木质纤维素资源化主要途径及半纤维素优先资源化利用策略

木质纤维生物质是地球上最丰富的可再生资源,可转化为能源、化学品和材料,开发木质纤维生物质有利于废弃物的高值化利用和缓解目前面临的环境污染等问题。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素,将其主要组分进行高效分离,是实现多元化、高值化生物精炼的基础。基于此,笔者简要总结了目前主要的木质纤维素资源化途径,如基于纤维素资源化、基于半纤维素资源化、基于木质素资源化、基于碳水化合物资源化以及全组分资源化的研究策略。依据半纤维素在植物细胞壁中承担的角色,结合前期的研究基础,提出半纤维素优先原位催化转化的木质纤维素生物炼制新策略,实现半纤维素的高选择性溶出和高效转化,保留结构完整的纤维素和木质素分级转化为小分子化学品和材料,最终实现资源生物量全利用,多元化产品联产的目的。     

木聚糖定向酶解与高值化转化

木聚糖是自然界中含量最丰富的半纤维素,占木质纤维素生物质总量的25%～35%,具有转化合成高值化产品的巨大潜力。通过对木聚糖进行定向酶解,可以获得木寡糖、木糖和阿魏酸等多种功能组分。其中,木糖和阿魏酸可以作为多种可再生燃料和化学品的前体物质被进一步转化为高值化产品,进而广泛应用于药品、化妆品、食品等领域。而木糖作为一种碳源,也可以直接用于微生物的发酵。本文首先介绍了木聚糖及其结构组成,分别描述了木聚糖水解酶及其酶解产物,进而系统综述了以木聚糖酶解产物木糖、阿拉伯糖、乙酸、阿魏酸、葡萄糖醛酸为底物生物合成不同燃料、大宗化学品、精细化学品和聚合物等高值化产品的研究进展、存在问题和解决方案,最后对木聚糖的酶解和高值化转化进行了展望。     

β-木糖苷酶及其在纤维素乙醇生产中的应用研究进展

将木质纤维素类生物质生物转化生产液体燃料,如纤维素乙醇和大宗化学品,对缓解当前人类社会面临的能源和资源危机以及保护环境具有重要意义.半纤维素是木质纤维素类生物质的主要组成成分之一,它的生物降解转化对实现木质纤维素生物炼制意义重大.由于半纤维素糖种类的多样性和半纤维素结构的复杂性,需要一个复杂的半纤维素酶系才能完成对半纤...     

生物质生物预处理研究进展与展望

木质纤维素生物质分布广、产量大、可再生,用于制备生物基能源、生物基材料和生物基化学品。木质纤维素生物质组成复杂,包含纤维素、半纤维素和木质素等,木质素与半纤维素通过共价键、氢键交联形成独特的“包裹结构”,纤维素含有复杂的分子内与分子间氢键,上述因素制约着其资源化利用。生物预处理以其独特优越性成为生物质研究的重要方面。系统阐述了生物预处理过程中木质素降解和基团修饰对纤维素酶解的影响,纤维素含量及结晶区变化,半纤维素五碳糖利用,微观物理结构的改变。进一步提出了以生物预处理为核心的组合预处理、基于不同功能的多酶协同催化体系、木质纤维素组分分级利用和新型高效细菌预处理工艺是生物预处理未来发展的重要趋势。     

运动发酵单胞菌在生物炼制中的研究进展

以木质纤维素生物质为原料的生物炼制技术已成为全球研发的热点和难点。欧盟国家和美国的中长期生物质能源发展路线图中均将木质纤维素生物炼制技术作为重要目标,但是目前整体水平尚处于中试阶段。我国的纤维素类生物质原料非常丰富,将其转化成燃料乙醇及生物基础化学品等具有较大的潜力,但当前要想实现商业化生产,还面临着很多瓶颈问题亟待解决。缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物的发酵菌株,已成为纤维素生物质高效与高值转化的关键制约因素。运动发酵单胞菌是目前唯一一种通过ED途径兼性厌氧发酵葡萄糖的微生物,其独特的代谢途径使其成为构建产乙醇工程菌的优选宿主之一;同时由于该菌具有较高的糖利用效率等优点,也是其他生物基化学品生产的重要候选平台微生物,如山梨醇、葡萄糖酸、丁二酸和异丁醇等。本文从该菌的研究历程、分子生物学基础、菌种改良及该菌在生物能源及生物基化学品等生物炼制体系中的应用研究角度进行了综述,并提出该菌可作为纤维素生物质生物炼制系统的新的重要平台微生物。     

