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06-14 极端环境生物研究可帮助解决木质纤维素乙醇制造难题(图文)

日期:2007-06-14  访问次数:3872


据physorg网站2007年6月12日报道,在欧洲海底含硫层之下埋藏有一种称之为“极端微生物”的微生物种类。将其称之为“极端微生物”是因为他们能够在极端环境下生活,并大量繁殖。或许这种想法似乎是有点激进,即这些生物体和与他们相关的酶不知何故成为了开启基于可再生生物燃料木质纤维素乙醇的新运输经济的钥匙。

这就是美国桑迪亚国家实验室一个国内资助研究项目的理念,该项目已经进入了第二个年头。与研究人员寻找便宜和有效处理纤维素生物质方法制造木质纤维素乙醇一样,桑迪亚国家实验室该项目的目标是成功论证能够制造极端酶的各种计算工具和酶工程方法。

生物质处理对于乙醇制造相当关键

布莱克.锡莫恩斯是加州利弗莫尔市桑迪亚国家实验室的一名化学工程师和项目领头人。他说,防碍木质纤维素乙醇成为有用的运输燃料的主要障碍不是木质纤维素生物质的有用性问题,而是其有效和划算的处理方法问题。

锡莫恩斯说,“生物质生产不是我们所关心的问题。每年木材、农业及各种草和具有能源潜力的农作物估计可以制造出十亿多吨生物质。不幸的是,你不能只是拣起一根树枝,然后把它插入一个酶反应器中,发酵成糖再制成具有各种功效的乙醇。将木质纤维素材料转化成乙醇的处理过程是非常困难的,且成本高昂。”

锡莫恩斯称,那种处理方法的特征是,采取几种预处理方法将木纤维质材料分解成容易转化的聚合体。

继续以树枝分析为例,锡莫恩斯称实验室处理首先将生物质剁碎,以减小其尺寸,然后将其投入淡酸预处理反应器中。反应器将把生物质分解成纤维素、半纤维素和木质素。从生物质中分离出来的半纤维素和纤维素在最终产品恢复和放回酶反应器将聚合体解构成发酵糖之前必须进行其它处理和酸性中和。锡莫恩斯称,这一处理一点也不迅速和有效,相反却非常昂贵。

利用自然界中自然存在的极端酶

从极端微生物中分离出来的酶可帮助解答这一令人烦恼的处理之迷。锡莫恩斯说,桑迪亚国家实验室目前感兴趣的生物物体是硫磺矿硫化叶菌,这是几年前由德国研究员杰奥格.利皮斯发现的一种可以分离出极端酶的生物体。从硫磺矿硫化叶菌提取出纤维素酶,我们知道纤维素酶存在于生物体中,可以使生物在硫磺酸性环境中繁殖生长。纤维素酶具有一种无法解释得清的自然特性,可有效将纤维素转化为糖。

锡莫恩斯说,“像糖一样的生物物质通常能提供一种能够转化为某些可用输出的非常容易的能源媒介。桑迪亚国家实验室研究人员中很明显有一少部分研究人员在寻求从硫磺矿硫化叶菌中提取酶,并将这些酶应用于实验室生物质转化成纤维素乙醇的处理。”

锡莫恩斯说,极端酶可以在许多地方找到,比如温泉和金矿,甚至在漏水热水器的铁锈中也能找到。当其它研究人员正检测常用生物质,并试图在高温和低酸碱度下提取酶时,桑迪亚国家实验室却采取了非常有效的相反方法。

锡莫恩斯问到,“为什么不用从生物体自然状态中分离出真正的极端酶的方法取替尝试从生活在相当良好环境中的生物体中提取极端酶的方法呢?”他说,桑迪亚国家实验室已经将生产这些极端酶的脱氧核糖核酸引入实验室,然后利用一种称之为“定点突变”的技术处理和最优化酶基因序列,使其具有我们所期望的改良特性。桑迪亚国家实验室使用计算机模拟技术对这些突变进行了鉴别,将极端酶与更具良性的类似酶进行比较,以鉴别出我们感兴趣的关键基因序列。

锡基恩斯说,“最终梦想,也是现在唯一的梦想就是将一棵白杨树放入一个桶中,然后过三天后去看,发现乙醇从桶的龙头中流出来。尽管我们距离这一梦想还有几十年时间,但是旨在巩固和预处理的该计划使我们向实现这一梦想又迈近了一步。”

乙醇产品是相同的,但是原材料却存在巨大的差异

美国新墨西哥州阿巴科克市桑迪亚国家实验室分子和计算机生物科学部高级管理员及生物燃料项目研究领头人格兰特.赫菲尔芬格尔说,开发生物质制造乙醇技术的好处众所周知。他指出该技术具有加强国家能源安全、减少温室气体排放、使用可再生资源及其它经常提到的好处。但是玉米制造乙醇必然要与食品市场产生竞争,这使得木质纤维素乙醇成为最有可能对减少交通运输部门石油束缚产生最重要短期影响的燃料。

锡莫恩斯称,尽管纤维素乙醇最终产品与玉米乙醇的相同,但是他们原材料的复杂性却不相同。玉米是一种简单的淀粉材料,很容易转化为发酵糖,而纤维素生物质由纤维素聚合体构成,包在复杂的木质素、半纤维素和其它成分的脉管结构之中。

锡莫恩斯说,“因为木质纤维素生物质是一种多层面材料,我们需要对其工作原理有一个基本了解。尽管各个行业的研究人员都在研发能够将纤维素生物质转化为乙醇的新技术和设备,但是他和他同事希望他们的方法能够有效和便宜地融合现有的和未来预处理方法。我们相信极端微生物酶及如何使用他们的技术能够成为研究和工业界使用的重要资源。”

锡莫恩斯在最近召开的第四届工业生物技术和生物处理世界大会上介绍了他领导的研究小组在极端微生物研究项目中所取得的初步发现。研究小组希望尽快公布更加先进的研究发现。研究小组正着手完成几项可能赢得更多资金援助的提案。锡莫恩斯表示,桑迪亚国家实验室敞开大门,与其它商业伙伴或者研究团体进行纤维素研发,或者共享其研究能力。

桑迪亚国家实验室因此次研究和其它方面的努力,有望成为联合生物能研究院(JBEI)一员。联合生物能研究院是美国能源部资助,由多个实验室和大学组成的生物设备研究机构。该研究院位于旧金山湾区。桑迪亚国家实验室打算在研制生物设备方面扮演重要角色,制造出具有成本效益的可再生生物能源,以减少美国对石化燃料的依赖。

锡莫恩斯说,“我们相信使用重视极端微生物酶的酶工程技术能够制造出下一代乙醇生物精炼机器,并达到减少对石化燃料依赖的目标。但是我们需要其它人也相信这一点。”



摘自:中国科技信息网