和/或乙醇的生物合成途徑glucoselacta10

?；D(zhuǎn)移酶和乙酰乙酸脫羧酶，分別由ctfAB基因和adc基因編碼。其中敲除ctfA基因的菌株喪失了丙酮生成能力，但同時丁醇和乙醇的生成能力亦有明顯下降;

基因敲除法阻斷丙酮生物合成途徑?；D(zhuǎn)移酶和乙酰乙酸脫羧酶，分別由ctfAB11基因敲除法阻斷丙酮生物合成途徑

將酸產(chǎn)生途徑中的pta基因和buk基因進行雙敲除，阻斷丙酮生物合成途徑。這是迄今為止通過代謝工程手段獲得的丁醇產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率最高（分別為18.9g/L和31.2%）的丙酮丁醇梭菌突變體。基因敲除法阻斷丙酮生物合成途徑將酸產(chǎn)生12基因敲除法阻斷乙醇生物合成途徑敲除指導(dǎo)合成乙醇脫氫酶的AdhE基因，可有效阻斷副產(chǎn)物乙醇的產(chǎn)生?；蚯贸ㄗ钄嘁掖忌锖铣赏緩角贸笇?dǎo)合成乙13基因敲除法阻斷乙酸生物合成途徑

pta基因和ack基因是生產(chǎn)乙酸的2個必須基因。實驗表明：pta基因突變體的丁醇生產(chǎn)能力沒有明顯變化；而用II型內(nèi)含子的方法插入失活了的pta基因，pta基因突變體的丁醇生產(chǎn)能力卻提高了46%。ack基因突變體的丁醇產(chǎn)量提高了16%?；蚯贸ㄗ钄嘁宜嵘锖铣赏緩絧ta基因和142丁醇合成能力的優(yōu)化

丙酮丁醇梭菌是一種嚴(yán)格厭氧發(fā)酵的菌株，控制菌株氧氣耐受性的基因主要是perR基因。研究人員發(fā)現(xiàn)敲除perR基因可以在很大程度上提高丙酮丁醇梭菌的氧氣耐受性，并且提高了菌株對氧氣的消耗速率。提高菌種耐受性葡萄糖乙酰輔酶A乙酰乙酰輔酶A丁酰輔酶A丙酮酸丁醇玉米淀粉2丁醇合成能力的優(yōu)化丙酮丁醇梭菌是一種嚴(yán)格厭氧152丁醇合成能力的優(yōu)化丁醇和丙酮的產(chǎn)量大幅下降丁醇產(chǎn)量會有所提高，但也會加快孢子形成

在丙酮丁醇梭菌的發(fā)酵過程中，部分菌體會形成孢子，菌濃下降，對溶劑生產(chǎn)不利。SpoOA基因有控制孢子形成和調(diào)控溶劑基因表達的作用。SpoOA基因

敲除過表達尋找平衡點，使丁醇產(chǎn)量盡可能提高。2丁醇合成能力的優(yōu)化丁醇和丙酮的產(chǎn)量大幅下降丁醇產(chǎn)量會有所提16

adhE/adhE2是控制丁醇合成的丁醇脫氫酶，aad基因是控制丁醇脫氫酶合成的基因，過表達aad基因可以有效提高丁醇產(chǎn)量。過表達thl基因可以促進乙酰-CoA更多轉(zhuǎn)化為丁酰-CoA，也能有效地提高丁醇得率。2丁醇合成能力的優(yōu)化adhE/adhE2是控制丁醇合成的丁醇173利用大腸桿菌生產(chǎn)丁醇敲除競爭基因大腸桿菌丁醇成功表達可產(chǎn)生hbd、crt、bcd、etfAB和adhE2基因adhE、ldhA、frdBC、fnr、pta基因同時表達大腸桿菌自身的硫解酶基因atoB，打通丁醇生物合成通道。3利用大腸桿菌生產(chǎn)丁醇敲除競爭基因大腸桿菌丁醇成功表達可產(chǎn)18來自齒垢密螺旋體的(Treponemadenticola)的Ter基因催化糠醛輔酶A到丁酰輔酶A的Bcd/EtfAB蛋白復(fù)合體進一步提高丁醇含量被替換為催化反應(yīng)是可逆的催化反應(yīng)是不可逆的增強丁醇代謝流同時表達了大腸桿菌自身的硫解酶基因phaA和丙酮酸脫氫酶復(fù)合體aceEF-lpd操縱子。來自齒垢密螺旋體的(Treponemadent19

