中国氨基酸生产现状及研究热点

我国氨基酸生产现状及研究热点天津科技大学天津科技大学陈陈宁宁2012.5.242012.5.24Usesofaminoacids氨基酸Aminoacids氨基酸应用食品Foodadditives医药Pharmaceuticals饲料Feedsupplements化妆品Cosmetics农业Agriculture聚合材料Polymermaterials化学合成法Chemicalsynthesis生产方法Processes水解法Extractionmethod酶法Enzymaticmethod直接发酵法MicrobialFermentation氨基酸生产方法ProcessesforAA目前全球氨基酸及其衍生物的种类已超过1000余种。全世界氨基酸产量达600多万吨.我国2011年氨基酸总产量约300万吨，已成为氨基酸产品的“世界工厂”.需求量10-20%中国氨基酸工业AminoacidsIndustryofChina氨酸0%L-赖L-苏其它3%品种Aminoacid产量Production(ton/year)in2011生产方法ProcessesL-谷氨酸钠MSG2060000FermentationL-赖氨酸L-Lysine750000FermentationL-苏氨酸L-Threonine120000FermentationL-苯丙氨酸L-Phenylalanine7000FermentationL-精氨酸L-Arginine4000FermentationL-缬氨酸L-Valine2000FermentationL-异亮氨酸L-Isoleucine1500FermentationL-亮氨酸L-Leucine2500Fermentation,ExtractionL-色氨酸L-Tryptophan700FermentationL-脯氨酸L-Proline1200FermentationL-组氨酸L-Histidine120ExtractionL-丝氨酸L-Serine65EnzymaticmethodL-半胱氨酸L-Cysteine300Enzymaticmethod,Extraction氨基酸生产Aminoacidproduction≥70≥2555-65L-精氨酸L-Arginine≥80≥3565-75L-脯氨酸L-Proline≥15≥20≥12≥26≥25≥50≥60≥62转化率Conversionratio（%）品种Aminoacid产酸水平Concentration(g/L)提取收率Extractionyield（%）L-谷氨酸钠MSG120-180≥88L-赖氨酸L-Lysine160-180≥90L-苏氨酸L-Threonine110-120≥88L-苯丙氨酸L-Phenylalanine60-65≥80L-缬氨酸L-Valine50-55≥78L-异亮氨酸L-Isoleucine25-30≥60L-亮氨酸L-Leucine30-45≥75L-色氨酸L-Tryptophan35-40≥55氨基酸生产Aminoacidproduction氨基酸需求高附加值氨基酸、非蛋白氨基酸和氨基酸衍生物需求旺盛大宗氨基酸产品小品种氨基酸新型氨基酸AminoaciddemandL-GluL-LysL-ThrL-TrpL-PheL-LeuL-IleL-ValL-ArgL-ProL-CysL-SerL-HisD-aminoacidβ-aminoacidnon-proteinaminoacid¾味精206万吨¾L-赖氨酸75万吨产业大国≠产业强国¾工艺技术相对落后，发酵产率和转化率低¾创新品种较少，产品研发能力弱¾资源能源消耗大，综合利用低，¾环境污染严重，有机废水多，清洁工艺少氨基酸工业现状Currentstatusofaminoacidindustry资源能源消耗大氨基酸工业现状Currentstatusofaminoacidindustry持平1.011.07综合能耗（t/t）持平788.2788.5耗电（kwh/t）持平1.251.27折纯淀粉（t/t）同比增长2011年2010年指标2011年味精行业经济技术指标环境污染严重氨基酸工业现状Currentstatusofaminoacidindustry30-60500-8006.5-7.0低浓度废水100-20005000-60003.5-4.5中浓度废水10000-2000030000-700001.7-3.5高浓度废水NH3-N（mg/L)CODcr（mg/L)pH污染物分类安全、优质、高效的发酵工业技术支撑体系Safe,Efficient,Highquality菌种高产稳定1工艺高效清洁2产品高端优质4装备节能环保3减量化（Reduce）再利用（Reuse）资源化（Recycle）循环经济“3R”原则氨基酸发展趋势TrendsinaminoacidsproductionStableandhighyieldstrainsEfficientandcleantechnologyEnergy-savingequipmentHigh-qualityproducts菌种选育原料控制工艺控制高效工程菌株现有生产菌株传统工艺高效生产工艺能耗物耗水耗污染效益氨基酸发展趋势TrendsinaminoacidsproductionStrainbreedingRawmaterialControlTechnologyControlTrends:EfficientengineeringstrainEfficientfermentationtechnologyCleanproductiontechnology一菌种选育StrainBreedingMetabolomeTranscriptomeGenomeMutagenesisFlux AnalysisProteomeEnzyme ActivityGrowth