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。     

木质纤维素稀酸水解糖液乙醇发酵研究进展

以木质纤维素为原料生产燃料乙醇,首先要对原料进行预处理得到可发酵糖,在稀酸水解木质纤维素得到的糖液中,除含有葡萄糖、木糖等六碳糖和五碳糖外,根据水解温度、酸浓度和时间的不同,还含有不同浓度的发酵抑制剂。因此,在研究木质纤维素稀酸水解糖液的乙醇发酵中,对代谢木糖成乙醇的菌种的研究、对耐/代谢发酵抑制剂微生物的研究、对稀酸水解糖液的脱毒方法的研究以及对稀酸水解糖液不同发酵方式的乙醇发酵研究等非常重要。重点介绍了以上几个方面近几年研究的进展。     

生物法脱除木质纤维素水解液中抑制因子的最新研究进展

实现从木质纤维素原料到燃料和高附加值化学品的生物转化,预处理是一个非常重要的步骤.酸解或蒸汽爆破等热-化学预处理过程会在水解液中生成或释放有机酸类、糠醛类和酚类化合物等抑制因子.这些抑制因子对发酵微生物具有毒性,会显著降低发酵产品的产率和生产强度.生物法去除木质纤维素水解液中的抑制因子具有操作简便以及不产生废水、废物等优点.生物脱毒法可分为两类:一类是通过向木质纤维素水解液中添加微生物或酶制剂,在发酵前去除抑制因子;另一类方法是通过遗传改造或适应性进化提高发酵菌株对抑制因子的生物降解能力,从而提高木质纤维素水解液的发酵性能.将着重以乙醇生产为例,介绍如何通过生物脱毒的方法提高木质纤维素水解液发酵的得率和生产强度.     

低水用量约束条件下的高固体含量纤维乙醇生物加工技术策略

木质纤维素原料生物转化生产纤维乙醇需要使用大量的水和蒸汽,从而使过程能耗和废水排放显著增加,大幅度增加了加工成本。最大限度地降低水和蒸汽用量对过程节能和废水减排并对最终成本控制极为重要。对极限低水用量约束条件下木质纤维素生物转化关键路径进行了实验研究和计算分析,确定了极低水和蒸汽用量的新型预处理技术,实现高效率预处理过程的废水零排放;采用独特的生物脱毒技术,用从自然界筛选的煤油霉菌Amorphotheca resinae ZN1对预处理原料中的抑制物进行了快速生物脱毒;对极限高固体含量下高粘度多相流物系在复杂抑制物胁迫下的酶水解与发酵行为以及放大准则进行了研究;建立了基于Aspen plus平台上的生物质加工物性数据库和严格热力学意义上的全过程流程模拟数学模型,实现了对过程的局部和全局设计与调优。这一综合技术在生物炼制微型工厂中进行了测试,并在纤维素乙醇工业示范装置中得到了应用。该研究结果将为构建具有工业实用价值的节能和清洁化木质纤维素生物转化技术提供依据。     

酵母对木质纤维素酸解物中抑制物的应答及菌株开发

木质纤维素稀酸预处理过程中产生的抑制物会干扰酵母细胞的生长和发酵。根据酵母对抑制物应答的特点,开发那些能够对抑制物原位脱毒的高耐受性菌株,是生物质乙醇转化工业可持续发展的关键。综述了木质纤维素稀酸预处理过程中抑制物的产生、分类、对酵母的影响以及酵母对其应答的特点,结合系统生物学和基因工程方法从酵母耐受的角度探讨了耐受性优势酵母菌株的开发。     

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。     

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。     

木质纤维素原料酶水解产乙醇工艺的研究进展

木质纤维素原料预处理后,经水解、发酵等过程,可生产乙醇作为清洁燃料,这大大提高了农业和林业废弃物的利用率,减轻了环境污染,并为经济的可持续发展提供了保证。目前木质纤维素酶水解因其具有明显优势而受到重视,被普遍研究和采用。综述了近年来木质纤维素原料的预处理方法、酶与水解技术、发酵工艺以及发酵耦合分离技术的最新研究成果。     