將增強NADH和乙酰輔酶A的供給作為兩個驅(qū)動力引入大腸桿菌，以增強丁醇代謝流。進一步提高丁醇含量將增強NADH和乙酰輔酶A的供給作為兩個驅(qū)動力引入20進一步提高丁醇含量

在大腸桿菌中表達甲酸脫氫酶，催化丙酮酸甲酸裂解酶生成甲酸的同時，形成還原力NADH，并敲除菌體自身消耗還原力的途徑：琥珀酸生成途徑、乳酸生成途徑和乙醇生成途徑(ΔadhE、ΔldhA、ΔfrdBC)。進一步提高丁醇含量在大腸桿菌中表達甲酸脫氫酶，21進一步提高丁醇含量

菌體為了保持氧化還原的平衡，必須通過產(chǎn)生丁醇來消耗過多的NADH。同時還可以敲除大腸桿菌自身的pta基因，增加乙酰輔酶A的供給。進一步提高丁醇含量菌體為了保持氧化還原的平衡，22展望

代謝工程應(yīng)用于丁醇發(fā)酵的目標(biāo)就是要得到一種高耐受性、高濃度、長周期和高丁醇產(chǎn)率和選擇性的菌株。盡管目前丙酮丁醇基因工程菌的生產(chǎn)能力還沒有達到預(yù)期的目標(biāo)，但隨著基因工程和代謝工程的不斷發(fā)展和成熟,基因工程菌將在生物法生產(chǎn)丙酮丁醇的工業(yè)化生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。相信在不久的將來，利用基因工程菌以可再生資源為原料生產(chǎn)丙酮、丁醇必將向傳統(tǒng)的化學(xué)法提出強有力的挑戰(zhàn)，成為運用生物技術(shù)生產(chǎn)重要化工原料的重要途徑之一。展望代謝工程應(yīng)用于丁醇發(fā)酵23參考文獻[1]

Yan-NingZheng,Liang-ZhiLi.etcProblemswiththemicrobialproductionofbutanol[J].JIndMicrobiolBiotechnol,2009,36:1127–1138.[2]宋錦玉.新一代的生物燃料——丁醇的開發(fā)動向[J].當(dāng)代化工,2011,40(6):631-633[3]閆永亮,劉宏娟,張建安.代謝工程在生物丁醇生產(chǎn)中的應(yīng)用及研究進展[J].現(xiàn)代化工,2012,32(4):25-29[4]韓偉,張全孫,佟明友,關(guān)浩,姚秀清.對新一代生物燃料丁醇的概述[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(11):4964-4966[5]戴宗杰,董紅軍,朱巖等.生物丁醇代謝工程的研究進展[J].生物加工過程,2013,11(2):58-64[6]何景昌,張正波,裘娟萍.生物丁醇合成途徑中關(guān)鍵酶及其基因的研究進展[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2009,35(2):116-120參考文獻24新型能源生物丁醇新型能源生物丁醇目錄丁醇的簡介及用途1丁醇研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀2丁醇代謝途徑改造3展望4目錄丁醇的簡介及用途1丁醇研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀2丁醇代謝途徑改造326正丁醇正丁醇（n-butanol），為無色液體，有特殊氣味，分子式為C4H9OH，具有一定的危險性。正丁醇27丁醇是一種極具潛力的新型生物燃料熱值Btu/gallon

