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。     

秸秆真菌降解转化与可再生化工

秸秆生物质是储量巨大的碳资源,我国每年可用的生物质资源接近10亿t,如果可以转化为燃料乙醇等生物基化学品,有望减少至少2亿t的原油进口量,因此发展秸秆生物转化生产燃料乙醇和大宗化学品是生物制造的核心组成。中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)自建所之初,便提出了“两个替代一个提升”,其中包括以可再生碳资源替代不可再生石化资源生产大宗化学品。发展秸秆生物转化是研究所的长期战略,建所10年来,在这一领域进行了持续系统地研究,取得了显著进展。本文重点综述真菌系统的生物质降解与转化,包括丝状真菌纤维素降解机理,生物质炼制整合路线研发等,实现了生物质一步转化燃料乙醇、苹果酸等多种大宗能源材料化学品。在可再生化工研究方面,重点介绍了丁二酸、乳酸等一批大宗有机酸,以可再生碳资源为原料进行生产的工业化进展,展示了生物制造替代石化路线生产大宗化学品的潜力。天津工业生物所在秸秆生物转化和可再生化工方面的研究,为我国建设发展低碳经济社会提供了有效参考路径,有望为我国实现双碳战略目标作出自己的独特贡献。     

秸秆分层多级转化液体燃料新工艺的研究进展

目前,秸秆主要作为性质单一组分的纤维素原料而采用生物转化法或快速热解法加以利用。生物转化法主要利用纤维素,而利用木质素和半纤维素较困难;快速热解生物质又使部分组分低值利用,而且得到的生物油品质低。为解决单一的生物或热转化方式存在的问题,提出秸秆分层多级转化液体燃料的新构思,即以秸秆“组分分离、分级定向转化”为核心,将生物转化和热转化有机结合多级转化生产燃料酒精与生物油。研究结果表明,秸秆经过汽爆处理后,采用高浓度发酵一分离乙醇耦合系统,可降低纤维素酶用量,提高了纤维素酶解效率,而且简化操作过程,使蒸馏前乙醇浓度达到60％以上。发酵乙醇剩余物再经热解后,不但热解温度较原秸秆明显降低,而且所得生物油品质有了明显改观。     

生物／化学方法级联设计与调控研究进展

化石资源的日益匮乏、社会经济的高速发展,决定了21世纪社会对以生物质为原料的高效、环境友好的工业生物过程的迫切需求。工业生物过程既采用生物转化技术,又采用化学化工转化技术．两者相辅相成构建了现代工业生物技术产业。化学合成的特点是反应快速．而生物合成的特点是专一性高．但转化速度较慢。将生物合成和化学合成有机地结合起来可以显著提高转化效率,减少环境污染,降低能耗。     

系统生物学和合成生物学研究在生物燃料生产菌株改造中的应用

基于生物质资源生产环境友好的生物燃料,对经济和社会的可持续发展具有重要意义,但其生产成本高的问题十分突出,而高效生产菌株的获得是解决这一问题的根本出路。以下综述了利用系统生物学研究所获得的信息进行菌种改造的过程,重点论述了生产菌株胁迫耐受性方面的研究进展,并讨论了系统生物学、合成生物学和代谢工程技术在改造生物燃料生产菌株中的应用,展望了合成生物学在构建高效生物能源生产菌株方面应用的前景。     

微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品

当前,全球经济的高速发展与日益减少的石油资源储备进一步加剧了能源供需矛盾。人类对开发利用可再生的纤维素生物质资源寄予厚望。木糖是木质纤维素水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖,因此对木糖高效率生物转化的研究成为影响其工业化前景的关键因素之一。针对近几年的研究,文中综述了生物转化木糖方面的进展,包括木糖代谢途径的鉴定和设计、木糖运输途径的改造、生物基化学品制备。为了解决当前全球面临的能源危机与环境问题,运用合成生物学技术发展新一代生物燃料技术,特别是开发能够代谢木糖高产乙醇的微生物工程菌株是实现可持续发展的重要方式。     

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...     

