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新型产油酵母菌让生物燃料物美价廉

2011/12/05 来源:国际新能源网
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导读
近日,中科院大连化学物理研究所生物质高效转化研究组就成功地筛选出一种生长旺盛、性能稳定的产油酵母菌。它对转化木质纤维素类生物质为能源产品具有特别重要的意义。

相对于开发其他新能源资源,将已有资源更有效地利用也不失为解决能源危机的好办法。近日,中科院大连化学物理研究所生物质高效转化研究组就成功地筛选出一种生长旺盛、性能稳定的产油酵母菌。它对转化木质纤维素类生物质为能源产品具有特别重要的意义。这种酵母菌究竟有何与众不同之处?它对发展第二代生物燃料有何益处?除此之外,它还有哪些潜力?记者就此采访了这项课题的研究专家。

这种酵母不挑食葡萄糖、木糖都能吃

记者:赵教授您好!首先祝贺您领导的研究组近日发现能够有效提高生物质能转化效率的一种新产油酵母菌。这是一个喜讯,在能源问题日益突出的大环境下,这项发现对第二代生物燃料研究具有重要意义。那么您能为我们简单介绍一下这种酵母菌吗?

赵宗保:好的。首先我想告诉大家的是,木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,其水解产物具有葡萄糖和木糖并存的基本特点。实现葡萄糖和木糖的高效利用是将生物质水解产物转化为液体燃料面临的共性难题之一,原因在于多数微生物在葡萄糖和木糖共存的条件下优先利用葡萄糖,造成木糖利用效率低甚至利用不完全。因此,获得能够同步且高效利用葡萄糖和木糖的菌株对于提高该过程的经济性至关重要。

我们研究组通过模拟天然木质纤维素中葡萄糖和木糖共存的特性,利用葡萄糖和木糖作为底物,在两者同时存在的条件下,对多株产油酵母的生长、油脂积累和糖利用进行了研究,首次发现了皮状丝孢酵母TrichosporoncutaneumAS2.571能够同步利用葡萄糖和木糖积累油脂。

记者:也就是说皮状丝孢酵母与其他产油酵母“进食”的顺序不同?

赵宗保:是的。我们在研究中发现,一些产油酵母在以葡萄糖或木糖作为单一原料时,均能够将这些糖“吃掉”。但当葡萄糖和木糖同时存在时,葡萄糖则优先于木糖被“吃掉”,只有当葡萄糖全部被“吃掉”或低于一定的浓度时酵母菌才开始“吃”木糖。

皮状丝孢酵母在以葡萄糖或木糖作为单一原料时,也具有同样的效果。但是当葡萄糖和木糖同时存在时,葡萄糖和木糖则能够被同步利用,不存在哪一种糖被先“吃掉”的问题。且无论底物中葡萄糖和木糖的比例如何,葡萄糖和木糖的消耗均是同步进行,并被转化成油脂储存在细胞内。

记者:为什么其他产油酵母菌不能同时“享用”木糖和葡萄糖呢?

赵宗保:在生物燃料及生物基化学品(如燃料乙醇、琥珀酸等)的生产中,葡萄糖和木糖不能高效转化是一个共性问题。很多研究工作将木糖代谢途径在工业菌株中表达,虽然能够实现木糖在微生物体内代谢,但是通常效率较低。原因在于,微生物对木糖的利用不仅局限于代谢途径不完整,而且也缺乏高效的木糖转运系统。木糖转运通常是借助于葡萄糖转运系统实现,所以木糖利用总是受到葡萄糖限制。

记者:植物木质纤维素中的木糖和葡萄糖哪个所占的比例会更高一些?

赵宗保:刚才说过,木质纤维素生物质主要包括三部分。其中纤维素主要由葡萄糖构成,半纤维素的主要成分是木糖。因原料和产地不同,葡萄糖和木糖含量会有所不同,木质纤维素生物质中葡萄糖含量要高于木糖,其比例约为2:1。以东北玉米秸秆为例,葡萄糖含量约在40%左右,木糖含量约在20%左右。

提高木糖利用率工业、农业都受益

记者:这种酵母菌在自然界中广泛存在吗?

赵宗保:微生物存在易变异、适应性强等特点。在自然界中由于环境条件差异,微生物往往通过调整自身代谢来适应外界环境改变。因此,即使同一种类微生物在不同环境条件下其遗传性状也有很大差别。自然界确实存在一些可以同步利用葡萄糖或木糖的菌株,需要我们去发掘。我们组所发现的皮状丝孢酵母恰好是一种性状特殊的产油酵母。

记者:未来我们将如何大量培育这种酵母菌?