生物质原料预处理、组分分离到结构选择性拆分——生物质原料工程学的发展

在石化资源日益匮乏的严峻形势下,生物质将成为未来新一代生物及化工产业的最理想的替代原料.因此,如何使生物质资源成为生物基能源、生物基化学品和生物基材料的通用原料,成为目前世界各国共同关注的焦点和热点.从生物炼制及生物质科学与工程的发展可以看出,原料预处理是实现生物质高效转化的必要手段,而组分分离-定向转化是原料预处理的进一步提升,它可以实现纤维素、半纤维素和木质素的分别转化,但是仍然存在着原子利用率不高、能耗高、工艺路线复杂等问题.鉴于生物质是一个功能大分子体,要使其成为通用原料,应该根据原料结构特点和产物要求,发展结构化功能高值拆分的转化过程,即原料的选择性结构拆分思路.从原料预处理到组分分离,再到选择性结构拆分,实现了原料工程学的发展与逐步成熟,其最终目的是要真正建立以生物质为通用原料的新型工业技术体系和研究平台.     

2014生物质炼制专刊序言

生物质是自然界最丰富的含碳有机大分子功能体,它有望通过"生物炼制"实现"石油炼制"的辉煌。但是由于生物质资源本身及其转化过程的复杂性,生物质产业虽备受关注,却被认为是遥远的未来产业。传统的生物质资源化利用思路都是先耗费一定的能量破坏生物质结构,然后再进行转化,不仅没有考虑到产品的功能需求,而且过程的原子经济性不高。如何实现化学键更加复杂的固相木质纤维素生物质炼制是实现生物质产业的关键和难点。理想的生物质炼制的目的是以最大得率分离木质纤维原料中各个组分,以尽可能地保持分子的完整性,最大可能地优化利用和最终实现最大价值。这就要求生物质炼制应当是基于原料结构、过程转化和产品特点三者的关联,面向原料、面向过程、面向产品的炼制过程。本期专刊报道了我国生物质炼制技术领域专家学者在原料炼制、炼制技术、组分转化等领域取得的最新研究进展。     

木质纤维素资源生物精炼技术研究进展

开发利用可再生性的木质纤维素资源来生产液体燃料和大宗化学品,对于解决人类发展面临的资源与环境危机具有重要的意义。然而,作为其代表性工艺的纤维素乙醇生产却因为经济上无法过关而迟迟不能真正实现产业化。采用生物精炼技术,充分利用木质纤维素材料中各种组分,生产包括部分高值产品的多种产品,是克服其转化技术产业化经济可行性问题的有效措施。综述了木质纤维素原料生物精炼技术的研究发展现状,着重阐述了玉米芯的生物精炼技术产业化进展,并对木质纤维素的生物精炼前景进行了展望。     

纤维素乙醇工业化的必由之路——组合生物精炼

虽然历经无数科技人员数十年的艰苦研发,秸秆类木质纤维素资源转化燃料乙醇的生产技术至今未能真正实现大规模的工业化。究其原因,除在一些关键核心技术方面仍需要取得突破外,还需要实现跨学科、跨领域的集成创新,通过集成构建原料收储运系统、绿色预处理无害化分离原料组分、就地高效生产专用高性能酶系、高值化利用生物质各组分、整合一代二代乙醇工艺和设施等,开发出无缝连接的组合型生物质精炼成套工艺、成熟装备和整体工业化方案,加上国家对新兴绿色循环经济产业的稳定扶植,才能使纤维素乙醇工业真正具有经济上的竞争力,并逐步发展成产品多样的可再生生物质资源集成精炼的大型产业。     

