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学院生物转化与分离课题组在离子液体应用方面取得重要研究进展

2022-05-10 

以可再生的生物质资源生产化学品和燃料是解决化石资源枯竭和气候变暖的一个重要战略。其中,木质纤维素是最丰富和最廉价的生物质,然而其复杂的理化结构导致木质纤维素难以直接被酶和微生物降解利用,因此开发有效的预处理方法对于高效利用木质纤维素具有重要意义。

离子液体因其低熔点、高热化学稳定性、可设计性等优点,被公认为是一种可替代传统有机溶剂的新型绿色溶剂,在化学反应、产物分离等领域展现了巨大潜力。近日,美高梅4858线路登录生物催化转化与分离课题组戴建英副教授及其指导的研究生在离子液体预处理木质纤维素方面取得重要进展,相关工作发表在Bioresource Technology(IF 9.642 /Q1, top期刊)上,论文题目为“Pretreatment of Jerusalem artichoke stalk using hydroxylammonium ionic liquids and their influences on 2,3-butanediol fermentation byBacillus subtilis”(doi:https://doi.org/10.1016/ j.biortech.2022.127219)。

针对离子液体成本高以及残留离子液体对酶和微生物的毒性问题,本研究自行合成了结构简单、成本低廉的羟胺类离子液体(图1),比较分析了不同结构离子液体对菊芋秸秆的预处理效果,提出羟胺类离子液体预处理木质纤维素的作用机制:先削弱木质纤维素之间氢键,再溶解其中的木质素。研究了不同浓度离子液体对Bacillus subtilis发酵生产2,3-丁二醇的影响,发现低浓度离子液体对菌体生长和产物生成有促进进行,高浓度表现为抑制作用。相比于绝大部分离子液体,乙醇胺乙酸(EOAA)的毒性较低。当EOAA浓度为0.3 mol/L时,对2,3-丁二醇的生成几乎无抑制作用;0.1 mol/L时对纤维素酶无抑制作用,菌体密度比对照组提高24.6%,2,3-丁二醇产量增加22.5%。该工作是国家自然科学基金项目“基于离子液体的木质纤维素生产燃料前体的过程集成”(21978038)的部分成果,接下来将开展产品分离和催化反应的系统集成。

图1羟胺类离子液体预处理菊芋秸秆及其对2,3-丁二醇发酵的影响

生物催化转化与分离课题组前期对发酵液中生物基化学品的离子液体盐析萃取进行过研究,包括二元醇的盐析萃取(Dai Jianying et al, Process Biochemistry 2018, 71: 175; Li Yan et al, Separation and Purification Technology(IF 7.312/Q1),2020, 240: 116584)和有机酸的糖析/盐析萃取(Sun Yaqin et al, Separation and Purification Technology 2018, 204: 133),并应《化工学报》(英文版)主编邀请对离子液体萃取生物基化学品的研究进展进行了总结展望(Dai et al, Chinese Journal of Chemical Engineering 2021, 30: 185)。未来,修志龙教授团队将继续致力于研发低共熔溶剂和离子液体在生物基化学品和燃料生物转化和分离中的应用,为离子液体在绿色生物制造中的工业化应用提供超前的技术支撑。

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