纖維素廢棄物熱解液乙醇轉化的工程菌構建

基于能源的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境污染的考慮，可再生能源（如生物乙醇）獲得了越來越多的關注。纖維素物質儲量巨大，熱解技術可以快速的將它分解成以內醚糖為主的熱解液。內醚糖不能直接被轉化成乙醇，但可以通過酸催化水解成葡萄糖，從而被微生物發(fā)酵，也可以通過基因工程改造獲得乙醇發(fā)酵菌株直接發(fā)酵內醚糖生產(chǎn)乙醇。主要成果包括：（1）熱解液經(jīng)過硫酸水解、Ba(OH)2 中和和 2:1體積的乙酸乙酯分三次萃取進行脫毒后，改造的大腸桿菌Escherichia coli 11177能有效發(fā)酵水解液為乙醇，所得乙醇產(chǎn)率為0.40 g乙醇/g葡萄糖。但在相同的條件下，Z. mobilis 11020卻不能。發(fā)酵罐擴大發(fā)酵，縮短了發(fā)酵時間。E. coli 的乙醇生產(chǎn)效率可達到約0.71 g/L h，高于大部分文獻報道的效率值。構建的數(shù)學動力學模型符合Logistic模型，可準確描述菌體的生長，而分別描述基質消耗和底物生成的動力學模型 和 能很好的模擬實測值，將來有望指導中試生產(chǎn)。（2）對運動發(fā)酵單胞菌進行甲酸、乙酸、糠醛、5-羥甲基糠醛和苯酚的細胞毒性測試，確定這5個化合物對運動發(fā)酵單胞菌生長的抑制濃度分別為0.7、5.3、1.9、9.0和1.7 g/L。而單個化合物10%的抑制濃度的混合物，即0.07 g/L甲酸、0.53 g/L乙酸、0.19 g/L糠醛、0.9 g/L 5-羥甲基糠醛和0.17 g/L苯酚的混合物，便可抑制細胞生長。（3）利用低能離子注入介導轉基因技術對Saccharomyces cerevisiae 2.399進行低能N 離子刻蝕發(fā)現(xiàn)，在注入能量為15 keV、注入劑量為10×1015 ions/ cm2的條件下，S. cerevisiae 2.399的細胞自我修復作用最強，存活率達到25%，乙醇產(chǎn)率約為0.42 g乙醇/g葡萄糖（達到理論產(chǎn)率的84%），與乙醇發(fā)酵相關的丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶酶活值分別約為0.53和2.47（μmol/mL min）。（4）通過三種不同方法嘗試構建工程菌，以反轉錄得到的內醚糖激酶基因為目的基因構建的工程菌利用內醚糖的效率最低；其次為進一步插入了釀酒酵母信號肽基因的工程菌；利用內醚糖和轉化乙醇效率最好的是以優(yōu)化過密碼子的內醚糖激酶基因為目的基因構建的工程菌。本研究為大規(guī)模利用纖維素生產(chǎn)生物乙醇提供了一條重要途徑和技術支撐。 2100433B

纖維素類廢棄物經(jīng)快速熱解技術可獲得含主要成分為內醚糖(Levoglucosan,1,6-脫水-β-D-吡喃葡萄糖)的熱解液，但自然界仍未發(fā)現(xiàn)直接轉化內醚糖為乙醇的微生物菌株，從而限制了從纖維素生物質經(jīng)熱解，然后直接生物轉化為乙醇的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。本研究擬將自行分離獲得的內醚糖激酶基因lgk轉入產(chǎn)酒量高、抗逆性強的運動發(fā)酵單胞菌Zymomonas mobilis中，構建基因工程菌株，以及采用低能離子束注入介導轉基因技術構建酵母工程菌株，從而實現(xiàn)纖維素生物質熱解液到清潔能源乙醇的有效轉化。內容包括lgk基因高表達穿梭載體構建，低能離子束注入介導的斯達油脂酵母基因組DNA在釀酒酵母的轉化，轉化子篩選，以及重組體工程菌對純內醚糖和熱解產(chǎn)物的乙醇轉化。本研究將先進的基因工程技術和方法運用于能源科學和環(huán)境科學問題研究中，屬交叉學科研究，科學意義大，同時也為基于熱解技術的纖維素廢棄物生物轉化奠定了基礎。

利用熱解焚燒技術處理危險電子電器類、醫(yī)療類和有機類等具有一定熱值的危險性可燃固體廢棄物，將熱解和高溫焚燒技術優(yōu)化組合，把低溫氣體和高溫熔融結合起來，將廢棄物的焚燒分為熱解-預混-焚燒三步進行，實現(xiàn)熱解焚燒、能量回收和煙氣凈化綜合工藝流程和工藝條件。 2100433B