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中科院合成生物学重点实验室杨晟/蒋宇/闻志强 CEJ：甜高粱制溶剂示范工程

时间：2023-02-04 来源： 浏览：

中科院合成生物学重点实验室杨晟/蒋宇/闻志强 CEJ：甜高粱制溶剂示范工程

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近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/中科院合成生物学重点实验室杨晟课题组在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为 “Pilot-scale fermentation of 300 t/a total solvents from sweet sorghum stalk juice” 的论文。该论文详细介绍了以甜高粱茎秆榨汁为唯一碳源年产300吨总溶剂的中试过程和结果。杨晟研究员和蒋宇博士为共同通讯作者，闻志强博士为第一作者。
丁醇是重要的大宗化学品和替代性车用燃料，当前以石油基技术路线为主。历史上，丁醇曾以产溶剂梭菌发酵玉米、谷物等粮食原料进行溶剂发酵来生产。溶剂发酵主产物为丁醇，还有丙酮、乙醇等，统称总溶剂，曾是仅次于乙醇的第二大发酵产业。二战后，粮食原料成本快速上涨，几乎占总成本的 60-70% 。原料成本过高导致丁醇生物发酵技术在成本上与以石油为原料的化学法相比处于劣势，而且面临粮食安全和社会伦理上的风险。以非粮原料如甜高粱、木薯等进行丁醇生产，可以大幅降低原料成本，同时避免“与人争粮、与粮挣地”等问题，有望取代高污染和不可持续的石油基技术路线。尽管这是一个很有前途的过程，非粮原料的溶剂发酵在中试规模的研究却很少，而这往往是工业规模生产非粮基丁醇的先决条件。
本研究报告了以甜高粱茎秆汁为原料的完整中试工艺，包括甜高梁茎秆榨汁的获取、适宜菌株的实验室筛选、工业条件的优化以及在公司进行的吨级规模的中试过程和结果。研究发现，与其他测试的产溶剂梭菌相比，菌株CIBT S0031（ Clostridium saccharobutylicum DSM13864）在甜高粱茎汁发酵中表现优异。此外，还开发了一种适用于大规模工业溶剂发酵的简单可靠的非厌氧接种方法。优化的最简化的适合中试规模发酵的工业培养基，仅包含用工业水稀释的甜高粱茎汁、1.5 g/L硫酸铵和1 g/L碳酸钙。单批次发酵（2.36 m³）、补料分批发酵（2.28 m³）和半连续发酵（7.14 m³）的总溶剂浓度分别达到16.5 g/L、19.29 g/L和18.39 g/L，在吨级规模上重现了实验室结果。在多阶段的连续发酵过程中（共48.3 m 3 ，由一个16 m 3 的育种罐和三个16 m 3 的发酵罐串联组成），生产了800 kg溶剂，得率（yield）为0.45 g/g，与玉米基发酵水平相当。这项研究验证了测试菌株和中试工艺的有效性，为非粮食作物大规模生产溶剂的可行性提供了决策依据。
图1 甜高粱茎杆榨汁制总溶剂示意图。完整过程大致分原料处理、菌种选育、工厂发酵条件摸索、批次和连续大罐发酵及产品提纯等几个环节。菌种选育和工业发酵条件测试分别在上海和工厂的实验室内完成。中试装置除简易的原料压榨、浓缩处理外只安排发酵工序。另外，由于主要产品（丙酮、丁醇和乙醇）提纯所依靠的是精馏技术，国内已有多家院、所拥有成熟、先进的专利技术，直接引用即可，故本次中试中不再安排。

作者简介

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通讯作者 ， 杨晟    博导   中国科学 院分 子植 物科 学卓越创新中心

新一代DNA测序与低 成本DNA合成技术提供了海量基因资源与快速廉价的基因获取手段，为设计和创制工程细胞提供了近乎无限的可能性。 杨晟实验室开发基于CRISPR相关系统的微生物基因组编辑工具，加速细胞构建以理解相关遗传与生化机制，据此迭代设计工程微生物，用于绿色化学、可持续农业与肠道益生菌药物。

实验室累计发表文章百余篇，基因组编辑工具质粒分发两千余次，纤维素乙醇酵母在美国、巴西和印度投入商业应用，在酒精与氨基酸等领域取得显著经济效益。酶工程成果获上海市科技进步一等奖。杨晟研究员获DuPont Young Professor Award, Novozymes Innovation Award, 国务院政府特殊津贴及国家杰出青年科学基金。

PI 个人链接： https://people.ucas.ac.cn/~yangsheng

第一作者 ，闻志强，男，副教授，现就职于南师大食品与制药工程学院，研究方向为双梭菌菌群代谢工程产丁醇等生物溶剂，主持国自然青年基金等多项课题； 以第一作者或通讯作者身份在Chemical Engineering Journal、Metabolic engineering、Biotechnology and Bioengineering、Applied and Environmental Microbiology、ACS synthetic biology、ACS Sustain able Chemistry & Engineering等期刊发表SCI论文20余篇。

原文链接

https://www.sciencedirect.co m/science/article/abs/pii/S138589472206014 4

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