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。     

生物质炼制工程科学问题——生物质抗渗流屏障的提出

生物质炼制是学术界和产业界共同关注的热点问题。由于缺乏适用于复杂固相物料的生物质炼制工程理论基础,迟迟难以突破生物质产业的技术经济瓶颈。基于多年对生物质固相物料传质问题的研究,归纳出生物质炼制工程共性关键科学问题——生物质抗渗流屏障。在生物质抗渗流屏障理论指导下,解析了汽爆破解抗渗流屏障的作用机制,构建出以汽爆为核心的高效集成创新的生物质炼制产业化示范技术体系。     

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。     

发酵工业原料炼制技术体系

要建立节粮、节水、节能和环保的发酵工业,首先面临的是发酵原料的炼制问题。本文通过深入分析发酵工业原料炼制的共性问题,结合多年生物质原料高值化炼制研究基础,提出“发酵工业原料炼制”的理念,根据发酵原料的结构特点和目标产物的要求,将发酵原料预处理——组分分离提升到依据产品功能要求的选择性结构拆分过程,并建立了以汽爆为核心的原料炼制技术平台以及针对淀粉类、糖类、木质纤维素类、生物质水解酸化生产的有机酸、醇类等典型发酵原料的多组分分层多级炼制技术体系范例,为实现资源节约、环境友好的发酵工业提供理论基础与技术支撑。     

汽爆秸秆漆酶协同作用提取木质素

组分分离是秸秆炼制的关键技术。本文建立了汽爆耦合漆酶协同作用工艺,研究其对秸秆物理形态、化学组成以及木质素碱提取过程的影响。研究结果表明汽爆破坏秸秆表面致密结构,提高比表面积,促进漆酶对秸秆木质素的氧化作用;红外分析表明,漆酶破坏了汽爆秸秆中半纤维素酯键,且愈创木基吸收峰减弱,漆酶削弱了木质素与纤维素间相互作用;汽爆漆酶协同作用后的秸秆木质素提取率提高约20%(70℃,120 min)。Nuclei Growth模型分析温和条件下秸秆木质素提取过程,动力学结果表明,汽爆漆酶协同预处理增加了汽爆秸秆木质素碱提过程中反应起始作用位点,并提高了该过程对温度的敏感性。汽爆-漆酶协同预处理是一种有效的分离木质素的方法,将在木质纤维素原料的生物炼制中发挥重要作用。     

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。     

一种木质纤维素类生物质水解重整制备生物汽油的方法

本发明公开了一种以木质纤维素类生物质为原料水解重整制备生物汽油的方法。该方法将木质纤维素类生物质的水解原料液直接进入水相催化重整系统,     

阿魏酸酯酶和纤维素酶在水解汽爆稻草中的协同作用

利用阿魏酸酯酶, 水解天然木质纤维素原料中半纤维素与木质素之间的阿魏酸酯键, 从破坏两者共价键连接的角度, 探索阿魏酸酯酶促进纤维素酶水解汽爆稻草中纤维素的可行性。结果显示, 当阿魏酸酯酶加入量为240 mu/g底物、水解72 h时, 汽爆稻草纤维素的酶解率、不溶性底物失重率较不加阿魏酸酯酶分别增加了32.00%、32.77%; 阿魏酸酯酶(300 mu/g底物)作用120 min后, 纤维素酶对汽爆稻草纤维素的酶解率、不溶性底物失重率分别增加了29.85%、32.48%。通过比较不同酶法处理后的汽爆稻草的可及度和红外光谱图发现, 阿魏酸酯酶能有效地水解原料中的酯键, 提高原料可及度50%以上。由此表明, 阿魏酸酯酶和纤维素酶之间存在较大的协同作用, 添加阿魏酸酯酶能够提高纤维素酶对天然木质纤维素的酶解效率。     

利用木质纤维素生产丁醇的研究进展

随着化石燃料的逐年减少,以生物质为原料的生物能源研究近年来成为能源领域的研究热点,充分利用可再生生物质为发展经济的生物燃料生产工艺提供了一个极好的机会。与燃料乙醇和生物柴油相比,生物丁醇更具有优越性,以可再生木质纤维素生物质为原料进行发酵生产丁醇在近年来被广泛的研究。对于利用可再生生物质为原料生产丁醇,需要解决原料的选择、产品收率低、抑制物对生产菌株毒性等问题。本文对以木质纤维素生物质为原料进行生物丁醇发酵过程中的原料预处理、抑制物对丁醇生产菌的影响,以及水解液的脱毒和耐抑制物菌株的选育等方面进行综述,并对以木质纤维素生产燃料丁醇所面临的机遇与问题进行了简要评述。     

