技術名稱 基因工程微生物工廠用於回收二氧化碳生產酒精
計畫單位 國立中興大學
計畫主持人 李思禹
技術簡介
以微生物發酵為基礎的化學品生產中,原料佔了相當大的生產成本。過去是用澱粉作為在工業量產上取得了相當大的成功,為了能有效處理農林廢棄物,同時降低生產成本,利用木質纖維素生產酒精,也已有了相當大的進展。目前,直接將二氧化碳轉換成生物燃料正如火如荼地在各國研究競爭。
傳統微生物酒精發酵之理論最高產能為2 mol/molglucose,二氧化碳排放則為1 molCO2/molEtOH,目前實際的酒精生產產能在1.8-1.9 mol/molglucose之間,二氧化碳排放則與酒精生產相當。本研究利用基因工程技術,構築一重組微生物菌株,結合了來自3種不同的微生物基因組,能同時將葡萄糖與自身排放之二氧化碳轉換成酒精,其酒精之理論最高產量為2.4±0.1 mol/molglucose。此重組菌株乃以大腸桿菌為平台做必須的基因修改,同時引入來自藍綠菌的固碳核心基因核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶 (Rubisco)及來自Zymomonas mobilis 的酒精生產基因組,最後得到的重組微生物菌株命名為FB295A。
實驗結果顯示,當饋以20 g/L的葡萄糖時,FB295A在60小時內可將全部的葡萄糖吃完,其酒精生產表現可達到產量2.3±0.2 mol/molglucose,及低碳排表現之0.13±0.02 molCO2/molEtOH。經過繼代培養馴化,整體發酵時間可縮短為30小時,使混營酒精生產改善至7.1±0.5 mmol L-1 h-1,並達到酒精產量2.4±0.1 mol/molglucose,發酵產物除了酒精,沒有其他發酵產物,FB295A以嶄新、次世代的方法生產酒精,在回收二氧化碳的表現可達到100%的理論值。
科學突破性
混營發酵兼具固碳及快速生長,葡萄糖從三分之二的碳原子利用率提高到80%的碳原子利用率,來自荷蘭、中國、美國等研究團隊也開始以混營為研究目標。截至2020年,本研究團隊是首個團隊能以混營方式生產特定化學品,且葡萄糖80%的碳原子用於酒精生產,此為混營100%最大理論值,酒精發酵時間則在1.5天內完成。
產業應用性
微生物生產化學品為當今趨勢,能有效充實本國戰略資源規劃。本研究團隊將葡萄糖80%的碳原子全部轉換為酒精,達到混營的100%最大理論值,酒精可用於生質能源,洗手液及碳交易等。本實驗團隊預期所有的生質化學品或生質材料都能透過此種二氧化碳回收技術,有效提高葡萄糖碳原子利用率,並達到比擬傳統發酵的生產速率。
關鍵字 混營 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶抑制作用 二氧化碳 酒精 碳稅 大腸桿菌 碳交易 厭氧發酵 代謝工程
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