固体碱活性氧蒸煮用于木质生物质预处理和组分分离

随着环境问题的日益突出和化石资源的逐渐枯竭,对可持续生物质资源的开发利用越来越引起人们的重视。由于木质生物质具有天然的抗降解屏障,有效预处理和组分分离被认为是实现生物质高值化利用的必要步骤,也是难点所在。近年来,基于生物质资源全组分、多元化综合利用的"生物精炼"理念兴起。基于生物精炼理念和绿色化学原则,笔者团队开发了一种新型的固体碱活性氧蒸煮预处理体系,并最终发展形成了系统的各组分高值化利用工艺路线。固体碱活性氧蒸煮工艺避免使用传统工艺常用到的水溶性强碱和含硫化合物,并以廉价的水为溶剂,成本低廉,环境友好,有很好的产业化利用前景。围绕固体碱活性氧作用机制、蒸煮工艺优化和各分离组分性质进行了概括总结,以期为该工艺的深入研究和木质生物质精炼技术的发展提供经验与参考。     

木质纤维素的自然生物转化系统及其过程特征与仿生利用

规模化和产业化开发利用木质纤维素类生物质面临着许多科学和技术上的挑战,这些挑战的核心是如何实现木质纤维素生物质的高效分离与有效转化。然而,在自然界中,不同生物系统分别进化出了其独特的木质纤维素降解与转化的生物过程机制,通过采用不同的策略与途径来克服生物质的抗降解屏障。综述了不同自然生物转化系统在降解生物质过程中的策略与过程特征,并着重分析了食木白蚁肠道消化系统在生物质降解过程中高效转化与利用的独特系统特点。向白蚁生物系统学习,利用自然生物系统的启迪及其相关基因与酶资源,结合生物仿生技术可望建立新型的生物质降解工艺,逐渐实现生物质的低能耗、低污染、高效率、全值化利用。     

微生物降解木质纤维素类生物质固废的研究进展

自然界中的细菌、真菌、放线菌及某些病毒是降解木质纤维素的主要微生物,它们在生物质固废能源的转化和利用上起桥梁作用,能变废为宝,实现生物质固废的资源化利用。根据生物质固废相关处理技术及生物质固废资源化成果转化,总结微生物降解生物质固废的有关处理技术及应用。在综合国内外现有研究成果的基础上,以木质纤维素类生物质固废为例,从微生物种类和生物质固废资源化成果转化两个方面对微生物降解木质纤维素类生物质固废有关技术进行分析,提出每项技术存在的问题,并展望每项技术的发展前景。     

木质素的微生物解聚与高值转化

木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源。我国每年产生约9亿吨农业秸秆,因得不到有效利用,不仅造成资源浪费,也产生了诸多严峻的环境问题。缺少木质素的高效降解和资源化利用技术是限制木质纤维素产业化的主要瓶颈之一。虽然木质素的降解与转化多年来一直都受到关注,但是由于木质素结构的复杂性及异质性,使其高效利用受限。近年来,微生物具有的“生物漏斗”式转化特性为木质素的高值转化和利用提供了新方向。本文就生物质利用研究以来,微生物在木质素解聚与转化方面的研究历程与最新进展进行了简要的回顾与总结,并初步讨论了目前木质素高值转化面临的机遇与挑战。     

3D打印生物质基复合材料研究进展及应用前景

3D打印技术是智能制造领域的一项颠覆性创新技术,必将深刻影响和变革社会生产模式与人类生活方式,更为重要的是,这一技术的出现为多元化、高值化利用来源广泛的生物质材料提供了新的机遇和方向,是生物质材料产业化发展与可再生利用的又一全新途径。3D打印材料的开发与3D打印智能制造技术密切相关,是该技术可持续发展的关键和核心要素之一。文章综述了开发生物质基材料用于3D打印的发展,着重介绍了木质纤维素材料在不同3D打印技术中的研究现状,并对3D打印生物质基材料的开发和发展前景进行了展望。     

