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将植物转化为可再生能源的具有成本效益的方法

工程技术将植物转化为可再生能源的具有成本效益的方法

科学家们展示了一种新技术,其中生物工程细菌可以从可再生植物来源制造具有成本效益的化学品/聚合物

木质素 是一种构成所有旱地植物细胞壁的材料。 它是仅次于纤维素的第二丰富的天然聚合物。 这种材料是在植物中发现的唯一一种不含碳水化合物(糖)单体的聚合物。 木质纤维素生物聚合物为植物提供形状、稳定性、强度和刚度。 木质纤维素生物聚合物由三个主要成分组成:纤维素和半纤维素形成一个框架,其中将木质素作为一种连接器结合在一起,从而固化细胞壁。 细胞壁木质化使植物能够抵抗风和害虫,并帮助它们免于腐烂。 木质素是一种巨大但未充分利用的可再生资源能量之源. 占木质纤维素生物质 30% 的木质素是一种未开发的宝藏——至少从化学角度来看是这样。 化学工业主要依赖碳化合物来制造不同的产品,如油漆、人造纤维、肥料,最重要的是塑料。 该行业确实使用了一些可再生资源,如植物油、淀粉、纤维素等,但这仅占所有化合物的 13%。

木质素,一种用于制造产品的有前途的石油替代品

事实上,木质素是地球上唯一一种含有大量芳香族化合物的可再生资源。 这一点很重要,因为芳香族化合物通常是从不可再生来源的石油中提取出来的,然后用于生产塑料、油漆等。因此,木质素的潜力非常大。 与作为不可再生化石燃料的石油相比,木质纤维素来源于可再生资源的木材、稻草或芒草。 木质素可以在田地和森林中生长,并且通常对气候是中性的。 在过去的几十年里,木质纤维素被认为是石油的重要替代品。 目前石油带动化学工业。 石油是许多基本化学品的原材料,然后用于生产有用的产品。 但石油是不可再生资源,并且正在减少,因此需要重点寻找可再生资源。 这将木质素带入了图片,因为它似乎是一个非常有前途的替代品。

木质素充满高能量,但回收这种能量是一个复杂且昂贵的过程,因此即使是作为最终结果产生的生物燃料通常成本也非常高,不能经济地替代目前使用的“运输能源”。 已经研究了许多方法来开发具有成本效益的方法来分解木质素并将其转化为有价值的化学品。 然而,一些限制限制了将木质素等接触植物物质用作替代能源,甚至尝试使其更具成本效益。 最近的一项研究成功地将细菌(大肠杆菌)改造为一种高效且高产的生物转化细胞工厂。 生长和繁殖速度非常快,它们能够承受严酷的工业过程。 该信息与对天然木质素降解剂的了解相结合。 该作品发表在 美国国家科学院院刊。

由桑迪亚国家实验室的 Seema Singh 博士领导的研究小组解决了将木质素转化为平台化学品时遇到的三个主要问题。 第一个主要障碍是细菌大肠杆菌通常不产生转化所需的酶。 科学家们倾向于通过在发酵环中添加“诱导剂”来解决制造酶的问题。 这些诱导剂有效但非常昂贵,因此不适合生物精炼厂的概念。 研究人员尝试了一个概念,其中通过改造细菌大肠杆菌,将木质素衍生化合物(如香草)用作底物和诱导剂。 这将绕过对昂贵诱导剂的需要。 尽管如此,正如该小组发现的那样,香草并不是一个好的选择,特别是因为一旦木质素分解,就会大量生产香草,并开始抑制大肠杆菌的功能,即香草开始产生毒性。 但是当他们设计细菌时,这对他们有利。 在新的场景中,对大肠杆菌有毒的化学物质被用来启动复杂的“木质素价值化”过程。 一旦存在香草,它就会激活酶,细菌开始将香草醛转化为儿茶酚,这是所需的化学物质。 此外,香草醛的量永远不会达到毒性水平,因为它会在当前系统中自动调节。 第三个也是最后一个问题是效率。 转化系统缓慢且被动,因此研究人员从其他细菌中寻找更有效的转运蛋白,并将它们设计成大肠杆菌,然后快速跟踪该过程。 通过此类创新解决方案克服毒性和效率问题有助于使生物燃料的生产成为更经济的过程。 并且,去除外部诱导剂以及结合自动调节可以进一步优化生物燃料制造过程。

众所周知,一旦木质素被分解,它就有能力提供或更确切地说“赋予”有价值的平台化学品,然后可以将其转化为尼龙、塑料、药物和其他目前从石油中提取的重要产品,这是一种非- 可再生能源。 这项研究是朝着研究和开发具有成本效益的生物燃料和生物生产解决方案迈出的一步。 使用生物工程技术,我们可以生产更大量的平台化学品和其他几种新的最终产品,不仅可以用于细菌大肠杆菌,还可以用于其他微生物宿主。 作者未来的研究将侧重于展示这些产品的经济生产。 这项研究对能源生产过程和扩大绿色产品的可能性范围产生了巨大影响。 作者评论说,在不久的将来,木质纤维素如果不能代替石油,肯定会补充石油。

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{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}

来源(S)

吴伟等。 2018. Toward Engineering E. coli with a autoregulator system for lignin valorization', 诉讼中的国家科学院院士. 115(12)。 https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115

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