葡萄糖二酸是一种重要的化合物，在医疗和工业中有着广泛的应用。目前生产葡萄糖二酸的方法主要以化学法-葡萄糖化学氧化法为主，但该方法具有选择性低、成本高、得率低、要高温及产生大量氧化反应副产物不利于后续葡萄糖二酸的分离等局限性。目前生物法合成葡萄糖二酸主要是在大肠杆菌中进行的，但在大肠杆菌中异源合成葡萄糖二酸被许多因素限制。酿酒酵母因具有耐酸能力强、耐低温、可低 pH 发酵、没有噬菌体感染、适合大规模发酵、易分离和高抗逆性等特点，已被广泛用于产有机酸的研究，因此酿酒酵母比大肠杆菌更适合葡萄糖二酸的生产并具有更高的工业应用价值。利用酿酒酵母合成葡糖二酸具有很好的应用前景。 创新要点 1) 以酿酒酵母 BY4741 为出发菌株，将拟南芥的肌醇加氧酶 MIOX4 和丁香假单胞菌的 UDH 基因在 delta 重复序位点高效表达，敲除转录抑制因子OPI1 获得工程菌 Bga-3，该菌株在分批补料发酵条件下能够产 6 g/L 的葡萄糖二酸，为目前报道的最高值； 2) 通过提高工程菌的转运胞外肌醇的能力和工程菌自身合成肌醇的能力，解决提高葡萄糖二酸产量的关键问题； 3) 进一步协调肌醇用于细胞自身代谢活动和葡萄糖二酸合成之间的分配关系，并通过提高葡萄糖二酸合成途径效率和发酵优化，提高肌醇利用率和葡萄糖二酸合成的产量。 

过敏性疾病已经成为世界第六大疾病，涉及全球 22%的人口。如哮喘、鼻 炎、过敏性湿疹、食物过敏和过敏性休克等均与特异性免疫球蛋白 E（IgE）介 导的免疫反应密切相关，但目前过敏疾病的治疗药物存在副作用，不宜长期使用。江南大学食品生物技术中心经过多年的积累，通过体外高通量筛选。细 胞、动物模型，人群临床试食及多组学机制解析等手段，研究得到能够有效调 节免疫，缓解过敏性疾病，可长期食用无毒副作用的益生菌；并以此为基础， 开发了提升益生菌在消化道中抗逆性的关键技术，并攻克了菌种在产业化应用时的发酵工艺、活性保持、生产技术等多层面难题。 主要成果包括： （1）研发得到 3 株有效缓解不同过敏性疾病的益生菌，长双歧杆菌 CCFM1029 通过降低血清中总 IgE 水平，皮肤组织 IL-4、IL-13 水平，局部组织 中组胺的释放，以及炎症细胞的浸润，缓解过敏性湿疹；短双歧杆菌 CCFM1067 通过改善肥大细胞炎症浸润，降低皮肤组织中 IL-13 和 CCL11 水平，且提高皮 肤组织中 IL-10 的表达，最终实现缓解特应性皮炎症状；罗伊氏乳杆菌 CCFM1040 显著降低过敏性哮喘小鼠肺部病理炎症，抑制血清中尘螨特异性免疫30 球蛋白 IgG1 的产生，降低肺泡灌洗液中 IL-5、IL-13、IL-17A 的含量，缓解过 敏性哮喘症状； （2）通过剖析益生菌的底物代谢规律和关键限制性生长因子，建立科学有 效的益生菌特异性增殖培养体系，并基于生长过程碳氮代谢规律，提出遵循底 物消耗规律的自动补料技术和发酵精准化自动控制工艺。益生菌增殖密度达到 1.0×1010 cfu/mL 以上，是传统培养方法的 5~10 倍； （3）开发了提高益生菌消化道耐受性的关键技术，解决了菌株通过胃肠道 后存活率低的技术难题。通过开发高渗预胁迫、微胶囊预包埋等技术，使功能 菌株在胃酸环境下的存活率达到 95%以上，在胆盐环境下的存活率达到 90%以上。 

L-苏氨酸在食品、饲料、医药和化妆品等领域的用量呈长期稳定增长趋势，尤其在饲料添加剂中增长最为迅速。以添加了 L-苏氨酸的低蛋白配方饲料作为家禽日粮，不但可以缓解天然蛋白的匮乏，减少动物氨的排放，还能提高家禽的生产性能。而在医药领域，L-苏氨酸除了用于氨基酸输液之外，随着人类保健意识的提高，各类氨基酸保健饮品涌现市场，L-苏氨酸是必不可少的配方成分。L-苏氨酸有望取代色氨酸，成为继赖氨酸和甲硫氨酸之后第三大发展最迅速的氨基酸。因此 L-苏氨酸产业迫切需要提高产量，降低成本，以满足市场需求。本实验室以谷氨酸棒状杆菌为出发菌株，通过代谢工程技术手段进行基因敲除和敲入，对关键基因进行了测序、蛋白结构解析及定向改造，以达到“开源节流”，即增强 L-苏氨酸合成路径代谢流，抑制或阻断旁路途径代谢流，最终提高L-苏氨酸产率近 20 倍，具有较好的应用前景。