木质纤维素预处理技术研究进展

详细评述了木质纤维素的预处理工艺研究进展,特别是浓酸低温水解-酸回收工艺、稀酸二阶段水解工艺、金属离子在稀酸水解过程中的助催化作用以及水蒸汽爆裂、氨纤维爆裂、CO2爆裂、酶催化水解等方法的研究进展情况。木质纤维素原料预处理技术发展为发酵生产乙醇技术的研究开发奠定了坚实基础。     

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。     

大肠杆菌对木质纤维素水解液抑制物的胁迫耐受性

木质纤维素类生物质是前景广阔的化石原料替代品，其生物炼制可生产生物能源、生物基化学品和生物材料等多种产品，可降低碳排放，有助于实现“双碳”目标，因此受到越来越多的关注。然而，木质纤维素生物炼制需要经过预处理、微生物发酵和产物纯化等多个步骤，其中，预处理过程产生的多种化合物抑制微生物的细胞生长和发酵性能，是制约生物转化效率的瓶颈之一。大肠杆菌是木质纤维素生物炼制常用的宿主，被广泛应用于多种化合物的生产，研究其对木质纤维素水解液中抑制物的耐受性，对于提高木质纤维素生物炼制效率具有重要意义。本文首先介绍了木质纤维素的主要成分和基本结构，对木质纤维素的预处理方法以及预处理后水解液中的主要抑制物种类进行了简单阐述；随后，总结了木质纤维素水解液中几类主要抑制物呋喃类、羧酸类和酚类对大肠杆菌细胞的毒性，以及大肠杆菌对上述抑制物的胁迫响应机制和基于机制的菌株改造靶点；最后，综述了提高大肠杆菌对上述抑制物的胁迫耐受性的菌株改造策略，包括随机突变、实验室适应性进化和组学辅助的理性设计等，为利用代谢工程构建用于木质纤维素生物炼制的高效大肠杆菌菌株提供参考。     

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。     

纤维素乙醇生物加工过程中的抑制物对酿酒酵母的影响及应对措施

以木质纤维素为原料生产乙醇,预处理是必需的环节,这一过程中不可避免产生了多种对微生物有抑制作用的化合物,这些抑制物主要有3大类:弱酸、呋喃醛类和酚类化合物。这些化合物影响后续乙醇发酵微生物酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的生长及发酵性能,降低了乙醇的得率和产量,是木质纤维素原料大规模生产乙醇的一个主要障碍。以下介绍了3类抑制物的形成及作用机制,并介绍了应对抑制物作用、提高酵母发酵能力的措施及研究进展,包括发酵前预处理原料脱毒、通过进化工程驯化菌种或通过对抑制物耐受性相关基因的代谢工程操作提高酿酒酵母耐受性,及通过发酵过程控制减少抑制物影响等。     

丝状真菌Amorphotheca resinae ZN1的糠醛降解代谢分析

木质纤维素在预处理过程产生的降解产物对后续的酶水解和微生物发酵过程产生了强烈的抑制。因此,这些抑制物的脱除即所谓的"脱毒"步骤是正常进行后续酶解和发酵的前提条件。我们对本实验室筛选的丝状真菌Amorphotheca resinae ZN1的糠醛的代谢路径进行了研究。丝状真菌A.resinae ZN1转化糠醛的降解代谢途径可以简述为:糠醛首先快速地转化为毒性较低的糠醇;在有氧条件下,糠醇又再度生成不致对微生物产生危害的低浓度糠醛,糠醛继续氧化为糠酸。推测糠酸可能继续进入TCA循环,进而完成糠醛的完全降解。研究结果为将来加快丝状真菌A.resinae ZN1生物脱毒速率、改善木质纤维素生物转化的限速步骤提供了重要的实验依据。     

