基于一体化生物加工过程的木质纤维素合成生物丁醇的研究进展

一体化生物加工过程 (Consolidated bioprocessing,CBP) 是在一个生物反应器中完成水解酶生产、酶解、微生物发酵等多步生物过程的工艺。因其过程步骤简单、成本低,被认为是生产二代生物燃料最具发展前景的工艺。然而,由于木质纤维素降解与丁醇合成路径的复杂性,鲜有天然微生物可以直接利用木质纤维素合成丁醇。随着合成生物学技术的发展,在纤维素降解梭菌中引入丁醇合成途径,可以使单菌利用木质纤维素直接合成丁醇。但是该策略存在菌株代谢负荷重、丁醇产量低等问题。而混菌策略可以通过不同菌株的劳动分工,使单菌代谢负担得到缓解,因此进一步提高了丁醇合成效率。文中从单菌策略和混菌策略分析了近年来一体化生物加工过程利用木质纤维素合成丁醇的相关研究进展,为生物丁醇以及其他生物燃料的一体化生物加工过程研究提供借鉴。     

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。     

新型能源纤维素丁醇产业化发展现状及前景分析

纤维素丁醇作为一种新型可再生能源,具有与汽油配伍性好、蒸汽压较低、安全系数高、能量密度高及抗爆性好等优势,在替代化石燃料方面极具发展前景,已受到广泛关注。虽然纤维素丁醇工业化生产仍存在一定的技术瓶颈,生产技术经济性也较差,产业化发展受到限制,但未来通过政策支持,在丰富的农林剩余物资源及巨大市场需求的条件下,纤维素丁醇作为新型能源仍具有非常广阔的发展前景。为了更好地促进纤维素丁醇产业发展,以纤维素丁醇的产业化发展为研究对象,总结了纤维素丁醇产业发展现状,分析了纤维素丁醇产业发展过程中存在的问题,从政策、资源及市场等方面对未来纤维素丁醇产业发展的前景进行了预测,并对如何促进其产业化发展提出了建议。     

生物丁醇制造技术现状和展望

丁醇是大宗基础化工原料,并有望成为新一代生物燃料。利用可再生原料通过微生物发酵生产丁醇受到人们的很大关注。然而,与石油原料制造丁醇相比,目前生物丁醇的制造成本偏高。生物丁醇制造技术按重要性排序:在廉价原料替代、低丁醇浓度及存在丙酮、乙醇低值副产物3个方面有改进空间。上海生物丁醇协作组设定了由易到难的技术路线图:通过代谢工程提高丁醇比例;在丁醇高耐受菌株中导入和优化丁醇合成途径;去除葡萄糖阻遏效应使之可利用复杂原料。协作组相信,通过与国内外广泛的产学研合作,应可在不远的将来开发出有经济竞争力并可持续发展的生物丁醇生产工艺。     

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。     

我国生物丁醇分离提取技术研究进展

本文概述了目前国内外生物丁醇生产体系中的分离提取技术,包括液液萃取、气提、吸附、精馏和渗透汽化技术等的应用研究现状,详细阐述了上述几种方法在分离提取生物丁醇方面的优势与不足,对各类方法的分离特性和效果进行了比较,并展望了生物丁醇分离提取技术的发展前景。     

制造生物燃料丁醇的新技术

木质茎、稻草、农业残余物、玉米纤维和外皮都含有大量的纤维素和部分木质素,这些木质纤维材料都可用于制造生物丁醇。丁醇被认为是一种优于乙醇的生物燃料,因为它的腐蚀性更小,热量值更高。如同乙醇一样,丁醇也可添加到汽油中。     

混菌同步糖化固态发酵丁醇的研究

生物丁醇是一种极具发展潜力的清洁可再生能源燃料。目前工业丁醇生产仍存在能耗高、产量低以及污染严重等问题。固态发酵体系中由于固体物含量较高容易造成传质传热困难、酶解效率低等难题,难以实现丁醇混菌固态发酵。针对以上问题,从混合培养的优势以及固态发酵过程强化角度思考,以期为高效利用木质纤维素原料制备燃料丁醇提供新思路。     

2013生物基化学品 (Biobased Chemicals) 专刊序言

生物基化学品是生物经济和生物制造的核心内容之一。本专刊综述了国内外生物基化学品的重要研究进展,包括：丁二酸、己二酸、乳酸、3-羟基丙酸、葡萄糖二酸、甘油、木糖醇、高级醇、乙烯等生物基化学品的代谢工程和发酵调控,直接利用木质纤维素生产生物基化学品的菌株构建,生物基乳酸的衍生和生物转化技术,生物基化学品的盐析萃取分离纯化技术等。同时,本专刊也包括了国内学者在丁二酸、D-甘露醇、苹果酸、5-氨基乙酰丙酸、1,3-丙二醇和丁醇方面的研究论文。     

丙酮丁醇梭菌的基因编辑工具及代谢工程改造

丙酮丁醇梭菌作为极具潜力的新型生物燃料丁醇的生产菌,受到各国研究学者的广泛关注。通过丙酮丁醇梭菌(ABE)发酵生产丁醇,由于生产成本高,限制了其工业化应用。随着基因组学和分子生物学的快速发展,适用于丙酮丁醇的基因编辑工具不断发展并应用于提高菌株的发酵性能。本文对丙酮丁醇梭菌基因编辑工具和代谢工程改造取得的进展进行综述。     

