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利用“下一代工业生物技术”:海水也可变“燃料”

2019-11-11 12:20暂无阅读:1896评论:0

原标题:利用“下一代工业生物技术”:

海水也可变“燃料”

下一代工业生物技术产业观光园

近日,英国曼彻斯特大学发布了一则消息称,该校生物技术研究所的研究人员正在与美国一家研究机构合作,探讨利用合成生物学技术制造新一代生物燃料,所使用的原料部分来自海水。

研究人员发现,海水中的盐单胞菌能够提供有效的“微生物底盘”,用于合成高价值化合物。未来,这种新一代生物燃料的制作方法,可以通过类似酿酒行业的生产方式实现更为经济的生物燃料规模生产。

对于生物燃料行业来说,此项研究可谓是突破性的。不过,《中国科学报》采访发现,早在2006年,清华大学生命科学学院教授陈国强实验室就开始了海水发酵的研究工作,并于2018年在《生物技术近期述评》(Current Opinion in Biotechnology)期刊首次提出以海水为介质的下一代工业生物技术,曼彻斯特大学此次的研究就是该技术的进一步延伸。

“这项技术最大程度地降低了生物燃料的成本,前景很好。”陈国强告诉记者,对于下一代工业生物技术的应用,该团队已经克服了许多困难,目前可以利用海水作为发酵用水生产生物降解塑料,并实现了小规模(35吨规模)的工业应用,现在正在进行更大规模产业化的尝试。

生物制造技术升级换代

化学工业虽然为现代社会作出了极大的贡献,但也带来了环境污染、温室气体排放等诸多问题。随着分子生物学、生物化学和合成生物学的快速发展,利用生物活体、细胞器或酶等生物制品,以生化反应的形式对原料进行加工的工业生物技术,被认为是更有效的手段。

不过,相比传统的化学工业,工业生物技术虽然对环境破坏更小,但由于底物价格昂贵、消毒灭菌步骤繁琐,并且需要消耗大量能源和水资源等原因,在市场竞争中并不占优势。开发一系列可以高效、经济地生产各类产品的菌种,就成为当下的重要任务。

为此,科学家把焦点放在了生活在极端条件下并且具有特殊性质的微生物身上,比如嗜盐、嗜碱、嗜酸、嗜热微生物等。其中,以盐单胞菌属为例的嗜盐微生物,由于可在高盐高碱条件下进行开放的、连续的发酵,成为工业生物技术的研究热点。

陈国强表示,下一代工业生物技术就是以极端(嗜盐微生物)微生物合成生物学为基础的工业生物制造技术,主要针对现阶段生物制造固有的耗能、耗水、过程操作复杂、产物最终浓度低、产物纯化复杂、过程不能连续、设备投资昂贵及与人争粮等缺点,在不燃不爆、无污染、少耗水的情况下部分代替化学工业,提供大量材料、燃料、药品、炸药和其他衣食住行必需品,满足人类需求。

在他看来,我国拥有世界规模最大的工业生物制造产业(产值近万亿元),迫切需要产业升级。下一代工业生物技术可以克服现有生物制造的缺点,促进我国生物制造的全面升级换代,解决面临的生态、资源和可持续发展危机。

海水带来的无限可能

嗜盐微生物是一类生长过程中需要高浓度氯化钠的微生物的总称,通常栖息在高盐环境或海洋中,盐单胞菌就是其中一种。曼彻斯特大学此次研究聚焦利用合成生物学将海水中生长的盐单胞菌制成生物燃料。

研究人员称,这一技术突破的关键在于通过基因重组技术改变微生物的新陈代谢,以创造出用于替代原油的高质量生物燃料,这种制造方法比目前使用的化学合成方法更为高效和可持续。

当前,化学合成的方式仍存在环境和经济性等方面的问题。曼彻斯特大学生物技术研究所所长奈杰尔·斯库顿表示,有效的生物燃料战略应避免使用淡水,并能够大规模、经济地生产源自微生物宿主的燃料。改造细菌以复制化学合成同样的工艺,不仅可以大幅提高生物燃料制造的可持续性,限制有毒副产品的产生,还不依赖于原油等非可持续资源。

陈国强同样非常看好利用海水制造生物燃料的前景,因为嗜盐微生物本身就处于高盐、高碱的生长环境,这让它不易被染菌,所以不需要在无菌条件下进行。发酵过程中无需高温高压灭菌,并能够进行长时间的连续发酵,这就使得过程的操作简单了许多,并在很大程度上节能和降低成本,提高产品的市场竞争力。

“发酵过程无需高温高压灭菌,就不需要使用昂贵的不锈钢发酵罐和不锈钢管道系统,转而使用便宜的塑料、陶瓷甚至水泥罐体或管道等,过程设备投资也大幅度减少。”陈国强补充道,由于可以用海水替代淡水,过程产生的水可以多次循环利用,节水也成为一大优势。

此外,利用海水制造生物燃料不与人争粮。曼彻斯特大学生物技术研究所商业化总监柯克·马隆称,目前,生物燃料制作依赖玉米、甜菜等作物,占用农地,借助海水制作生物燃料可减少燃料与粮食生产抢资源的矛盾,最终制造出来的生物燃料与现在使用的燃料品质基本一样,交通工具无须改装引擎就可使用,并且仍能保持高性能。

陈国强也指出,合成生物学改造的嗜盐细菌可以利用淀粉、蛋白、脂肪甚至纤维素和脂肪酸等生长,这些都是食物的组成,甚至用餐厨废料也能使嗜盐细菌生长,制造所需的产品。除了不与人争粮,通过分子操作,还可使嗜盐细菌在高密度情况下仍能继续生长,大幅提高产品最终浓度;通过表达细菌分离遏制基因,使细菌形态发生变化,能产生自凝絮作用,使菌体与发酵液自然分离,产物纯化变得更为简单。

仍存技术挑战

围绕嗜盐微生物,陈国强团队也进行了一场合成生物学的改造,将这个神奇的微生物变成高效的生物制造平台,使其能够在无灭菌和连续工艺过程中,利用海水为介质高效生产各种生物塑料PHA(聚羟基脂肪酸酯),成本比之前的技术降低三分之一。

据记者了解,用于PHA的下一代工业生物技术中试已经完成,用中试生产线合成的PHA可以制成可生物降解的农用地膜、超市购物袋、快递和外卖的包装材料等,甚至还可以把PHA制成纱线,进而纺成布料用以代替丝绸。

对于基于海水中的嗜盐微生物制造生物燃料,前景虽然也十分诱人,但如果要展开实际应用,在可行性上仍然存在技术障碍。陈国强告诉记者,对嗜盐微生物进行合成生物学改造难度较大,目前最需要解决的技术难题就是在嗜盐微生物中构建高效燃料合成路径。

陈国强表示,由于嗜盐细菌的鲁棒性,发酵工艺也能保持一致,使工艺开发简单化,未来技术研发的方向将聚焦在利用一个菌种进行多个产品的生产。他表示,未来,下一代工业生物技术将使国家在困难(如战争)的情况下,仍然能够大量生产各种材料、燃料、药品、炸药和其他衣食住行等必需品,满足社会需求。