解脂耶氏酵母基于木质纤维素原料生产化学品研究进展*

解脂耶氏酵母具有遗传背景清晰、分子操作体系较为成熟、抗逆性强、底物谱广、有机酸和蛋白质分泌能力强等优点,在微生物发酵生产化学品领域极具应用潜力。木质纤维素是丰富的可再生生物质资源,以木质纤维素原料替代化石原料生产化学品对于缓解全球能源危机、保障粮食安全等意义重大。解脂耶氏酵母可以天然代谢木质纤维素水解产生的葡萄糖,但对其他水解产物(如木糖)的利用效率极低。综述解脂耶氏酵母利用木质纤维素原料的代谢途径及改造策略,以木质纤维素原料生产化学品为例,重点讨论该过程中的主要瓶颈问题及解决办法,为后续研究提供参考。     

木质纤维素生物质预处理研究现状

预处理是木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的关键步骤,综述了现有常见预处理技术的国内外研究现状,同时分析比较了各处理技术的优缺点,并对今后木质纤维素生物质预处理的主要研究方向进行了展望,以期为木质纤维素生物质转化条件的优化提供参考。     

木质纤维素生物炼制的研究进展

木质纤维素是一种广泛存在的可再生生物质资源,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。如何更有效地综合利用木质纤维素是当前面临的世界性难题。本文中,笔者梳理了木质纤维素生物化学法转化生产以燃料乙醇为代表的生物基产品,特别是转化过程中关键技术环节的研究现状及难点,深入探讨了木质素的生物转化利用趋势,并综述了合成生物学在这些领域的研究趋势和最新成果。本文力图描绘出木质纤维素生物炼制研究全景,为后续研究提供潜在思路。     

真菌降解木质纤维素的功能基因组学研究进展

木质纤维素利用的核心问题之一是生物质的降解,即如何将生物质由高聚大分子降解为可发酵的小分子糖,又称为糖化。自然界中向胞外大量分泌降解生物质酶类的微生物主要是真菌,研究真菌木质纤维素降解途径的分子机理对生物质的综合利用意义重大,是木质纤维素能否实现全面生物炼制的关键之一。以下将针对真菌降解木质纤维素的研究进展,特别是对利用功能基因组学所取得的进展进行评述。     

一种经济高效温和的生物质预处理新方法--动态挤压法

目前阻碍木质纤维原料生化转化为能源、材料或高附加值化学品的关键瓶颈问题是缺乏经济高效的生物质预处理及组分分离技术.本研究利用自行设计的动态挤压设备协同廉价化学药剂共作用处理玉米秸秆,通过挤压机对秸秆纤维的剪切、撕裂作用及化学脱木质素行为,解决传统单一物理或化学预处理方法能耗高、效率低及组分分离困难等问题,提高了纤维质生物转化的活性,降低预处理及组分分离过程的成本.与传统预处理工艺相比,整个过程用水量少、条件温和、能耗低,对后续生物转化过程有抑制作用的副产物生成量少,设备简单、易维护、易放大,具有良好的工业化前景.     

昆虫与生物质能源利用:一个新的交叉学科前沿

昆虫与生物质能源利用密切相关。这些昆虫包括白蚁类、甲虫类、树蜂类、食叶类水生昆虫、衣鱼类、大蚊类等。它们能在树木、枯枝以及落叶上生活,并具有了相当可观的降解和转化木质纤维素的能力,是自然界中协助进行碳循环的一类重要节肢动物。近几年来,这些昆虫独特的肠道消化能力以及它们的生物质催化转化系统已引起了科学家和研究人员的极大兴趣,希望能通过发现新的降解木质纤维素的酶及酶系统、掌握相关的这些酶的表达和其功能控制基因、并能解开昆虫肠道的消化及其相关机制的谜;更高效的降解和转化植物细胞壁中的碳水化合物并用来生产不同种类的生物能源或生物基材料。目前,对这类昆虫高效降解木质纤维素能力的认识和相关降解机制的研究已发展成为一个与生物质能源应用密切相关的新兴研究领域,成为新的交叉学科前沿。本文将简要讨论这类昆虫消化木质纤维素的几种不同作用机制、共生微生物与昆虫所产生的不同木质纤维素酶以及相互间的协同作用的基础上,还探讨了当前第二代生物质能源研究与开发中所面临的主要挑战、消化木质纤维素类昆虫,特别是白蚁所处的独特地位、潜在的科学和应用价值,以及今后的主要研究方向。