Совершив прорыв в области экологически чистого химического производства, исследователи из Центра передовых инноваций в области биоэнергетики и биопродуктов (CABBI) разработали экономичный способ получения янтарной кислоты, важного промышленного химического вещества, из сахарного тростника.

Команда исследователей из Университета Иллинойса и Принстонского университета создала экономичный сквозной трубопровод для получения этой ценной органической кислоты, разработав жесткие, кислотоустойчивые дрожжи в качестве ферментирующего агента, избегая дорогостоящих этапов последующей обработки. Янтарная кислота является широко используемой добавкой к продуктам питания и напиткам и находит разнообразное применение в сельскохозяйственных и фармацевтических продуктах .

Этот же трубопровод может быть использован для производства других промышленно важных органических кислот, на которые нацелена работа CABBI по разработке экологически чистого биотоплива и биохимических продуктов из сельскохозяйственных культур, сказал соавтор Хуйминь Чжао, руководитель темы конверсии CABBI и профессор химической и биомолекулярной инженерии (ChBE) на Иллинойс. Чтобы уменьшить зависимость от ископаемого топлива , исследователи конверсии используют микробы для преобразования растительной биомассы в химические вещества, используемые в повседневных продуктах, в качестве альтернативы традиционному производству на основе нефти.

«Это послужит основой для всех других продуктов метаболической инженерии в CABBI», — сказал Чжао, один из нескольких главных исследователей проекта CABBI.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications, и работа основана на многолетних исследованиях Чжао и его коллег по производству янтарной кислоты с использованием Issatchenkia orientalis, нетрадиционных дрожжей, идеально подходящих для производства органических кислот.

I. orientalis обладает уникальной способностью процветать в условиях с низким pH или в кислых условиях. Большинству организмов для выживания требуется среда с нейтральным pH, включая Saccharomyces cerevisiae, более традиционные дрожжи или бактерии Escherichia coli. По словам Чжао, оба продукта использовались компаниями и лабораториями для производства янтарной кислоты, но оказались слишком дорогими, поэтому усилия по расширению производства не увенчались успехом.

Этим микроорганизмам требуется добавление основания для нейтрализации токсичных кислотных условий, чтобы они могли продолжать вырабатывать янтарную кислоту. Но при этом образуются побочные продукты, такие как гипс или сульфат кальция, которые необходимо отделять в конце трубопровода для очистки продукта, что приводит к увеличению затрат на последующую переработку.

«Одним из узких мест в производстве органических кислот является стоимость разделения», — сказал Чжао. «Нам приходится добавлять много основания, чтобы поддерживать pH около нейтрального, от 6 до 7».

Однако в случае I. orientalis «организм счастливо живет при pH от 3 до 4», поэтому добавки не требуются, сказал Чжао. «В конечном итоге это значительно снижает затраты».

Исследователи CABBI также провели обширную метаболическую инженерию, чтобы перепрограммировать I. orientalis для производства высокого уровня янтарной кислоты — выше, чем у S. cerevisiae или E. coli, сказал он. Используя анализ метаболических потоков, проведенный в лаборатории Рабиновица, они определили этапы метаболизма дрожжей, которые ограничивают выработку янтарной кислоты. Одно из ключевых препятствий: местный I. orientalis не может использовать сахарозу из сахарного тростника. Поэтому был добавлен фермент, который мог расщеплять сахарозу из сока сахарного тростника на глюкозу и фруктозу с образованием янтарной кислоты. Другие гены были введены для перепроизводства янтарной кислоты.

Работая с группой Сингха в IBRL, команда затем увеличила производство янтарной кислоты, используя промышленно необходимое оборудование, чтобы провести сквозную интеграцию процесса. Пилотная работа показала, что новые штаммы могут производить до 110 г/л янтарной кислоты, а после периодической ферментации и последующей обработки общий выход составляет 64% — впечатляющие результаты, имеющие коммерческое значение, сказал Сингх.

Сочетание более высокого уровня производства за счет генной инженерии и более низких затрат за счет устранения последующего разделения делает этот процесс «очень привлекательным», сказал Чжао. «Вот почему трубопровод настолько экономичен, по крайней мере, в этом пилотном масштабе».

Последним шагом стала работа с Гостем над моделированием полного сквозного трубопровода по производству янтарной кислоты с низким уровнем pH с использованием программной платформы с открытым исходным кодом BioSTEAM, разработанной его группой. Технико-экономический анализ (TEA) и оценка жизненного цикла показали, что этот процесс является финансово жизнеспособным и может сократить выбросы парниковых газов на 34–90% по сравнению с производственными процессами, основанными на ископаемом топливе.

«Эти достижения в области метаболической инженерии могут иметь крупномасштабные преимущества, одновременно снижая затраты и воздействие на окружающую среду в поддержку циклической биоэкономики», — сказал Гест.

Этот процесс выделяет меньше углекислого газа (CO 2 ), чем традиционная химическая обработка нефти. Растения, такие как сахарный тростник, также поглощают углерод, а CO 2 можно использовать в качестве субстрата для этого процесса, что еще больше снижает его углеродный след.

«Это определенно более экологично. Это предпосылка всех исследований в CABBI: использование возобновляемых ресурсов для производства химикатов и топлива», — сказал Чжао.

Исследователи планируют в ближайшее время провести дальнейшие масштабные исследования, чтобы поддержать коммерциализацию процесса производства янтарной кислоты.

Работа также станет шаблоном для производства других продуктов CABBI с использованием I. orientalis, включая 3-гидроксипропионовую кислоту (3-HP). Рынок 3-HP, используемого в компонентах одноразовых подгузников и герметиков, превышает 1 миллиард долларов, и исследования, проведенные на сегодняшний день, показывают огромные перспективы, сказал Чжао.

«Мы ожидаем, что I. orientalis может служить общей промышленной платформой для производства широкого спектра органических кислот», — сказал Винь Тран, основной автор статьи и доктор философии. студент ЧБЭ.

В проекте участвовало несколько лабораторных групп и были представлены все три темы исследований CABBI: использование сока сахарного тростника от исследовательской группы по производству сырья, метаболические исследования и мощности по биопереработке от группы конверсии, а также экономический и экологический анализ от группы устойчивого развития.