L-甲硫氨酸广泛应用于饲料业，是家禽饲料中首选的限制性氨基酸。L-甲硫氨酸是强肝解毒剂、促进发育剂，当缺乏时会引起食欲减退。甲硫氨酸广泛应用于营养补充与畜产饲料，由于甲硫氨酸容易被鸡吸收而转变为鸡肉蛋白，在鸡饲料中添加甲硫氨酸，可少耗饲料，并使鸡肉生长健全。L-甲硫氨酸合成方法主要为化学合成法和微生物发酵法两种。因化学合成法会产生大量有害物质，微生物发酵法生产甲硫氨酸越来越受到关注。本实验室以谷氨酸棒状杆菌为出发菌株，通过代谢工程技术手段进行基因敲除和敲入，以达到“开源节流”，即增强 L-甲硫氨酸合成路径代谢流，抑制或阻断旁路途径代谢流，最终提高 L-甲硫氨酸产率，目前中间菌株产率已达 21 mmol/L，具有重要的应用前景。 

新能源汽车的迅猛发展，为动力电池产业提供了万亿级的市场容量，到 2020 年底，城市公交、出租车及城市配送等领域新能源车保有量达 60 万辆。目前使 用的石墨类伏击材料容量低，无法满足高能量密度的需求。该项目通过为动力电 池厂商提供高性能硅碳负极及其他负极材料，以提高纯电动汽车的续航里程 2 倍以上。硅负极材料具有极高的理论容量(~4200 mAh/g)，其容量是现有商业化 的石墨负极的 10 多倍。但其充放电过程中产生的大体积膨胀(~400%)会严重影响 其循环寿命。我们团队经过数年研究，提出“清矽硅碳”使普通微米硅粉进行包 覆“均匀+可控”功能层的工艺过程实现“性能+成本”的最优产业升级。美国能 源部高度评价了该项研究成果（2015 年仅有 2 项研究成果受此殊荣）。

针对水和甲醇液相制氢反应的特点，采用 铂-碳化钼双功能催化剂 （其中铂以原子水平分散于立方相碳化钼纳米颗粒表面），在 低温下（150~190 ℃）无需强碱即可实现对水和甲醇的高效活化和催化重整 。在190 °C时，催化速率高达18,046 mol H2 /(mol Pt *h)，活性较传统铂基催化剂提升了两个数量级。首先比较了立方相碳化钼（α-MoC）和六方相碳化钼（β-Mo 2 C）在载体碳化钼中的不同比例对负载金属铂的结构和甲醇水液相重整制氢活性的影响。实验发现随着载体中立方相结构α-MoC比例的增长，甲醇重整活性急剧增加，Pt负载于纯α-MoC上（Pt/α-MoC）表现出了最高的甲醇重整活性。利用X-射线吸收精细结构谱和单原子分辨率的球差校正电镜对催化剂进行系统研究表征，证明在2 wt% Pt/α-MoC催化剂上存在着高密度原子级分散的铂。将Pt负载量降至0.2 wt%时，可实现所有负载金属铂呈原子级分散，极大提高了贵金属铂的原子利用率，TOF达到了18,046  mol H2 /(mol Pt *h) 。据估算，仅需含有6克金属铂的催化剂即可使产氢速率达到1 kg H2 /h，已基本达到商用车载燃料电池组的需求。而且，Pt/α-MoC具有较高的催化稳定性，经历了11次模拟类真实情况的“启动-停止-启动”循环反应仍维持原子级分散形貌和较高的催化活性。

全固态锂电池的活性物质负载通常较低（<1 mg cm-2），该值远小于目前商用锂离子电池钴酸锂正极的 12 mg cm-2 和石墨负极的 6 mg cm-2。物质学院刘巍课题组在高性能全固态锂电池的固体聚合物电解质方面取得重要进展。他们突破传统制备方法，利用立体光固化成型（SLA）3D 打印技术，以聚乙二醇二丙烯酸酯为聚合物基体原料，3D 打印出一种具有三维表面结构的聚合物固态电解质。由于构建出 3D 电解质-电极界面，使界面处的比表面积增大了 95%，显著优化了电极与聚合物固态电解质之间的界面接触，大大降低了界面阻抗，并且能将正极活性物质负载提高到 5 mg cm-2 这一较高的水平，以此提升全固态锂电池的性能。SLA3D 打印技术为高性能的全固态锂电池提供了新的研究途径，有希望应用于下一代的能量存储领域。

