0
2.0
3 t /h 1.6
2
1.2
1
E
0.8
0.4
0
0.4
2
t /h
0.3
3
0.2
1
F
0.1
0 0 10 20 30 40 50 60 t/h
不同供氧控制模式下发酵过程参数 不同供氧控制模式下发酵过程参数
Parameters r (IG) / (g/L)
ConstantkLa / h-1
450
300
200
118.6 119.4 124.8
r (RG) / (g/L)
11.9
13.2
6.4
Total fermentation time / h
85
68
60
Glucose consumption rate / (g/(Lh)) 1.14 1.56 1.97
w (Glucose conversion ) / %
（优选）新型有机酸的发酵法 制备技术
一、新型有机酸概况
新型有机酸概述
柠檬酸 乳酸
丙酮酸
衣康酸
葡萄糖酸 丙酸
琥珀酸
α-酮戊二酸
有机酸是指一些具有酸性的有机化合物。最常见的有机酸是羧酸，其酸性源于羧基 (-COOH)
新型有机酸概述
新型有机酸是指一系列在食品、医药和化工等领域具有 重要应用价值，但是长期以来由于结构复杂性和较高的 化学反应活性无法在工业规模进行低成本生产的有机酸。 其中丙酮酸、-酮戊二酸和丙酸等，由于化学合成工艺 复杂，成本长期维持在10万元/吨以上(普通有机酸价格 仅为0.4-1万元/吨)，导致下游产品成本居高不下，妨碍 了其大规模应用。
90.0
88.9
94.9
r (Pyruvate) / (g/L) Productivity / (g/(Lh))
77.3
69.0
57.2
0.91
1.01
0.95
Yp/s / (g/g) d (DCW) / (g/L) Average m of the first 16 h / h-1 Average m of the process / h-1
丙酮酸的生产方式比较
化学法
原料成本高 环境污染严重
酶转化法 原料成本高
来源有限
发酵法
最适pH值低
筛选得到的菌种：光滑球拟酵母
不易染菌 无噬菌体
高丙酮酸耐受性
代谢工程改造：
转化率较低，副产物多 酿酒酵母 生产周期较长
发酵过程不稳定
最适pH值高 大肠杆菌 易感染噬菌体
丙酮酸耐受性差
发酵法生产丙酮酸
Glucose
光滑球拟酵母丙酮酸代谢
选育维生素缺陷型酵母
50 40 30 20 10
0 80 60 40 20
0 0
2 烟酸
4
6
8
/ mg ×L -1
150
120
90
60
30
0
0.8
0.6
0.4
0.20Βιβλιοθήκη 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0 0.1 0.2 0.3 0 .4 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0 0.05 0.1 0.15
0.724 13.2 0.238 0.047
0.649 14.5 0.190 0.073
0.483 15.6 0.139 0.084
r (NH4Cl consumption) / (g/L) r (KH2PO4 consumtion) / (g/L) r (Ethanol) / (g/L)
5.66
5.88
不同kLa下溶氧、产率变化
16
12
8
A
4
0
140
120
t /h
100
80
B
60
40 20
0
丙酮酸产率
80
t /h
60
40
C
20
细胞产率
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t/h
qp / h-1
qs / h-1
m / h-1
不同kLa下发酵动力学曲线
0.8
0.6
1
2
0.4
3
D
0.2
发酵法生产丙酮酸
代谢 网络 分析
DO=85%
PEP 94.6
OAA 6.1 Pyr 2.4 Et 8.7
AcCoA
DO=10%
PEP 74.6
OAA 5.5 Pyr 14.7 Et 7.9
AcCoA
辅因 子分
析
DO=85%
39.0
NADH ATP
DO=10%
NADH 20.7 ATP
总ATP下降31.4%, NADH下降18.6%
硫胺素
/ mg ×L -1
吡哆醇
/ mg ×L -1
生物素
/ mg ×L -1
核黄素
/ mg ×L -1
优化培养基中维生素供给
细胞生长/ OD 660
丙酮酸/ g L×-1
丙酮酸产率/ g g×-1
葡萄糖消耗/ g L×-1
发酵法生产丙酮酸
d (DCW) / (g/L)
r (Glucose) / (g/L)
6.06
1.35
1.23
1.12
1.34
1.55
1.67
r (Pyruvate) / (g/L)
高溶氧下，丙酮酸产率较高(0.724 g/g)，葡萄糖消耗速度(生产强度)较慢(1.14 g/(Lh)) 低溶氧下，细胞消耗葡萄糖速度加快(1.97 g/(Lh))，丙酮酸产率(0.483 g/g)却明显下降
生产强度 (糖耗速度)
高溶氧下转化率高 的原因:DO从85% 到10%，PEP到Pyr 的通量增加了20% ，丙酮酸代谢的通 量下降了63.3%
低溶氧下生产强度 提高原因：DO从 85%到10%，总 ATP、NADH下降 31.4%、18.6%， 糖耗速度上升59%
采用单一供氧模式(高或低)，不能同时达到高转化率和高生产强度
发酵法生产丙酮酸
必须进行分阶段溶氧控制！如何分阶段？
发酵过程碳平衡分析
kL a / h-1 Glucose1 Cell growth2 Pyruvate Ethanol Residual carbon
0～16h
16～32h
32～48h
after 48h
450 300 200 450 300 200 450 300 200 450 300 200
Pyruvate
菌株选育
Glucose
PC (Bio) X
PT (B6) Alanine
X Pyruvate
PDC X
(B1) Acetaldehyde
Ethanol
Pyruvate X PDH
AcCoA(B1, NA)
OAA OAA
Citrate
-KG
B1： 硫胺素 NA： 烟酸 Bio：生物素 B6： 吡哆醛
二. 新型有机酸发酵研究进展－丙酮酸
丙酮酸的应用领域
医药工业：
• 原料药 • 药物合成前体 • 药物佐剂
丙酮酸
食品工业：
• 功能饮料添加剂 • 减肥食品 • 酸味剂
诊断检测试剂：
• 伯醇/仲醇检定 • 转氨酶测定 • 脂肪族胺显示剂
农业：
• 阿托酸、谷物保护剂 等多种农药合成前体
日化工业：
• 防腐剂 • 抗氧化剂