Analysis多角度、全方位系统分析系统生物学研究SystembiologyresearchⅠⅡⅢ氨基酸代谢网络及关键节点的分析Aminoacidmetabolismnetworkandthekeynodesanalysis氨基酸生产菌高效遗传改造系统的建立与分子改造Efficientmolecularmodificationsystemsofstrains氨基酸生产菌组学数据平台的构建Genomicsplatformforaminoacid-producingbacteriaⅣ氨基酸生产菌发酵过程优化与控制Aminoacidfermentationprocessoptimizationandcontrol系统生物学研究Systembiologyresearch氨基酸生产菌种基因组测序和重测序代谢组分析转录组分析氨基酸生产菌种组学研究平台代谢工程改造基因组重排无痕敲除小试、中试和生产系统生物学研究SystembiologyresearchAminoacidproducingstrainsGenomesequencingTranscriptomeanalysisMetabolomeanalysisMetabolicengineeringmodificationMarkerlessdeletionGenomeshufflingEngineeringstrainsLabtrial,pilottrial,production基因组尺度代谢网络构建¾基因组信息提取及比对¾比对信息的修正¾网络结构分析¾与其它网络的比较及修正¾数据更新系统生物学研究SystembiologyresearchGenome-scalemetabolicnetworkconstruction™Genomicinformationanalysisandcomparison™Comparativeinformationmodification™Networkstructureanalysis™Comparisonwithothermetabolicnetworksandmodification™Dataupdate代谢调节网络解析Metabolicregulatorynetworkanalysis基因-蛋白互作网络解析Gene-proteininteractionnetworkanalysis系统生物学研究Systembiologyresearch比较蛋白质组学研究Comparativeproteomicsresearch™通过对生产菌株在不同生产时期的差异蛋白质组比较研究，揭示生产菌株在不同的生长时期胞内蛋白表达情况的动态变化，寻找与氨基酸产量成正相关的表达量发生变化的蛋白系统生物学研究Systembiologyresearch™Applingcomparativeproteomicsmethodtostudytherelativeproteinswhoseexpressionchangesarecorrelationwiththedynamicchangeoftheaminoacidproduction遗传修饰设计策略代谢分析出发菌氨基酸生产菌Geneticmodification：Mutagenesis,MolecularmanipulationMetabolicAnalysis:MetabolicpathwayanalysisMetabolicfluxanalysisMetaboliccontrolanalysisStrategyofmetabolicnetworkreconfigurationandoptimizationMetabolicengineeringbreeding代谢工程育种InitialstrainAminoacid-producingbacteriaMetabolicengineeringbreeding代谢工程育种比较基因组学基因突变野生菌比较蛋白质组学解除反馈调节加强合成途径代谢组学差异表达蛋白途径改造生产菌代谢流分析代谢产物分析减弱代谢副产物优化代谢流分布ComparativeproteomicsComparativeGenomicsMetabolomicsMetabolicfluxanalysisGenemutationsRemovefeedbackregulationStrengthenbiosynthesisDifferentiallyexpressedproteinsMetabolicProductanalysisReducetheby-productsPathwaymodificationOptimizemetabolicfluxdistributionMetabolicengineeringbreeding代谢工程育种GenomeshufflingEvolutionarymetabolicengineeringReversemetabolicengineering反向代谢工程氨基酸产品PHBO2O2O2O2O2O2NADNADPNADKinasePHBPHB™透明颤菌血红蛋白基因提高细胞的呼吸强度™NAD激酶过表达提高胞内NADP(H)的水平™PHB基因将过量的碳代谢流转化为低毒的副产物促进细胞生长，促进碳源消耗，提高发酵水平合成生物学研究SyntheticBiology酸碱、高温、噬菌体、高渗透压等不利因素严重危害氨基酸发酵产业的发展，急需克服这些不利环境因素的影响，促进传统氨基酸发酵工艺的技术革命，提升我国氨基酸发酵产业的整体水平与产业国际竞争力产酸，放热，高渗透压的危害噬菌体危害合成生物学研究SyntheticBiology抗逆元件或模块库抗噬菌体耐高温耐酸碱耐渗透压生产菌株改造抗噬菌体机制和模块在发酵生产中，普遍存在噬菌体危害。通过对噬菌体溶源性菌株进行定向改造，选育获得噬菌体抗性菌株，减少噬菌体对发酵的影响耐高温机制和模块选育耐高温的突变株，研究相关耐高温机制和模块，有效缩短发酵周期，提高生产强度，减少能源消耗耐酸碱机制和模块选育耐酸的突变株，研究相关耐酸机制