螺杆挤压技术在生物质预处理中的机遇与挑战

随着化石资源的日益枯竭和生态环境的不断恶化,可再生资源的开发和利用受到越来越多的重视。木质纤维素作为地球上最丰富的可再生生物质资源,具有广阔的开发利用前景。预处理技术作为木质纤维素类生物质资源利用的前提和关键,应当受到足够重视。主要介绍螺杆挤压技术在木质纤维素类生物质资源预处理领域的研究进展,分析影响螺杆预处理效果的因素,总结其预处理的主要原理,并对其今后的发展趋势进行了探讨。     

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。     

木质纤维素预处理抑制物产生及脱除方法的研究进展

利用纤维素酶将木质纤维素降解成可发酵性糖,然后发酵生产氢气、乙醇、丁醇等生物燃料及高附加值产品,是当今全球研究的热点。预处理是生物质转化过程中至关重要的步骤,而预处理过程中产生的抑制物对木质纤维素后续的酶解和发酵微生物有负面影响。因此了解预处理方法及其过程中产生的抑制物及脱除方法是能否高效转化生物质的基础。文中首先介绍了木质纤维素常用的两类预处理方法即化学法和物理化学法。随后阐述了不同抑制物的产生及其抑制机制,并重点介绍了多种脱毒方法。最后展望了脱除木质纤维素预处理抑制物的研究趋势:应用交联聚乙烯亚胺和金属有机骨架化合物等新型材料脱除抑制物或通过基因工程、代谢工程技术等构建抑制物耐受性菌株等。     

纳米晶体纤维素的提取及应用

从纤维素中提取出的纳米晶体纤维素(NCC)是地球上最丰富的生物聚合物,也是最有潜力的材料。概述了这种新型的纳米复合材料,以及来源于木质类生物质的纳米复合材料的提取程序,包括对木质纤维素生物质的预处理及其水解作用。同时讨论了生产NCC所面临的挑战和NCC的应用范围及领域,以期为NCC的相关研究提供参考。     

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。     

木质纤维素生物转化产氢技术现状与发展趋势

氢能是一种清洁能源,利用木质纤维素类生物质生产氢气,在生产可再生绿色能源的同时,避免了木质纤维素资源未被充分利用而造成的环境污染和资源浪费,它的开发与应用对人类未来能源与经济发展具有十分重要意义。以下综述了木质纤维素生物转化产氢技术的研究现状,提出了木质纤维素生物转化产氢的总体构想与对产业发展方向的建议。     

青霉生产木质纤维素降解酶系的研究进展

木质纤维素降解酶系的高效生产是实现植物生物质大规模生物炼制的重要支撑。就地生产木质纤维素降解酶,有助于降低其使用成本,提高技术经济效益。青霉是自然界常见的木质纤维素降解真菌,可以合成分泌种类多样、组分齐全的木质纤维素降解酶系,已被应用于纤维素酶制剂的工业生产。文中从就地生产降解酶,为木质纤维素生物炼制构建“糖平台”的角度,综述了青霉木质纤维素降解酶系的性质、菌株遗传改造及发酵工艺的研究进展。     

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...     

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。     

木质纤维素生物质炼制和多级资源化利用技术

木质纤维素生物质高值化利用的主要途径是当前的生物质炼制及多级资源化利用模式,即生物质各组分分别转化为材料或化学品,最终实现生物质组分的高值化利用。概述了当前生物质转化为材料和化学品的主要思路,即基于"生物质原始结构解译-组分选择分离-分离组分的结构解析及高值转化"的模式,该模式对于木质纤维素资源高效利用具有重要的指导意义。     

裂解性多糖单加氧酶HcLPMO与纤维素酶协同降解纤维素

【目的】为研究HcLPMO的活性测定方法及其与纤维素酶的协同降解特性。【方法】利用大肠杆菌表达系统进行HcLPMO异源表达,研究以AmplexTM Ultra Red为荧光底物的LPMOs活性检测条件;研究HcLPMO与纤维素酶最优配比协同降解微晶纤维素及其他多种生物质底物的能力。【结果】表达条件确定最适装液量为20%,最适诱导温度为20°C。活性测定研究结果表明HcLPMO需先与铜离子结合才具有活性,电子供体抗坏血酸钠(ASC)最适浓度为10–4 mol/L,并发现AmplexTM Ultra Red浓度以及辣根过氧化物酶浓度对酶活的检测影响较小。HcLPMO与纤维素酶协同降解微晶纤维素研究确定HcLPMO与纤维素酶最优配比为2:3,葡萄糖产量相较纤维素酶单独作用提高了99.48%。此外,针对多种生物质底物,发现该酶与纤维素酶的复配体系对汽爆玉米秸秆和微晶纤维素的协同降解效果较好,相较于单独用纤维素水解酶,葡萄糖产量分别提高了63.81%和59.43%,而对碱处理玉米芯和木薯渣降解效果次之,葡萄糖产量仅分别提高35.41%和11.06%。【结论】HcLPMO与纤维素酶复配能够有效提高酶法降解纤维素效率;而底物前处理如蒸汽爆破或碱处理对于HcLPMO与纤维素酶协同降解木质纤维素影响较大。