基于杨木（Populus sp.）的二代燃料乙醇技术研究进展

木质纤维素类生物质作为一种廉价且储量丰富的可再生原料，可通过预处理、酶解和微生物发酵等过程转化为纤维素燃料乙醇，近几十年来受到世界各国的广泛关注。杨木是一种人工广泛种植的速生硬木，主要用于造纸工业，而伴随产生大量枝桠等废弃物。因其富含纤维素和半纤维素组分，被认为是纤维素乙醇生产的优良木质纤维素原料。聚焦于杨木在纤维素乙醇生产中的应用，介绍了杨木的组成及结构特点，重点综述了杨木在预处理技术、预处理原料的酶解、微生物发酵等方面的研究进展。最后，归纳总结了限制杨木在纤维素乙醇应用中的技术障碍及困难，进而分析提出了相应解决对策并展望了其应用前景。     

担子菌及其木质纤维素降解液在红豆杉细胞培养中的作用

研究了担子菌及其木质纤维素降解液在红豆杉细胞培养中的作用,结果表明,担子菌Ｂｄｓ及其木质纤维素降解液制备的诱导子对紫杉醇生物合成具有明显的促进作用,且以木质纤维素发酵致第７天的降解液对紫杉醇生物合成的诱导作用最明显。因此,可以用担子菌Ｂｄｓ发酵木质纤维素所得的降解液制备紫杉醇生物合成的诱导子。     

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。     

木质纤维素乙醇关键技术研究进展

人类社会对能源供给和环境保护的需求推动了燃料乙醇产业的快速发展。以木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇已成为生物能源研究的主流。但是由于技术和经济性的限制,纤维素乙醇未能实现大规模商业化应用。与淀粉原料相比较,木质纤维素原料的预处理、酶解、发酵等重要环节尚有众多瓶颈问题亟待解决,需要持续的技术革新来降低纤维素乙醇生产成本。回顾了近年来纤维素乙醇生产工艺中关键技术的进展,以期为领域内研究者提供参考。     

纤维素乙醇发酵液中复杂组分对乙醇渗透汽化传质过程的影响

考察了木质纤维素乙醇发酵液中各组分对乙醇透过聚二甲基硅氧烷(PDMS)-silicalite-1渗透汽化膜传质性能的影响。结果表明:酵母细胞、玉米秸秆残渣和发酵用无机盐可增加乙醇通过膜的通量和选择性;而葡萄糖和甘油的存在会对乙醇的透膜传质产生负面影响;木质纤维素水解后的产物如糠醛和羟基丙酮,表现出对膜分离乙醇轻微的抑制作用。本文建立了渗透汽化优先透醇与纤维素乙醇发酵集成过程,批次发酵20 h后乙醇产率从最初的12.95下降到10.22 g/(L·h),60 h后乙醇产率下降为0,葡萄糖消耗速率与乙醇消耗产率呈同样趋势;连续发酵过程中,乙醇产率较稳定地维持在13.30 g/(L·h)。实验证明,集成过程可及时地将产物乙醇分离出去,能够有效地消除产物抑制,提高乙醇生产速率和葡萄糖转化率。     

极端嗜热厌氧菌 Caldicellulosiruptor 木质纤维素降解研究简

随着能源危机的加剧,木质纤维素作为生产生物能源的重要原料得到人们的广泛关注。目前,极端嗜热厌氧菌Caldicellulosiruptor属已发现8个种,具有高效的木质纤维素降解能力,甚至可以作用于未经预处理的木质纤维素。自从20世纪80年代以来,人们在Caldicellulosiruptor属的菌株生理生化性质、木质纤维素降解机制及转化能力、基因组、转录组及蛋白质组、遗传转化体系等方面,都取得了一系列研究成果。笔者对嗜热厌氧菌Caldicellulosiruptor属木质纤维素降解的研究现状及前景进行综述及展望。