[01055226]高效生产谷氨酸链氨基酸微生物细胞工厂构建关键技术及产业化

氨基酸工业是发酵工业支柱产业之一，年产值超千亿元。以L-谷氨酸为前体物质合成的谷氨酸、精氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸、γ-氨基丁酸等谷氨酸链氨基酸，在食品、医药、饲料等领域具重要应用，中国相关产品年产量约250万吨(《中国轻工业年鉴2016》)，占全球70％以上；以谷氨酸、精氨酸等为底物高效合成高值衍生物，可实现传统氨基酸发酵工业产业升级和可持续发展。棒杆菌等微生物高产菌株在工业微生物领域占中坚地位。一方面，目标产物合成效率低、细胞辅因子供应与产物合成需求矛盾、重构代谢网络与营养环境不匹配等制约了微生物细胞工厂高效利用；另一方面，精氨酸等通过毛发水解法制备，严重污染环境和存在动物过敏原；氨基丁酸的化学合成需使用剧毒氰化物和溴素等为原料，存在环境污染严重、条件苛刻等问题。迫切需要研究高效微生物细胞工厂，发展绿色生物制造技术。 相关成果发表在Metabolic Engineering、Green Chemistry等期刊46篇，其中SCI收录30篇(Top期刊7篇；总IF(2016)101.4，他引次数217)，EI收录2篇，CSCD收录14篇，获授权发明专利24项，申请国际PCT专利5项(国际实审)，通过成果鉴定1项。 主要发明创新点包括： (1)基于合成代谢模块解析与最优途径设计，建立微生物细胞工厂代谢改造与重构的技术平台。构建棒杆菌组成/诱导型启动子、RBS、终止子等元件文库、建立基因组改组、高通量筛选等关键技术，显著提高产酸并节约能耗，谷氨酸产酸从120g/L提高至191.5g/L，提升59.6％，糖酸得率>75％；精氨酸产量为84.7g/L，糖酸得率>35％，关键技术指标达国际先进。 (2)基于胞内微环境改造及胞外环境响应的生物过程强化，构建高值氨基酸全细胞转化高效细胞工厂。改造产物合成关键酶，显著提升了其工业属性。实现了L-瓜氨酸、L-鸟氨酸和γ-氨基丁酸等高值氨基酸的全细胞转化，单批次转化产物浓度分别达300g/L、376g/L和450g/L，达国际领先。 (3)基于组学响应生物过程强化策略，建立新型生产放大及分离提取精制工艺。采用膜分离技术及连续离子交换技术耦合工艺对精氨酸等进行分离提取精制，比传统工艺节约大量酸碱，降低生产成本和环境污染；采用双效逆流结晶生产工艺提取谷氨酸钠，显著提高设备利用率，实现高收率、低能耗、低成本制备。 该项目的实施产生了重大经济和社会效益：从2011年在无锡晶海氨基酸、内蒙古阜丰生物科技有限公司等实施工业化生产，近2年谷氨酸链氨基酸总产量为70.934万吨，新增总产值为44.07亿元，新增利润4.03亿元。该项目实现L-精氨酸生物制备法替代毛发水解法、氨基丁酸生物制备法替代化学合成法。还取得了能耗和水耗降低50-80％，环境污染物排放减少45-75％的社会效益，推进高值氨基酸产业转向“绿色”制造。