中国工业生物技术的历史、现状和未来

生物经济需要构建可再生生物质资源的新型工业模式,即以生物炼制替代化石资源炼制,形成新的生产方式。生物炼制是开拓创新型技术,即采用多联产技术．实现生物质的高效综合利用。是生产能源、材料与化工产品的新型工业模式。工业生物技术是生物炼制的核心技术,是人类生物技术发展史上继医药生物技术、农业生物技术之后的第三次浪潮．     

中国工业生物技术的历史、现状和未来

生物经济需要构建可再生生物质资源的新型工业模式,即以生物炼制替代化石资源炼制,形成新的生产方式。生物炼制是开拓创新型技术,即采用多联产技术．实现生物质的高效综合利用。是生产能源、材料与化工产品的新型工业模式。工业生物技术是生物炼制的核心技术,是人类生物技术发展史上继医药生物技术、农业生物技术之后的第三次浪潮．     

海蛎壳生物质资源再利用的研究进展*

海蛎是一种营养和医药价值较高的咸水双壳类动物,在世界各地被广泛养殖。海蛎壳副产品是一种天然生物质资源,由95%的碳酸钙和5%的有机基质组成。海蛎壳的多尺度、多层次“砖-泥”独特结构,使其具有良好的机械稳定性、生物相容性、可降解性和优异的吸附特性。首先,介绍了海蛎壳生物质的理化性质和天然独特微纳米结构,总结了海蛎壳在农业、工业、生物医药领域的研究现状,详细阐述了其在污水治理、土壤改良、天然抗菌剂(食品工业和生物医药)、骨组织工程、医药原料、生物填料、工业催化剂及分散载体、建筑工业填料、功能化涂料等领域的研究现状。其次,概述了利用生物转化技术将海蛎壳转化为生物能源、新型生物质材料等方面的研究进展。最后,展望了海蛎壳生物质资源及其衍生物未来在工业、农业、医药领域的潜在应用。     

生物法合成丙烯酸的研究进展

丙烯酸是一种重要的化工原料,被广泛应用于涂料、超吸附材料等领域。目前丙烯酸的获得主要通过丙烯氧化,但由于石油资源日渐枯竭以及生产过程造成的环境问题,利用生物质资源生产丙烯酸已成为研究热点。介绍了丙烯酸的性质及其在工业上的应用,并详细综述了生物法制备丙烯酸的研究进展。根据丙烯酸生产中是否应用传统的化工过程,将其分为半生物合成和全生物合成。半生物法主要包括乳酸化学法脱水以及丙烯腈、丙烯酰胺的生物转化;全生物法主要包括乳酸生物法脱水、3-羟基丙酸途径、糖直接发酵法以及DMSP(二甲基巯基丙酸内盐)途径。由于乳酸发酵的工艺成熟、原料易得,因此对乳酸脱水进行了重点介绍,其中生物法脱水符合可持续发展的要求,对其进行了详细介绍。同时还分析了各种方法的优缺点,探讨了利用生物质资源生产丙烯酸的研究趋势。     

木质纤维生物质资源高效利用分子技术的开发

木质纤维生物质是地球上最丰富的可再生生物质资源,可为造纸、化工、纺织和生物能源等工业提供重要的原材料。木质纤维生物质主要包括木质素、纤维素和半纤维素三种生物多聚物成分。如何利用分子手段改造这些生物聚合物,提高它们的工业利用率是目前高度关注的问题。综述了近年来木质纤维多聚物在生物合成与改造方面的研究进展,展望了利用分子技术改造植物木质纤维生物质实现其高效利用的前景。     

天然活性先导化合物生物转化研究进展

天然活性先导化合物生物转化是利用生物催化剂(如：酶、微生物、动植物细胞)将加入到生物反应系统中的天然活性先导化合物进行特异性的分子结构修饰以获得高效、低毒新化合物的方法。该方法可以有效地提高已知的天然活性先导化合物的活性、降低毒副作用、改善水溶性和生物利用度,也可以用来生产具有重要应用价值的微量天然活性先导化合物,同时可用于药物代谢机制的研究。国内外学者已经针对甾体、醌类、黄酮类、萜类等化合物开展了天然活性先导化合物生物转化研究,筛选出一批有重要应用价值的生物转化反应类型,但针对天然活性先导化合物生物转化的机制、生物转化过程工程以及生物转化产物活性等方面的研究较少。将现代生命科学技术(如：生物催化剂的定向改造、高通量筛选、组合生物转化、非水相生物转化)引入天然活性先导化合物生物转化研究中,必将推进天然活性先导化合物的快速发展。     

