先进生物能源和生物产品创新中心 (CABBI) 的研究人员开发了一种从甘蔗中生产重要工业化学品琥珀酸的经济方法，这是环保化学品生产的一项突破。

　　伊利诺伊大学和普林斯顿大学的研究人员团队通过设计坚韧、耐酸的酵母作为发酵剂，为这种有价值的有机酸创建了一条经济高效的端到端管道，避免了下游加工中昂贵的步骤。琥珀酸是一种广泛用于食品和饮料的添加剂，并且在农产品和医药产品中具有多种应用。

　　CABBI 转化主题负责人、化学与生物分子工程 (ChBE) 教授、合著者赵慧敏表示，这条管道还可用于生产 CABBI 所针对的其他工业上重要的有机酸，以从农作物中开发可持续生物燃料和生物化学品。伊利诺伊州。为了减少对化石燃料的依赖，转化研究人员正在利用微生物将植物生物质转化为日常产品中使用的化学品，作为传统石油生产的替代品。

　　“这将作为 CABBI 中所有其他代谢工程产品的蓝图，”该项目的几位 CABBI 首席研究员之一赵说。

　　这项研究发表在《自然通讯》上，这项工作建立在赵和他的同事使用东方伊萨琴氏菌(一种非常适合制造有机酸的非常规酵母)进行琥珀酸生产的多年研究的基础上。

　　I. orientalis 具有在低 pH 值或酸性条件下茁壮成长的独特能力。大多数生物体需要中性 pH 环境才能生存，包括酿酒酵母(一种更传统的酵母)或大肠杆菌。赵说，公司和实验室都使用这两种方法来生产琥珀酸，但事实证明成本太高，因此扩大生产的努力失败了。

　　这些微生物需要添加碱来中和有毒的酸性条件，以便它们能够继续制造琥珀酸。但这会产生副产品，例如石膏或硫酸钙，必须在管道末端将其分离出来以纯化产品，从而提高了下游加工成本。

　　“有机酸生产的瓶颈之一是分离成本，”赵说。“我们必须添加大量碱来保持 pH 值接近中性，即 6 到 7 之间。”

　　然而，对于东方 I. orientalis，“该生物体在 3 至 4 的 pH 值下快乐地生活”，因此不需要添加剂，赵说。“最终，这显着降低了成本。”

　　他说，CABBI 研究人员还进行了广泛的代谢工程，以重新连接东方酵母，以产生比酿酒酵母或大肠杆菌更高水平的琥珀酸。利用拉比诺维茨实验室的代谢通量分析，他们确定了酵母代谢中限制琥珀酸产生的步骤。一个关键障碍：本地东方伊豆无法利用甘蔗中的蔗糖。因此添加了一种酶，可以将甘蔗汁中的蔗糖分解为葡萄糖和果糖，从而产生琥珀酸。引入其他基因来过量生产琥珀酸。

　　随后，该团队与 IBRL 的 Singh 团队合作，利用工业相关设备对工艺进行端到端集成，扩大了琥珀酸的生产规模。Singh 表示，中试工作表明，新菌株可生产高达 110 g/L 的琥珀酸，经过分批发酵和下游加工后，总产率为 64%，这一结果令人印象深刻，具有商业意义。

　　赵说，通过基因工程提高生产水平，并通过消除下游分离降低成本，使这一过程“非常有吸引力”。“这就是为什么这条管道如此经济，至少在这个试点规模上如此。”

　　最后一步是与 Guest 合作，使用其团队开发的开源软件平台BioSTEAM来模拟完整的端到端、低 pH 值琥珀酸生产管道。技术经济分析 (TEA) 和生命周期评估表明，该工艺在经济上是可行的，并且相对于基于化石燃料的生产工艺，可以减少 34% 至 90% 的 温室气体排放。

　　盖斯特说：“代谢工程方面的这些进步可能会产生巨大的效益，同时降低成本和环境影响，以支持循环生物经济。”

　　该工艺比传统的石油化学工艺排放的二氧化碳 (CO 2 ) 更少。甘蔗等植物也会吸收碳，而 CO 2可以用作该过程的底物，进一步减少其碳足迹。

　　“这绝对更环保。这是 CABBI 所有研究的前提：利用可再生资源制造化学品和燃料，”赵说。

　　研究人员计划很快进一步扩大规模研究，以支持琥珀酸生产工艺的商业化。

　　这项工作也将成为使用东方 I. orientalis 生产其他 CABBI 产品的模板，包括 3-羟基丙酸 (3-HP)。赵说，用于一次性尿布和密封剂组件的 3-HP 市场超过 10 亿美元，迄今为止的研究显示出巨大的前景。

　　该论文的主要作者、该论文的博士生 Vinh Tran 表示：“我们希望东方木香能够作为生产多种有机酸的通用工业平台。” ChBE 学生。

　　该项目涉及多个实验室小组以及来自 CABBI 研究所有三个主题的贡献——使用原料生产研究团队的甘蔗汁、转化团队的代谢研究和生物加工设施以及可持续发展团队的经济和环境分析。

　　合著者包括中东欧的 CABBI 研究员 Sarang Bhagwat 和普林斯顿大学化学系的 Yihui Shen;ABE 的 Somesh Mishra;ChBE 的 Saman Shafaei、Shih-I Tan、Zia Fatma 和 Benjamin Crosly;和中东欧的杰恩·艾伦 (Jayne Allen)。