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。     

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。     

气化一催化生产生物燃料甲醇生产设施投产使用

生物化学领域的读者容易形成这种印象,一谈到生物燃料就会想到用酶和微生物对生物质进行转化生产生物乙醇.但是,还有在不久的将来也许会成为主流的其他形式的生物燃料.这就是,将生物质通过热化学转化生成一氧化碳和氢气,再通过催化反应将得到的气体转化成甲醇和其他碳氢化合物.     

纤维质原料预处理技术

随着石油资源的大量消耗和逐步枯竭,寻找可再生性的替代能源,特别是新的液态燃料,已成为维持人类社会可持续发展的紧迫任务。在可再生性替代能源——生物能源领域发展力度最大的品种是燃料乙醇。但是越来越多的人们已经认识到,随着世界人口的增长,用淀粉和糖类生产燃料和化工产品的发展将受到很大的限制。只有粮食、食糖生产过剩的国家,才能将大量以粮食和食糖作为原料生产的乙醇用作汽车燃料。而植物光合作用产物的绝大部分为植物的枝、干、叶等木质纤维素类,是纤维素、半纤维素和木质素等聚合物的复合物,其中纤维素和半纤维素都可以被转化成乙醇,理论得率可以同粮食相仿（大于400L／t）。因而,即使像美国那样粮食和土地资源非常丰富的国家,目前也十分重视利用植物纤维原料生产乙醇技术的研究。 近年来,纤维素乙醇技术发展较快,突破了一些关键技术的瓶颈,取得了一些进展。为此,我们特别邀请由山东大学微生物技术国家重点实验室主任曲音波教授领衔的团队,围绕纤维素乙醇生产相关技术,分别就纤维质原料预处理技术、纤维素酶生产技术等进展进行连载,希望更多的读者增加对纤维素乙醇技术的了解。[编者按]     

对农业废弃物和木材残渣进行生物炼制以生产可再生燃料

农业废弃物和木材残渣是生产乙醇和聚合物前体的潜在来源。生物质的使用有可能取代石油和煤炭,从而减少温室气体的排放。美国的生物炼制倡议包括6个主要的商业示范项目,开发更好的生物催化剂的研发新项目,进行新原料和转化技术创造的长期努力。要用生物质生产燃料和化学品,首先必须释放半纤维素糖类和预处理残余纤维素,然后还要水解和发酵所有可用糖。     

对农业废弃物和木材残渣进行生物炼制以生产可再生燃料

农业废弃物和木材残渣是生产乙醇和聚合物前体的潜在来源。生物质的使用有可能取代石油和煤炭,从而减少温室气体的排放。美国的生物炼制倡议包括6个主要的商业示范项目,开发更好的生物催化剂的研发新项目,进行新原料和转化技术创造的长期努力。要用生物质生产燃料和化学品,首先必须释放半纤维素糖类和预处理残余纤维素,然后还要水解和发酵所有可用糖。     

纤维质原料预处理技术

随着石油资源的大量消耗和逐步枯竭,寻找可再生性的替代能源,特别是新的液态燃料,已成为维持人类社会可持续发展的紧迫任务。在可再生性替代能源——生物能源领域发展力度最大的品种是燃料乙醇。但是越来越多的人们已经认识到,随着世界人口的增长,用淀粉和糖类生产燃料和化工产品的发展将受到很大的限制。只有粮食、食糖生产过剩的国家,才能将大量以粮食和食糖作为原料生产的乙醇用作汽车燃料。而植物光合作用产物的绝大部分为植物的枝、干、叶等木质纤维素类,是纤维素、半纤维素和木质素等聚合物的复合物,其中纤维素和半纤维素都可以被转化成乙醇,理论得率可以同粮食相仿（大于400L／t）。因而,即使像美国那样粮食和土地资源非常丰富的国家,目前也十分重视利用植物纤维原料生产乙醇技术的研究。 近年来,纤维素乙醇技术发展较快,突破了一些关键技术的瓶颈,取得了一些进展。为此,我们特别邀请由山东大学微生物技术国家重点实验室主任曲音波教授领衔的团队,围绕纤维素乙醇生产相关技术,分别就纤维质原料预处理技术、纤维素酶生产技术等进展进行连载,希望更多的读者增加对纤维素乙醇技术的了解。     