甾醇侧链切除的微生物转化技术

甾体化合物是医药工业中具有巨大市场的产品之一,甾醇侧链切除的微生物转化是解决甾体医药原料的基础,像甾醇这一类疏水性底物的微生物转化技术是产业化的关键。本文综述了甾醇侧链切除微生物转化技术的新进展,详细介绍了我们最近开发的浊点系统两相分配生物反应器新技术。     

生物质能源植物种植对生物多样性的影响

随着化石燃料资源的减少和全球环境问题的加剧, 全球生物质能源的生产增长迅速, 生物质能源植物种植面积不断增长。全球生物质能源植物的大面积种植对生物多样性造成了严重影响: 不但直接或间接侵占了大片自然或半自然生态系统, 造成生物原生栖息地的退化和消失, 而且还易造成生态系统单一并改变生态系统结构与功能, 加剧面源污染, 引起外来种入侵, 甚至增加了转基因生物安全风险。为减少生物质能源植物种植对生物多样性的影响, 政府或相关单位需制订可持续发展的生物质能源生产管理规范, 合理规划以避免在生物多样性丰富或脆弱区种植生物质能源植物, 积极开发新技术并改变生物质能源原料的利用效益, 加强生产方式管理并改变传统种植模式。     

固态发酵技术在资源环境中的应用

发酵工程是生物技术的瓶颈,固态发酵作为发酵工程一个重要的部分,在资源环境应用研究方面取得了重要进展,主要表现在生物燃料,生物农药,生物转化,生物解毒及生物修复等领域,解决了能源危机,治理环境污染等问题,综述了近几年固态发酵技术在资源环境领域应用中一些重要的发展。     

微藻生物炼制研究现状及发展策略

前言 资源短缺和环境污染问题已成为制约世界经济可持续发展的瓶颈.以可再生且环境友好的生物质资源替代化石资源已成为解决资源和环境问题的主要途径之一①,Henry R.Bungay②在1982年针对生物质资源开发与利用提出了生物炼制(Bio-Refinery)这一概念.美国国家可再生能源实验室(U.S.NREL)将生物炼制定义为将生物质原料转化为燃料、电热能和化学产品的生物质转化工艺与设备的集成.生物炼制的原料主要有:含纤维素的生物质和废弃物、谷类或玉米、青草、苜蓿、微藻等.其中微藻是一类在海洋、湖泊等水体中广泛分布的微型植物,能够利用光能固定CO2实现自养,其细胞中含有丰富的油脂、色素、蛋白质、维生素等成分.微藻生物炼制是以微藻为原料,生产各种化学品、燃料、生物基材料和食品等产品的工艺与设备的集成.     

生物质多糖的高效降解与降解酶（系）的精确定制

自然界中多糖类生物质资源十分丰富,然而其复杂的抗降解屏障限制了生物转化的进程.近年来,随着生物质多糖结构的快速解析以及大量多糖降解酶的鉴定研究,针对不同底物结构或产物需求,仿制高效微生物多糖代谢途径,精确定制多糖降解酶系,促进生物质高效转化已成为可能.本文分析中性多糖(纤维素和木聚糖)、碱性多糖(几丁质和壳聚糖)以及酸性多糖(褐藻胶)的精细结构组成与基团性质,总结3类多糖主要降解酶的活性架构特征及其底物精确结合模式.文章还阐述蛋白质工程设计与定制策略,针对酶分子不同功能区的分析,可为酶分子的功能快速设计与改造提供靶点,以获得适宜于工业应用的高效酶分子,此外,根据微生物胞外降解酶系的降解次序与协同关系,可基于应用需求精确定制复杂多糖降解酶系,实现生物质的高效与高值降解转化.     

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。     

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。