汽油丁醇乙醇甲醇114,000110,00084,00064,000熱值比乙醇高，抗爆性好親水性弱，腐蝕性小，便于管道輸送能與汽油任意比混合在塑料工業(yè)和食品行業(yè)中應(yīng)用極廣汽油丁醇乙醇甲醇辛烷值Octane96949291丁醇是一種極具潛力的新型生物燃料熱值汽油丁醇乙醇甲醇28丁醇在分子結(jié)構(gòu)和性能上均比乙醇更接近汽油項目乙醇1-丁醇汽油密度/(g/cm3)0.7940.8140.720～0.775熱量/(MJ/L)21.1～21.726.9～27.032.2～32.9ω(O?),%34.721.6＜2.7表11-丁醇的性能丁醇在分子結(jié)構(gòu)和性能上均比乙醇更接近汽油項目乙醇1-丁醇汽油29酯化、取代、消去、氧化、還原……丁醛、丁酸丙烯酸丁酯(溶劑)鄰苯二甲酸二丁酯脂肪族二元酸二丁酯(增塑劑)丁二烯醋酸丁酯(溶劑)丁胺丁醇還是一種重要的平臺化合物丁醇聚丁二烯橡膠丁苯橡膠2012年我國消費量約為277萬噸/年酯化、取代、消去、氧化、還原……丁醛、丁酸丙烯酸丁酯鄰苯二甲30沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABIC)2013年6月23日宣布：沙特丁醇公司(SaBuCo)將建設(shè)世界上最大的正丁醇廠；建設(shè)產(chǎn)能包括正丁醇33萬噸/年和異丁醇1.1萬噸/年的裝置，計劃于2015年投產(chǎn)。2005年美國能源部進行了一項以丁醇作為汽車唯一燃料的試驗，穿越10個州，歷時1個月，行程16000多公里。在10個州的測定結(jié)果表明，1L丁醇完全可以替代1L汽油。沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABIC)20131丁醇研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀

ABE發(fā)酵(丙酮:丁醇:乙醇=3:6:1)：曾是全球第二大發(fā)酵工業(yè)我國始于1956年，80年代初50余家，1996年最后一家(華北制藥)停產(chǎn)。主要生產(chǎn)菌株——丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌等5個種遺傳操作系統(tǒng)已經(jīng)基本建立

菌種方面：拓寬底物譜，提高對廉價底物的利用能力，提高丙酮丁醇轉(zhuǎn)化率，提高溶劑耐受能力丁醇研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀A(yù)BE發(fā)酵(丙酮:丁醇:乙醇=3:6:1322pyruvateglucose2acetyl-CoAAcetyl-PpflB2ATP,2NADHacetateATPptaacetaldehydeNADHNADHethanolthlacetoacetyl-CoAacetoacetateacetoneadcctfABNADH3-hydroxybutyryl-CoAhbdcrtcrotonyl-CoAbcdNADHbutytyl-CoAbutyryl-PbutyrateptbbukATPbutyraldehydebutanolNADHNADHMetabolicpathwaysofC.acetobutylicumadhE/adhE2adhE/adhE2adhE/adhE2adhE/adhE22pyruvateglucose2acetyl-CoAA331阻斷丙酮和/或乙醇的生物合成途徑glucoselactateacetyl-CoACO2H2ethanolAceticacidacetoacetyl-CoAacetonebutytyl-CoAbutyratebutanolpyruvateEMPldhadhEadhEadcbuk主產(chǎn)物途徑副產(chǎn)物途徑XXRaw

materialptbctfABhbdcrtbcdpflBCO21阻斷丙酮和/或乙醇的生物合成途徑glucoselacta34

?；D(zhuǎn)移酶和乙酰乙酸脫羧酶，分別由ctfAB基因和adc基因編碼。其中敲除ctfA基因的菌株喪失了丙酮生成能力，但同時丁醇和乙醇的生成能力亦有明顯下降;

基因敲除法阻斷丙酮生物合成途徑?；D(zhuǎn)移酶和乙酰乙酸脫羧酶，分別由ctfAB35基因敲除法阻斷丙酮生物合成途徑

將酸產(chǎn)生途徑中的pta基因和buk基因進行雙敲除，阻斷丙酮生物合成途徑。這是迄今為止通過代謝工程手段獲得的丁醇產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率最高（分別為18.9g/L和31.2%）的丙酮丁醇梭菌突變體?；蚯贸ㄗ钄啾锖铣赏緩綄⑺岙a(chǎn)生36基因敲除法阻斷乙醇生物合成途徑敲除指導(dǎo)合成乙醇脫氫酶的AdhE基因，可有效阻斷副產(chǎn)物乙醇的產(chǎn)生。基因敲除法阻斷乙醇生物合成途徑敲除指導(dǎo)合成乙37基因敲除法阻斷乙酸生物合成途徑

