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第三代生物炼制
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华东理工吴辉团队:从乙酸盐高产生物合成3-羟基丙酸
第三代生物炼制技术 - 核心目标为利用一碳分子和可再生能源实现燃料与化学品的"负碳"生产,以应对气候变化和粮食短缺问题 [1] - 合成气发酵制得的乙酸作为非粮碳源,在大宗化学品生物合成中地位显著提升 [1] - 3-羟基丙酸(3-HP)作为可再生大宗化学品,可衍生丙烯腈、1,3-丙二醇等高值产品,预计市场规模达360万吨/年,产值超100亿美元/年 [1] 华东理工大学研究成果 - 吴辉团队通过丙二酰-CoA途径,在大肠杆菌中构建以乙酸合成3-HP的工程菌株ZWR18(MDA) [2] - 该菌株在常规条件下产量达5.53 g/L,得率0.732 g/g(理论得率97.60%);全细胞催化时产量提升至23.89 g/L,得率0.734 g/g(理论得率97.87%) [2] - 使用合成气来源的乙酸为底物时,仍能获得18.87 g/L 3-HP,得率0.58 g/g [2] 代谢工程关键技术 - 通过过表达mcr、dtsR1和accBC基因簇,将乙酰-CoA转化为3-HP [5][6] - 采用启动子筛选、敲除fadR基因及添加浅蓝菌素等策略,将丙二酰-CoA碳流量导向3-HP合成路径 [6] - 辅因子工程强化NADPH和乙酰-CoA供应,最终实现合成气来源乙酸的负碳生产 [6] SynBioCon 2025大会 - 第四届合成生物与绿色生物制造大会将于2025年8月20-22日在宁波举办,聚焦"AI+生物智造"及绿色化工、未来食品、农业三大领域 [8] - 议程包括生物制造产业宏观论坛、绿色化工与新材料专题论坛、AI+生物制造专题论坛等,并设有科技成果展示与合成生物创新展览 [9] - 同期举办生物制造产业高层座谈会及《2025人工智能赋能生物制造产业创新发展蓝皮书》闭门研讨会 [9]
中科院青岛能源所李福利等:以CO2为原料的第三代生物炼制现状
第三代生物炼制技术概述 - 利用CO2、CO、甲烷等一碳气体作为原料进行生物转化,是实现碳资源捕捉利用和绿色制造的重要途径[1] - 相比传统生物炼制技术(玉米/木质纤维素为原料),第三代技术具有原料广泛、成本低、环境友好等优势[3][8] - 全球已有商业化案例:首钢京唐4.5万吨/年钢铁尾气制乙醇项目年减排17万吨CO2,宁夏铁合金尾气项目年产4.5万吨乙醇并减排18万吨CO2[4] 技术发展历程 - 第一代生物炼制(1970s起):以玉米/油料作物为原料,存在与粮争地问题[7][8] - 第二代生物炼制:转向木质纤维素原料,但面临结构复杂、高能耗等技术瓶颈[8] - 第三代生物炼制(21世纪):直接利用CO2和可再生能源,微藻培养效率提升20-30倍,工程菌株脂肪酸乙酯产量达50-70g/L[9][10] 固碳代谢途径 - 已发现7种天然固碳途径:包括卡尔文循环(光能驱动)、伍德-永达尔途径(厌氧)、还原性甘氨酸途径(低ATP需求)等[11][12] - 人工设计途径进展:ASAP途径实现无细胞淀粉合成,CETCH循环能量消耗比CBB循环低40%,ICE-CAP途径创生物固碳速率纪录[35] - 关键酶突破:改造RuBisCO减少光呼吸损耗,优化4-羟基丁酰CoA脱水酶提升3HP/4HB循环效率[13][25] 微生物工程化进展 自养微生物改造 - 食气梭菌:通过电极辅助发酵将乙酸产量提至50g/L,Lanza Tech已实现工业废气制乙醇商业化[38][40] - 蓝细菌:引入蜡酯合成酶实现脂肪酸乙酯合成,改造Rubisco酶使CO2固定速率提升30%[43][44] - 微藻:生产1吨生物质可固定1.8吨CO2,美国Green Fuel公司建成1040MW级微藻固碳系统[45] 异养微生物改造 - 能量供给创新:半导体纳米捕光系统使大肠杆菌苹果酸产量达1.48mol/mol葡萄糖[48] - 途径强化:大肠杆菌过表达CO2转运蛋白sbtA使琥珀酸产量增加10%,构建羧酶体提升固定效率[49] - 异源途径引入:毕赤酵母导入CBB循环实现自养生长,工程酿酒酵母乙醇得率提高10%[47][50] 产业化应用方向 - 燃料领域:乙醇、生物柴油(微藻脂质转化)商业化生产规模已达万吨级[4][45] - 化学品合成:Evonik-西门子合作年产2万吨丙酸/丁酸,首钢朗泽项目年产值1.2亿元[40] - 高附加值产品:微藻合成PUFAs替代鱼油,蓝细菌生产异戊二烯等生物基材料[46][43] 未来技术挑战 - 酶催化效率:天然RuBisCO固碳速率仅20-30个/秒,需进一步定向进化[13][35] - 能量供给优化:自养微生物ATP产率低限制生长速率,需开发电子传递新机制[36][37] - 规模化瓶颈:多数固碳途径处于概念验证阶段,需降低培养成本(如微藻抗盐改造)[44][51]