Слайд 1 - Академия наук Туркменистана

Биотехнология и эффективные штаммыпродуценты альтернативного топлива –
биобутанола
23-24 февраля 2010 г.
Ашхабад
Шульга Сергей Михайлович
Shulga5@i.ua
ГУ “ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ И ГЕНОМИКИ”
НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК УКРАИНЫ, г. Киев
Создание производства
жидких топлив
из возобнавляемого сырья растительного
происхождения
(биомассы)
1 Биодизель
2 Биоэтанол
3 Биобутанол
Метанол СН3ОН
Этанол
С2Н5ОН
Пропанол С3Н7ОН
Бутанол С4Н9ОН
Бензин
смесь
октановое число 91
октановое число 92
октановое число 91
октановое число 94
октановое число 96
Преимущества бутанола в сравнении с
этанолом:
Большее
содержание
энергии
(теплообразующая
способность), чем у этанола.
Бутанол в шесть раз меньше испаряется чем этанол и в 13,5
раз меньше испаряется чем бензин, поэтому его безопаснее
использовать как добавки к бензину.
Бутанол можно транспортировать через существующие
топливные трубопроводы, в то время как этанол необходимо
транспортировать
железной
дорогой,
баржами
или
грузовиками-цистернами.
Бутанол можно использовать вместо бензина в соотношении
один к одному, например 100% или любые другие проценты, а
этанол может использоваться только как добавка к бензину до
85% и то только после значительных модификаций двигателя.
Во всем мире отдают предпочтение смеси с 10% содержанием
этанолу.
Бутанол не дает окисей серы или азота.
Бутанол получают:
•
Путем синтеза химического сырья;
•
Путем микробиологического синтеза
-переработка сахара или
растительных культур;
-переработка лигноцелюлози.
крахмала
с/х
Химический синтез бутанола
Биосинтез бутанола из сахаров
etanol
acetone
butanol
Оптимизация технологии биосинтеза
метаболитов состоит из следующих
основных этапов:
1 Первичная селекция штаммов микроорганизмов;
2 Определение оптимальних значений температуры, рН и
потребности в кислороде;
3 Определение оптимального режима питания и накопления
биомассы;
-выхода продукта в перерасчете на потребленный субстрат;
-концентрации продукта;
-скорости образования продукта;
4 Иммобилизация клеток продуцентов;
5 Изменение генетической структуры организма для
увеличения образования продукта.
Отобранные штаммы-продуценты
клостридий
1. Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 (АТСС 51743),
2. Clostridium acetobutylicum ATCC-55025,
3. Clostridium acetobutylicum ATCC-4259 (ATCC-39236),
4. Clostridium acetobutylicum ATCC-824,
5. Clostridium tyrobutyricum ATCC-25755.
Контроллер
Образец
Вход
Водяная
рубашка
Выход
и
Перистальтический насос
Реактор с взвешенной твердой фазой с
иммобилизированными клетками
продуцента
4
1
5
3
6
2
14
12
20 г/л
10
80 г/л
40 г/л
Бутанол, г/л
8
10 г/л
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Час, год.
Влияние концентрации глюкозы на кинетику образования
бутанола
Катализируемые переходы

ацетил-CоА в ацетоацетил-CоА
(ацетил-CoA ацетилтрансфераза)

ацетоацетил-CоА в 3-гидроксибутирил-CоА
(3-гидроксибутирил-СоА дегидрогеназа)

3-гидроксибутирил-CоА в кротонил-CоА
(кротоназа)

кротонил-CоА в бутирил-CоА
(бутирил-СоА дегидрогеназа)

бутирил-CоА в бутиральдегид
(бутиральдегид дегидрогеназа)

бутиральдегид в бутанол
(бутанол дегидрогеназа)
Метаболическая инженерия
клостридий
Штаммы АТСС 824
Clostridium acetobutylicum
и
АТСС 25755
Clostridium tyrobutyricum
Штаммы-суперпродуценты
Clostridium acetobutylicum
и
Clostridium tyrobutyricum
Геном и мегаплазмида
Clostridium acetobutylicum ATCC 824
из работы Journal of Bacteriology 2001, v.183, № 16, p. 4823-4838



3778 генов
хромосома 3940880 п.н.
мегаплазмида 192000 п.н.
Гены, кодирующие синтез ацетона
aad, ctfA, ctfB, adc.
Гены, кодирующие образование бутанола
bdhA, bdhB, adhE.
Праймеры
pE1 (BamH1 подчеркнуто)
5'-ATGGATCCTTTTATAAAGGAGTGTATATAAA
TGAAAG-3';
pE2 (SfoI подчеркнуто)
5'-TTGGCGCCATAATGAAGCAAAGACTATTTTA
CATTC-3'.
Вектор pGEM-T
7622 п.н.

Схематическое изображение плазмиды pE5α, 2600 п.н.
содержит adhE2 и клонирован в вектор pSOS95 между
thl-промотором (Р) и adc-терминатором (Т)
Биосинтез бутанола в
два этапа
Масляная кислота
Бутанол
Бутанол
Ферментер 1
Крахмал/
глюкоза
Ферментер 2
ШТАММПРОДУЦЕНТ
БУТАНОЛ
(g/l)
МАСЛЯНАЯ
КИСЛОТА (g/l)
NCIMB 8052
12,9
-
ATCC 824
12,1
-
ATCC 824
(иммобилизированный)
21,6
-
ATCC 824
(рекомбинантный)
32,4
-
АТСС 25755
-
49,8
АТСС 25755
(иммобилизированный)
-
62,1
СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