微生物利用木质纤维素的研究进展

木质纤维素原料是世界上最为丰富的资源之一,可用作微生物发酵生产高附加值生物化学品的原料。与传统用于微生物发酵的可食用生物质原料相比,目前微生物利用木质纤维素还存在以下几个关键问题:开发经济有效的木质纤维素预处理工艺、提高微生物对木质纤维素水解液中第二大单糖木糖的有效利用水平、增强微生物对木质纤维素水解液中混糖的综合利用能力以及提高微生物对木质纤维素水解液中糠醛、乙酸等发酵抑制物的耐受能力。综述了近年来国内外针对这几个关键问题的最新研究成果。为今后微生物大规模利用木质纤维素进行商业生产提出了展望和建议。     

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...     

玉米秸秆基纤维素乙醇生命周期能耗与温室气体排放分析

生命周期评价是目前分析产品或工艺的环境负荷唯一标准化工具,利用其生命周期分析方法可以有效地研究纤维素乙醇生命周期能耗与温室气体排放问题。为了定量解释以玉米秸秆为原料的纤维素乙醇的节能和温室气体减排潜力,利用生命周期分析方法对以稀酸预处理、酶水解法生产的玉米秸秆基乙醇进行了生命周期能耗与温室气体排放分析,以汽车行驶1 km为功能单位。结果表明：与汽油相比,纤维素乙醇E100 (100％乙醇) 和E10 (乙醇和汽油体积比=1∶9) 生命周期化石能耗分别减少79.63％和6.25％,温室气体排放分别减少53.98％和6.69％;生物质阶段化石能耗占到总化石能耗68.3％,其中氮肥和柴油的生命周期能耗贡献最大,分别占到生物质阶段的45.78％和33.26％;工厂电力生产过程的生命周期温室气体排放最多,占净温室气体排放量的42.06％,提升技术减少排放是降低净排放的有效措施。     

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。     

纤维素乙醇气化发酵研究取得进展

在美国提出的2022年生产1360亿L生物燃料目标计划中,纤维素生物燃料的研发将发挥巨大作用。近10a来,美国俄克拉何马州立大学的生物燃料交叉学科研究小组在纤维素乙醇的气化发酵过程研究中取得了进展。该项工艺主要利用低成本、未处理过的生物质原料,如多年生牧草和作物秸秆,能够获取生物乙醇和其他增值产品。该研究小组正在进行进一步的整体分析研究,     

生物质转化工程酿酒酵母的研究进展

石油、煤炭等非再生资源的供给日益紧张,人类迫切需要对可再生资源的利用进一步开发。以生物质为原料生产纤维素乙醇具有原料可再生,成本低廉的显著优点。酿酒酵母菌株因其易于进行基因操作,并具有较高的抑制剂耐受性,被广泛用于发酵生产纤维素乙醇。酿酒酵母作为生物质转化工程菌,在如何提升菌株对抑制剂的耐受性和木糖转化效率等方面仍具有很大的挑战。综述了在生物质转化利用上酿酒酵母工程化的研究进展。     

酿酒酵母L-阿拉伯糖转化乙醇代谢工程的研究进展

L-阿拉伯糖是木质纤维素原料中一种重要的五碳糖组分,但传统的乙醇生产菌株酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)不能利用L-阿拉伯糖。通过代谢途径工程手段,在酿酒酵母中引入L-阿拉伯糖初始代谢途径可以获得能利用L-阿拉伯糖乙醇发酵的重组菌株。并且,通过代谢途径的疏通以及吸收系统的优化可以强化重组菌株代谢L-阿拉伯糖的能力。笔者从以上角度综述了近年来酿酒酵母转化L-阿拉伯糖生产乙醇的研究进展。     