生物丁醇代谢工程的研究进展

丁醇作为一种重要的大宗化学品具有广泛的用途,同时又是一种潜在的生物燃料。随着能源与环境危机的日益加重,利用可再生原料通过微生物法生产丁醇受到全世界的普遍关注。代谢工程为定向改造微生物生产丁醇提供了有力的工具。通过改造经典的丙酮丁醇发酵和定向改造模式微生物生产丁醇是生物丁醇研究的两个重要方向。笔者从代谢工程改造的角度评述近5年来生物丁醇研究的进展,同时讨论了生物丁醇研究中需要着力解决的问题。     

全球最大生物丁醇项目在江苏海门投产

总投资8000万美元、以木薯为原料生产生物丁醇的项目在江苏海门联海生物科技有限公司投产。该项目预计生产生物丁醇20万t,是全球最大的生物丁醇项目。     

第六届国际生物能源会议在北京成功召开

由清华大学主办的第六届国际生物能源会议(World Bioenergy Symposium)于2012年9月13~14日在北京成功召开。会议的议题包括生物燃料产业发展、生物能源生产技术、原料供应及原材料生产技术、生物能源的应用、生物丁醇和生物质发电等。本次会议旨在总结交流世界各地生物能源应     

制造生物燃料丁醇的新技术

木质茎、稻草、农业残余物、玉米纤维和外皮都含有大量的纤维素和部分木质素,这些木质纤维材料都可用于制造生物丁醇。丁醇被认为是一种优于乙醇的生物燃料,因为他的腐蚀性更小,热量值更高。如同乙醇一样,丁醇也可添加到汽油中。美国农业部的研究人员Bruce Dien博士和Michael Cotta博士,用物理和化学的方法对难以降解的木质纤维原料进行处理,使之更容易降解。这是Angenent博士将混合物能进行神奇转变非常关键的一步。An-genent博士用包含数千种不同微生物的混合物,并优化了环境条件,以选择一个细菌群落,创造一个有利于玉米纤维转化为丁酸的环境。木质纤维原料来源丰富,是可再生的,它不会与人争粮,用来生产丁醇是处理废弃物的好办法。因为这种生物质是碳中性的,所以不必担心CO2被释放到大气中。许多有战略眼光的企业也加大对生物丁醇的投入。美国杜邦公司(DuPont)和英国石油公司(BP)宣布与英国糖业公司(British Sugar)合作从甜菜中生产丁醇,以添加到混合汽油中。制造生物燃料丁醇的新技术     

生物丁醇发酵研究进展

随着化石燃料的枯竭及环境污染的日趋严重,生物燃料等清洁可再生能源已成为世界各国研究开发的热点。生物丁醇以其燃烧值高,能量密度大,污染轻,以及可与汽油以任意比例互溶等特点,成为新一代可再生资源研究开发的重点。尽管生物丁醇目前前景广阔,但传统丙酮-丁醇-乙醇(Acetone-butanol-ethanol,ABE)发酵途径生产成本高且产率低限制了其商业化生产。为了有效降低原材料成本,实现廉价生物材料的工业转换,基于生物质资源的经济型发酵工艺成为研究热点;通过外源添加的技术手段,快速揭示发酵体系下菌株表型及发酵性能变化对于系统阐述菌株代谢水平与基因水平交叉作用规律具有一定理论意义。此外,随着全基因组测序及相关组学工程技术手段的发展,围绕代谢网络结构改造,阻断非丁醇代谢合成通路,明确胁迫调控机制,解除相关代谢调控等方面内容,对产丁醇梭菌进行内源改造,以期提高丁醇代谢合成能力及丁醇耐受性的研究也逐步深入。基于丁醇发酵生物质资源开发,代谢宏观调控策略及菌种选育等方面研究进展,讨论了生物丁醇生产代谢过程中的瓶颈问题,并对生物丁醇发展前景进行展望,旨为工程菌的构建和基于过程工程技术的代谢调控提供理论依据。     

丙酮丁醇发酵菌的分子遗传改造

丙酮丁醇梭菌及拜氏梭菌是重要的ABE（丙酮、丁醇和乙醇）工业生产菌株,其发酵产物中的丙酮和丁醇均为重要的化工原料,汽车发动机试验证明丁醇还是一种性能优于乙醇的极具潜力的生物燃料和燃料添加剂。随着新生物技术的不断发展及工业生产的需求,遗传工程改造不断应用于丙酮丁醇生产菌株。在前人研究及工业实践的基础上,对丙酮丁醇生产菌株的遗传特性及其分子遗传改造取得的进展进行了详细概述。     

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。     

丁醇的生物炼制及研究进展

丁醇因其优越的燃烧性能成为目前最具研发前景的生物燃料之一,它通常以可再生资源为原料,经丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵获得。尽管ABE发酵曾是最古老的大规模发酵工艺之一,但由于原料成本高,发酵液中丁醇浓度低以及较高浓度的丙酮、乙醇和有机酸等副产物积累等问题,导致丁醇的生物炼制仍然不具有经济竞争力。本文中,笔者从原料选择、原料预处理、纤维素酶酶解和丁醇发酵4个方面介绍丁醇生物炼制的基本流程以及相关研究,以进一步分析丁醇生产的主要瓶颈,并从生产菌株改造和丁醇分离2个方面总结近年来的相关研究进展。最后,讨论了未来丁醇生产研究的重点并指出菌株改造的方向。     

丙酮丁醇梭菌的遗传操作系统

丙酮丁醇梭菌是极具潜力的替代燃料——生物丁醇的合成菌,受到各国研究者的普遍关注。丙酮丁醇梭菌菌株改造是生物丁醇产业化进程中的一项重要工作,其中遗传操作是核心内容之一。以下对丙酮丁醇梭菌的遗传操作系统的发展历史、种类和原理进行了综述,分析了目前几种遗传操作系统的局限性,并对其发展进行了展望。     

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。