pta基因和ack基因是生產(chǎn)乙酸的2個必須基因。實驗表明：pta基因突變體的丁醇生產(chǎn)能力沒有明顯變化；而用II型內(nèi)含子的方法插入失活了的pta基因，pta基因突變體的丁醇生產(chǎn)能力卻提高了46%。ack基因突變體的丁醇產(chǎn)量提高了16%。基因敲除法阻斷乙酸生物合成途徑pta基因和382丁醇合成能力的優(yōu)化

丙酮丁醇梭菌是一種嚴(yán)格厭氧發(fā)酵的菌株，控制菌株氧氣耐受性的基因主要是perR基因。研究人員發(fā)現(xiàn)敲除perR基因可以在很大程度上提高丙酮丁醇梭菌的氧氣耐受性，并且提高了菌株對氧氣的消耗速率。提高菌種耐受性葡萄糖乙酰輔酶A乙酰乙酰輔酶A丁酰輔酶A丙酮酸丁醇玉米淀粉2丁醇合成能力的優(yōu)化丙酮丁醇梭菌是一種嚴(yán)格厭氧392丁醇合成能力的優(yōu)化丁醇和丙酮的產(chǎn)量大幅下降丁醇產(chǎn)量會有所提高，但也會加快孢子形成

在丙酮丁醇梭菌的發(fā)酵過程中，部分菌體會形成孢子，菌濃下降，對溶劑生產(chǎn)不利。SpoOA基因有控制孢子形成和調(diào)控溶劑基因表達的作用。SpoOA基因

敲除過表達尋找平衡點，使丁醇產(chǎn)量盡可能提高。2丁醇合成能力的優(yōu)化丁醇和丙酮的產(chǎn)量大幅下降丁醇產(chǎn)量會有所提40

adhE/adhE2是控制丁醇合成的丁醇脫氫酶，aad基因是控制丁醇脫氫酶合成的基因，過表達aad基因可以有效提高丁醇產(chǎn)量。過表達thl基因可以促進乙酰-CoA更多轉(zhuǎn)化為丁酰-CoA，也能有效地提高丁醇得率。2丁醇合成能力的優(yōu)化adhE/adhE2是控制丁醇合成的丁醇413利用大腸桿菌生產(chǎn)丁醇敲除競爭基因大腸桿菌丁醇成功表達可產(chǎn)生hbd、crt、bcd、etfAB和adhE2基因adhE、ldhA、frdBC、fnr、pta基因同時表達大腸桿菌自身的硫解酶基因atoB，打通丁醇生物合成通道。3利用大腸桿菌生產(chǎn)丁醇敲除競爭基因大腸桿菌丁醇成功表達可產(chǎn)42來自齒垢密螺旋體的(Treponemadenticola)的Ter基因催化糠醛輔酶A到丁酰輔酶A的Bcd/EtfAB蛋白復(fù)合體進一步提高丁醇含量被替換為催化反應(yīng)是可逆的催化反應(yīng)是不可逆的增強丁醇代謝流同時表達了大腸桿菌自身的硫解酶基因phaA和丙酮酸脫氫酶復(fù)合體aceEF-lpd操縱子。來自齒垢密螺旋體的(Treponemadent43

將增強NADH和乙酰輔酶A的供給作為兩個驅(qū)動力引入大腸桿菌，以增強丁醇代謝流。進一步提高丁醇含量將增強NADH和乙酰輔酶A的供給作為兩個驅(qū)動力引入44進一步提高丁醇含量

在大腸桿菌中表達甲酸脫氫酶，催化丙酮酸甲酸裂解酶生成甲酸的同時，形成還原力NADH，并敲除菌體自身消耗還原力的途徑：琥珀酸生成途徑、乳酸生成途徑和乙醇生成途徑(ΔadhE、ΔldhA、ΔfrdBC)。進一步提高丁醇含量