酿酒酵母 L-阿拉伯糖转化乙醇代谢工程的研究进展简

L-阿拉伯糖是木质纤维素原料中一种重要的五碳糖组分,但传统的乙醇生产菌株酿酒酵母（ Saccharomyces cerevisiae）不能利用L 阿拉伯糖。通过代谢途径工程手段,在酿酒酵母中引入L 阿拉伯糖初始代谢途径可以获得能利用L 阿拉伯糖乙醇发酵的重组菌株。并且,通过代谢途径的疏通以及吸收系统的优化可以强化重组菌株代谢L 阿拉伯糖的能力。笔者从以上角度综述了近年来酿酒酵母转化L 阿拉伯糖生产乙醇的研究进展。     

统合生物工艺与纤维素分解性高温菌乙醇转化的研究进展

生物乙醇是可再生的绿色能源,作为可以完全或部分替代化石能源的新型能源,近年来受到了世界各国的关注.木质纤维素作为生物乙醇的生产原料具有巨大的市场潜力,而统合生物工艺(CBP)能有效降低木质纤维素乙醇的生产成本,为纤维素乙醇的工业化生产提供了新的工艺思路.主要介绍利用高温纤维素分解菌的统合生物工艺策略以及国内外对高温纤维素分解茵代谢工程研究的最新进展.     

基因研究新发现有望破解“能源与人争粮”难题

现行生产工艺条件下,人们只有选用玉米、甘蔗等较易分解为糖类的作物作为生物乙醇的生产原料,而富含纤维素的木材、秸秆等,却因为缺乏将纤维素高效转换成糖类的方法而无法作为大规模工业生产生物乙醇的原料。这导致了“能源与人争粮”的矛盾,尤其在全球粮食供应日益紧张的今天,更成为发展生物燃料的一个瓶颈。     

纤维素酶的糖基化

木质纤维素价格低廉,供应充足,且未得到充分开发利用。把纤维素降解成葡萄糖,进而生产纤维素乙醇的技术已经进入商业应用阶段。提高纤维素酶的活性,有利于充分利用自然界中大量存在的木质纤维素,开发生物质资源,以缓解能源危机。糖基化修饰对纤维素酶的活性、稳定性以及其他性质有着重要的影响。因此,对纤维素酶糖基化的了解,以及合理地改善糖基化修饰,可以极大地提高木质纤维素降解速率,有利于工业上液体燃料的生产。     

木薯纤维素乙醇发酵的纤维素酶成本评价

木薯中的纤维素成分约占木薯干重的10％(W/W).文中以木薯燃料乙醇生产的木薯纤维素酒渣为原料,从纤维素酶成本角度评估了三种利用木薯纤维素组分发酵生产乙醇的方法,包括木薯纤维素酒渣的直接糖化和乙醇发酵、木薯纤维素酒渣预处理后的糖化与乙醇发酵、木薯乙醇发酵中同步淀粉与纤维素糖化以及乙醇发酵.结果表明,前两种方法的纤维素利用效率不高,酶成本分别达到13602、11659元/吨乙醇.第三种方法,即在木薯乙醇发酵过程同时加入糖化酶和纤维素酶,进行同步淀粉与纤维素糖化,进而进行乙醇发酵,木薯纤维素乙醇的收益最高.发酵结束时的乙醇浓度从101.5g/L提高到107.0g/L,纤维素酶成本为3 589元/吨乙醇.此方法利用木薯纤维素与木薯淀粉同时进行,不会带来额外的设备及操作投入,酶成本低于产品乙醇价格,可实现盈利,因此第三种方法为木薯纤维用于乙醇发酵的最适方法,本研究结果将为木薯乙醇产业深度利用木薯纤维提供依据.     

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。