基于菌种改良及过程动力学研究实现中药药渣资源化利用

With the rapid development of Chinese medicine industry in our country,discharge of chinese dregs is over 600,000 tons per year. Organic solid waste should be resource utilization. This project intending to use fermentation process dynamics theory as a theoretical guide， cellulose and hemicellulose's decomposition metabolic pathway as technical support, will study ethanol'producing approach from traditional Chinese medicine dregs. Combining Pcchia stipitis with Saccharomyces cerevisiae through protoplast fusion can get the practical individual who can use xylose and glucose. In simultaneous saccharification and co-fermentation (SSCF)process，the fusion strains is used. While enzymatic saccharification, glucose and xylose will be converted to ethanol by this organism. The research will establish cellulose, xylan, glucose, xylose, ethanol's dynamic model in batch operation process, using software of Polymath and Berkley Madonna to solve the kinetic parameters.The model can be used to optimize the process for SSCF to get 90% or more ethanol' fermentation efficiency.Topic research is aiming to explore a suitable way for Chinese medicine dregs' biotransformation and reveal the dynamic characteristics of the conversion process, so to lay the foundation for traditional Chinese medicine industrialization of resource utilization.

随着我国中医药事业的迅速发展，全国中草药渣年排放量达60多万吨，有机固体废弃物的处理应以资源化利用为导向。本课题拟以传统发酵过程动力学理论为指导，以纤维素、半纤维素分解代谢途径为技术支持，研究探讨中药药渣资源化利用实现途径：将树干毕赤酵母与酿酒酵母原生质体融合，得到能同时且高效利用木糖和葡萄糖的融合子。运用筛选出的高产乙醇融合菌株，采用同步糖化共发酵法（SSCF），酶解糖化的同时，菌株将产生的五碳糖和六碳糖转化为乙醇。本研究将建立该过程中葡聚糖、木聚糖、葡萄糖、木糖、乙醇等物质的动力学模型，采用Polymath及Berkley Madonna软件求解模型中动力学参数，并运用所建模型对SSCF过程优化，使目标产物乙醇的发酵效率达到90%以上，以最大程度地实现药渣的资源化。课题的研究，旨在探索药渣生物转化的有效途径，并揭示转化过程的动力学特征，为中药药渣资源化利用的产业化奠定基础。

随着中医药卫生事业的发展，中草药和中成药的应用日益广泛，中药渣废弃量日渐增加。据统计，我国仅植物类药渣年排放量就高达65万多吨。中药渣一般含水量较高且含有一定营养成分，极易腐败，会对环境造成严重的污染。早期中药渣处理的形式主要包括填埋、焚烧、固定区域堆放等。不仅耗去大量的资金，而且造成了资源的浪费和严重的环境污染。因此研究能将中药渣生态化利用，为制药企业带来良好的经济效益，同时又对环境不造成危害的资源化利用途径是目前医药、化学和环境科学领域的一个重要课题。本课题以传统发酵过程动力学理论为指导，以纤维素、半纤维素分解代谢途径为技术支持，研究探讨中药药渣资源化利用实现途径。课题首先采用双亲灭活原生质体融合技术，制备了树干毕赤酵母与酿酒酵母原生质体，再将二者融合，得到能同时利用木糖和葡萄糖的融合子22株；结合基于生物量测定融合子木糖代谢能力以及酒精耐受能力的筛选策略，选育出遗传性状稳定、能利用木糖高效发酵乙醇的毕赤酵母(Ps1960)与酿酒酵母（ScAADY)融合子D2；运用筛选出的高产乙醇融合菌株D2，采用同步糖化共发酵法（SSCF），发酵中药药渣，酶解糖化的同时，菌株将产生的五碳糖和六碳糖发酵成为乙醇，发酵效率达到80%以上；课题同时建立了该过程中葡萄糖、木糖、乙醇等物质的动力学模型，采用Polymath软件求解模型中动力学参数，所建模型能够很好地模拟实际情况，具有良好的适应性；最后对该过程进行了物料衡算，发酵之前加入的固形物发酵之后大部分仍以固形物的形式存在，过程产生的气体较少，物料基本守衡。课题的研究，探索了一条药渣生物转化的可能途径，并揭示了转化过程的动力学特征，为中药药渣资源化利用的产业化奠定基础。