學(xué)院生物轉(zhuǎn)化與分離課題組在離子液體應(yīng)用方面取得重要研究進展
以可再生的生物質(zhì)資源生產(chǎn)化學(xué)品和燃料是解決化石資源枯竭和氣候變暖的一個重要戰(zhàn)略。其中，木質(zhì)纖維素是最豐富和最廉價的生物質(zhì)，然而其復(fù)雜的理化結(jié)構(gòu)導(dǎo)致木質(zhì)纖維素難以直接被酶和微生物降解利用，因此開發(fā)有效的預(yù)處理方法對于高效利用木質(zhì)纖維素具有重要意義。
離子液體因其低熔點、高熱化學(xué)穩(wěn)定性、可設(shè)計性等優(yōu)點，被公認(rèn)為是一種可替代傳統(tǒng)有機溶劑的新型綠色溶劑，在化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)物分離等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大潛力。近日，生物工程學(xué)院生物催化轉(zhuǎn)化與分離課題組戴建英副教授及其指導(dǎo)的研究生在離子液體預(yù)處理木質(zhì)纖維素方面取得重要進展，相關(guān)工作發(fā)表在Bioresource Technology（IF 9.642 /Q1, top期刊）上，論文題目為“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）。
針對離子液體成本高以及殘留離子液體對酶和微生物的毒性問題，本研究自行合成了結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的羥胺類離子液體（圖1），比較分析了不同結(jié)構(gòu)離子液體對菊芋秸稈的預(yù)處理效果，提出羥胺類離子液體預(yù)處理木質(zhì)纖維素的作用機制：先削弱木質(zhì)纖維素之間氫鍵，再溶解其中的木質(zhì)素。研究了不同濃度離子液體對Bacillus subtilis發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇的影響，發(fā)現(xiàn)低濃度離子液體對菌體生長和產(chǎn)物生成有促進進行，高濃度表現(xiàn)為抑制作用。相比于絕大部分離子液體，乙醇胺乙酸（EOAA）的毒性較低。當(dāng)EOAA濃度為0.3 mol/L時，對2,3-丁二醇的生成幾乎無抑制作用；0.1 mol/L時對纖維素酶無抑制作用，菌體密度比對照組提高24.6%，2,3-丁二醇產(chǎn)量增加22.5%。該工作是國家自然科學(xué)基金項目“基于離子液體的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料前體的過程集成”（21978038）的部分成果，接下來將開展產(chǎn)品分離和催化反應(yīng)的系統(tǒng)集成。
圖1羥胺類離子液體預(yù)處理菊芋秸稈及其對2,3-丁二醇發(fā)酵的影響
生物催化轉(zhuǎn)化與分離課題組前期對發(fā)酵液中生物基化學(xué)品的離子液體鹽析萃取進行過研究，包括二元醇的鹽析萃?。―ai Jianying et al, Process Biochemistry 2018, 71: 175; Li Yan et al, Separation and Purification Technology（IF 7.312/Q1），2020, 240: 116584）和有機酸的糖析/鹽析萃取（Sun Yaqin et al, Separation and Purification Technology 2018, 204: 133），并應(yīng)《化工學(xué)報》（英文版）主編邀請對離子液體萃取生物基化學(xué)品的研究進展進行了總結(jié)展望（Dai et al, Chinese Journal of Chemical Engineering 2021, 30: 185）。未來，修志龍教授團隊將繼續(xù)致力于研發(fā)低共熔溶劑和離子液體在生物基化學(xué)品和燃料生物轉(zhuǎn)化和分離中的應(yīng)用，為離子液體在綠色生物制造中的工業(yè)化應(yīng)用提供超前的技術(shù)支撐。
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