赵宗保:可以在其适宜条件下,通过采用合适的培养方式来大量培养皮状丝孢酵母。可采用的方法有补料-批式发酵、连续发酵等。在补料-批式发酵中,为了减少底物对菌体生长的影响,通过分批次地把底物投到生物反应器中,从而获得大量菌体。在连续发酵中,将底物连续加入到生物反应器中,同时以同样速度排出含有菌体的发酵液,这样在生物反应器中菌体就会持续的利用新加入的原料进行生长和油脂合成。

记者:如何提炼酵母菌胞内积累的油脂,使其成为生物柴油呢?

赵宗保:微生物油脂是一种贮存于细胞内的产物,其主要成分是14-18个碳的脂肪酸甘油酯。可以通过物理方法对油脂进行提取,如压榨法提取,利用机械压力将细胞内油脂挤出。也可以采用化学方法对这些油脂进行提取。提取所获得的油脂作为原料和甲醇或乙醇等低碳醇在催化剂的作用下合成脂肪酸酯,再经洗涤干燥,便获得了生物柴油。

记者:酵母菌胞内积累的油脂除作为燃料外,还可以用于生产哪些重要的产品?

赵宗保:油脂作为一种重要的化工原料,其用途十分广泛。除用于生产生物柴油外,还可以用于日化洗涤用品和化学工业中。日化洗涤用品中的肥皂、洗涤剂以及一些化妆品,化学工业中的环氧化油脂,二元脂肪酸和二聚脂肪酸等,这些均可以微生物油脂为原料来生产。此外,这种油脂还可以用于涂料和染料行业。

记者:这种酵母菌同时利用木糖和葡萄糖的能力,将提升哪些植物转化为生物燃料的效率?

赵宗保:我国是传统农业大国,木质纤维素生物质资源相对丰富,但高效利用度低。每年农业生产中约有7亿吨秸秆产生,这些秸秆主要包括玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆等。这些秸秆水解产物中葡萄糖和木糖共存,虽然葡萄糖能够被有效利用,但木糖利用效率较低,且其利用滞后于葡萄糖,因此降低了木质纤维素生物质利用效率。该菌株的发现将有利于这些提高木质纤维素生物质制备生物燃料的效率。

降低成本、提高效率微生物油脂生产将提速

记者:这个发现将带动哪些相关科技产生“连锁反应”呢?

赵宗保:这种产油酵母菌的发现使得混合糖同步转化技术更上一层楼。

因为同步利用菌株应用于补料—批式发酵具有明显优势。无论何时补料,料液中葡萄糖和木糖组成都是一定的,菌株在这样一个较为稳定的培养基中生长,不会因为条件改变而出现延滞期;而且由于菌株对两种底物的利用能力相当,能够完全实现底物的高效转化。

之前,在连续发酵过程中,为避免葡萄糖被过早消耗,而造成培养基中逐步积累木糖或营养基成分不稳定,科研人员要通过稀释率来控制木糖的消耗比例。过低的稀释率就造成设备利用率低,不利于生产的循环。

同步利用菌株的发现,提高了连续培养在混合糖发酵中的应用价值。无论稀释速率如何控制,葡萄糖和木糖都以一定的比例消耗,培养基成分恒定,易于达到稳态;而且,该菌株对葡萄糖和木糖的利用能力几乎相同,在整个过程中始终保持较高细胞活性,有利于产物的合成。

记者:这种产油酵母菌将产生哪些经济效益呢?

赵宗保:制约微生物油脂发展的一个关键问题就是其原料成本过高。该菌株的发现为玉米秸秆、小麦秸秆等价格低廉的木质纤维素生物质的有效利用提供了可能,拓展了微生物油脂原料的来源。

此外,目前生物柴油所用原料主要来源于植物性油脂、动物性脂肪和废弃的油脂,由于这些油脂资源受到自身生产条件的制约,很难满足规模化生物柴油生产的需求。同步利用菌株提高了便于工业化生产的微生物油脂的能力,为生物柴油的制备提供了原料保障。

记者:您觉得未来对这项课题的研究将会沿着什么样的思路继续发展下去?

赵宗保:目前,我们仅获得了能够同步利用葡萄糖和木糖的菌株,该项研究还处在起步阶段。在未来的研究工作中我们将主要集中在两个方面:

一是葡萄糖和木糖同步利用的机理研究。一些研究人员将木糖代谢基因在工业菌株中表达,虽然能够实现木糖在微生物体内代谢,但是通常效率较低。如果能够清楚该酵母中葡萄糖和木糖同步利用的机理,将有望实现工业菌株对葡萄糖和木糖的同步且高效利用。

二是基于葡萄糖和木糖的同步利用,进行木质纤维素生物质水解和发酵工艺整合。木质纤维素首先要预处理得到以木糖为主的水解液,再经过水解得到以葡萄糖为主的水解液,最后微生物利用水解获得的单糖进行微生物转化才能合成目标产物。如果能够将木质纤维素水解和油脂发酵在一个过程中实现,无疑将显著缩短生物质转化过程,降低微生物油脂成本。

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