生信学习,咨询,代做,请关注公众号:生信风暴。或添加客服微信:ShengxinBoss1

Nature Biotechnology:将工业排放或生物和城市产生的废气回收利用

前沿科研资讯 管理员 193℃ 0评论
Nature Biotechnology:将工业排放或生物和城市产生的废气回收利用插图

由于人们对工业高度发达的负面影响预料不够,预防不利,导致了全球性的三大危机:资源短缺、环境污染、生态破坏。环境污染指自然的或人为的破坏,向环境中添加某种物质而超过环境的自净能力而产生危害的行为。由于人为因素使环境的构成或状态发生变化,环境素质下降,从而扰乱和破坏了生态系统和人类的正常生产和生活条件的现象

 

日益加剧的气候危机加剧了对环境可持续的、碳负的化学品和材料制造的需求。大多数大宗化学品完全来自新鲜的化石资源,如石油、天然气和煤炭。丙酮和异丙醇(IPA)这两种分子都是工业溶剂以及用于生产丙烯酸玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)和聚丙烯等材料的平台化学品。此外,丙酮在燃料领域具有减少排放和提高现有燃料性能的潜力。并作为绿色柴油或喷气燃料替代品的前体,异丙醇也是一种消毒剂。

 

Nature Biotechnology子刊中有一篇名为Carbon-negative production of acetone and isopropanol by gas fermentation at industrial pilot scale的论文描述了一种有效的,负碳的发酵工艺,用于生产丙酮和IPA,方法是使用来自历史工业菌株收集的酶将C. autoethanogenum从乙醇生产商重新布线到丙酮或IPA生产商,并且展示了该过程的放大到工业中试规模。

 

Nature Biotechnology:将工业排放或生物和城市产生的废气回收利用插图1

 

具体而言,研究集成了高通量菌株工程工作流程、组学分析、无细胞系统、动力学建模、发酵放大和生命周期分析(LCA)。研究首先确定了最佳的异源途径酶集,以进行所需的分子转化。然后,优化了菌株,以增强产品的通量。最后,我们进行了工艺优化、放大和LCA。

 

Nature Biotechnology:将工业排放或生物和城市产生的废气回收利用插图2

 

尽管ABE发酵历史悠久,用于异源丙酮生物合成的可用酶变体库,特别是硫醇酶(ThlA),CoA转移酶(CtfAB)和乙酰乙酸脱羧酶(Adc),是有限的。在以往的所有研究中仅探索了来自两种参考菌株的基因 – 天然分离株C. acetobutylicum ATCC824和C. beijerinckii NCIMB8052 。为了扩大可用酶的序列空间,研究开采了最近测序的272种ABE菌株,其中包括来自四十年生物技术发展的无数优化工业菌株,包括来自南非和台湾最后一次工业ABE运营的生产菌株。在DJ集合中共鉴定了41种独特的且以前未描述的丙酮生物合成酶。这些酶与参考菌株的酶大致相同的。在DJ集合中发现了几种醇脱氢酶,但没有sAdh酶。

 

Nature Biotechnology:将工业排放或生物和城市产生的废气回收利用插图3

 

因此,根据文献中描述的进行类似反应的酶进行了计算机同源性搜索。例如,3-HB 脱氢酶 (Bdh) 已在 Cupriavidus 中描述。这种活性将与Adc直接竞争,并且具有低ADC表达的组合菌株设计是最高的3-HB滴度之一。几种假定的Bdh同工酶以及其他混杂醇脱氢酶,包括sAdh或丁二醇脱氢酶,存在于C. autoethanogenum基因组中。同样,还原为3-HB也可能在CoA水平上表现出来,其中乙酰乙酰辅酶A转化为3-HB-CoA,如丙二酸丙二醇(Hbd)的丁醇途径或铜立体的PHB途径所述。反过来,CoA部分可以被硫酯酶切割掉;这种功能类的几种酶存在于C. autoethanogenum基因组中。硫酯酶也可能直接作用于乙酰辅酶A或乙酰乙酰辅酶A,限制通量进入途径或与辅酶A转移酶竞争,但不提供能量守恒。在C. autoethanogenum基因组中共鉴定出13个候选基因,这些基因单独或组合可能负责3-HB的形成。

 

Nature Biotechnology:将工业排放或生物和城市产生的废气回收利用插图4

 

从组合文库筛选中最好的质粒菌株开始,研究接下来在台式连续搅拌罐反应器(CSTR)中建立了丙酮的连续发酵工艺。发酵过程在下降之前平均显示12 d的稳定稳态生产。乙醇和丙酮是主要的发酵产物,醋酸盐,3-HB是次要产物。全基因组测序显示,没有发现与性能下降相关的突变。具有相同质粒的菌株Δ0553Δ1524Δ1586在没有可测量的3-HB形成的情况下以类似的方式进行。根据浓度,丙酮生产率约为2.5克/升/小时,气体利用率约为80%。考虑到丙酮具有高挥发性,实际生产率可能更高,并且在添加到废气管路的冷凝器中观察到丙酮。

 

Nature Biotechnology:将工业排放或生物和城市产生的废气回收利用插图5

 

科研人员表示,与传统的化学制造相比,发酵使用相同的生物反应器基础设施进行多次转化的灵活性是一个关键优势。气体发酵提供的另一个关键好处是负碳。传统的化学制造工艺与大量向大气中排放的温室气体排放2e/公斤生产的丙酮和1.85公斤。相比之下,气体发酵允许制造相同的产品,同时也避免了温室气体排放的释放,有效地将碳固定到产品中。这项生物工艺为当今这些重要化学品的生产路线提供了一种绿色替代方案,这些化学品完全依赖于新鲜的化石原料。因此,这项实验促进了循环经济模式的实施,其中来自农业,工业和社会的碳被回收到化学合成价值链中,并取代了新鲜化石资源的产品制造。

转载请注明:智汇基因 » Nature Biotechnology:将工业排放或生物和城市产生的废气回收利用

喜欢 (0)
发表我的评论
取消评论
表情

Hi,您需要填写昵称和邮箱!

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址