近年来，环境污染问题严重，石油等不可再生资源日趋匮乏，探求汽车新的动力源已经成为世界汽车领域研究和发展的热点，燃料电池汽车作为一种新型节能汽车备受关注。质子交换膜燃料电池作为第四代燃料电池技术，不但突破卡诺循环限制，能量转换效率高，而且排放污染少，对环境极其友好。部分汽车企业已经开始进行小规模的 PEMFC 汽车试运行和小批量投产，加快了其商用进程。 燃料电池装置作为燃料电池汽车的动力装置，是整个装配体中最重要的部件，如何对质子交换膜燃料电池（PEMFC）进行有效

01. 成果简介 质子交换膜燃料电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势，是当前燃料电池汽车的首选，然而，针对目前质子交换膜燃料电池系统设计和控制，还存在以下问题： 1. 在考虑零下低温条件下电堆快速暖机的前提下，实现最优增湿效果，是燃料电池系统设计的一个挑战； 2. 由阳极与阴极两侧压差波动造成的燃料电池质子交换膜机械损坏、以及由燃料电池的高电位造成的燃料电池多孔碳纸化学腐蚀，是限制燃料电池寿命的重要因素； 3. 当燃料电池汽车进入隧道或者地下车库等封闭空间时，由于阳极吹扫而被排出的氢气会在该密闭空间上方聚集，产生安全隐患； 本成果提供一种能够实现阳极再循环和阴极排气再循环的燃料电池系统设计，以及相应的气体压力随动控制、气体湿度多模式控制和输出电压钳位控制，可精确控制进入电堆的氢气/空气压力、总流量、温度、湿度和氧含量等参数，具体如下： 1. 燃料电池系统对进气湿度要求较高，只有在最优增湿条件下，才能实现最高输出效率，为了实现对进气湿度的控制，目前主要由外部增湿和自增湿两种系统，前者低湿环境条件下电堆增湿效果较好；后者取消了外部增湿器，加快了零下低温条件下电堆暖机过程。本成果采用阳极+阴极双循环系统，在小负荷工况下，增大阴极循环程度，充分运用阴极生成水对燃料电池进气进行加湿；在中高负荷下降低阴极循环程度，而增高阳极循环程度，避免由于进气流量过大引起的阴极循环泵功率消耗过高的问题。兼顾低湿环境条件下提高电堆增湿效果与零下低温条件下电堆暖机过程，提高电堆效率； 2. 首先，进入燃料电池电堆的气体流量与气体压力存在一定耦合关系，导致阳极与阴极两侧气体压力将随着燃料电池发电系统的输出功率变化而变化，由此引起的阳极与阴极两侧压差波动会对燃料电池内部的质子交换膜产生机械损坏，本成果采用阳极+阴极压力快速随动控制，从而降低由压力波动造成的机械损坏；此外，在怠速或小负荷时，燃料电池的高电位会对燃料电池内部的多孔碳纸造成化学腐蚀，为此，在怠速或小负荷时，本成果通过增大阳极循环程度，降低燃料电池电位，实现对电压的钳位控制，从而降低由高电位引起的化学腐蚀；综上所述，本成果通过阳极+阴极压力快速随动控制和电压钳位控制，延长电堆寿命； 3. 由于氮气和水的浓差扩散作用，燃料电池阳极侧都会出现氮气累积和液态水水淹现象，引起燃料电池性能下降，因此需要定期对阳极侧进行吹扫，将累积的液态水、氮气与未反应的氢气一起排出。本成果在阳极出口处增加了燃料电池小面积单片，用于处理尾排氢气，从而实现燃料电池系统氢气零排放，保障燃料电池系统的运行安全。 燃料电池双循环系统02. 应用前景 本成果可应用于质子交换膜燃料电池领域。03. 知识产权 本成果涉及9项发明专利。04. 团队介绍 项目团队主要研究方向新能源汽车动力系统，团队成员包括欧阳明高、李建秋、杨福源、王贺武、卢兰光、李希浩、徐梁飞、杜玖玉、韩雪冰、冯旭宁等，课题负责人为李建秋，获得国家技术发明二等奖两项，北京市科学技术一等奖一项、中国汽车工业技术发明一等奖一项，论文发表200余篇。项目团队深度参与了中国新能源汽车的战略规划、科技研发、国际合作、示范考核和产业化推进的全过程，培育出多家学生创业型高科技企业，为中国新能源汽车跻身世界先进行列作出了重要贡献。05. 合作方式 技术许可。06．联系方式 邮箱： zhangyan2017@tsinghua.edu.cn