5-羟甲基糠醛的生物催化氧化研究进展

5-羟甲基糠醛HMF是重要的生物基平台化合物,将HMF氧化成呋喃类化合物是生物质转化的重要发展方向。生物催化具有选择性高、反应条件温和,环境友好等优势。近年来生物催化氧化HMF广受关注。从HMF生物转化过程的发现、HMF在微生物的代谢过程以及全细胞转化和酶法催化HMF氧化3个方面对该领域的研究进行综述,并对HMF的生物催化氧化过程发展方向进行展望,以期为绿色高效催化5-羟甲基糠醛制备呋喃类大宗化学品奠定理论基础。     

生物质基平台分子5-羟甲基糠醛制备及其高值化转化

5-羟甲基糠醛是重要的生物质平台分子之一,可以由生物质糖类催化脱水重排直接制备,是实现生物质高值化转化的重要媒介。C—O键选择性地重构是5-羟甲基糠醛制备及催化转化过程中的核心科学问题。近年来,以5-羟甲基糠醛为原料制备生物质基燃料及材料单体的研究快速发展,各种新型催化剂和催化体系被不断用于5-羟甲基糠醛的相关转化过程的研究中。对5-羟甲基糠醛的制备及其下游生物质基燃料、材料单体制备的研究进行了概述和展望。     

木质纤维素资源化主要途径及半纤维素优先资源化利用策略

木质纤维生物质是地球上最丰富的可再生资源,可转化为能源、化学品和材料,开发木质纤维生物质有利于废弃物的高值化利用和缓解目前面临的环境污染等问题。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素,将其主要组分进行高效分离,是实现多元化、高值化生物精炼的基础。基于此,笔者简要总结了目前主要的木质纤维素资源化途径,如基于纤维素资源化、基于半纤维素资源化、基于木质素资源化、基于碳水化合物资源化以及全组分资源化的研究策略。依据半纤维素在植物细胞壁中承担的角色,结合前期的研究基础,提出半纤维素优先原位催化转化的木质纤维素生物炼制新策略,实现半纤维素的高选择性溶出和高效转化,保留结构完整的纤维素和木质素分级转化为小分子化学品和材料,最终实现资源生物量全利用,多元化产品联产的目的。     

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。     

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。     

木质素能源转化的研究进展

木质素具有较高的碳含量和热值,其最直接的利用方式是转化为各种能源产品,包括燃料和电能。因此,以来源丰富的木质素为原料转化制备生物质能源具有重要的意义。本文概述了近年来木质素转化为生物质能源的研究进展,包括木质素来源及提取、木质素热化学转化为生物燃料以及木质素发电技术,着重介绍了木质素的热解反应、气化反应、液化反应以及催化加氢脱氧反应,并总结了直接木质素燃料电池发电的最新研究成果。最后对木质素能源转化的研究前景进行了展望,提出实现工业化生产需根据目标产物需求开发新型催化剂、优化转化过程、建立低能耗且高效率的产物分离方法并加强木质素产电中电极材料、电池设计等研究,为木质素高值化、资源化和能源化利用提供参考。     

海藻生物质能源转化研究现状

随着全球化石能源的日益枯竭,寻求可替代传统化石能源的可再生生物质能源刻不容缓,海藻生物质资源越来越受到人们的关注。综述了近年海藻生物质能源转化的研究进展,详细介绍了可替代石油燃料的生物柴油技术,以及利用海藻生物质转化为具有高附加值化学品的研究现状,以期为海藻生物质能源的开发利用提供参考。     

Ru基催化剂选择性催化氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲酸研究进展

2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是一种重要的生物质基单体,有望替代对苯二甲酸(PTA)生产可降解的生物质聚酯材料,缓解对化石资源的依赖以及环境的污染。如何经济、高效、绿色地合成FDCA是目前迫切需要解决的难题。5-羟甲基糠醛(HMF)作为典型的生物质平台化合物,来源广泛且绿色可持续,以其为原料催化氧化制备FDCA近年来备受关注。负载型Ru基催化剂由于其催化活性高、选择性好、成本相对合理,被认为是HMF催化氧化制备FDCA良好的催化材料。本文基于HMF不同氧化路线及反应机制,首先概述了不同活性组分Ru基催化剂的发展历程及其在HMF氧化反应中的应用,接着详细分析了碱添加剂、溶剂及载体对反应的影响,并阐释了相应的催化机制,最后对Ru基催化剂在HMF催化氧化制备FDCA中的工业化应用进行了总结和展望。     

甾体微生物转化C11β-羟基化的研究进展

C11β-羟基化是甾体微生物转化中难以实现的一步反应。对甾体C11β-羟基化的机理及部分生理生化问题进行了讨论,对蓝色犁头霉和新月弯孢霉催化转化甾体C11β-羟基化的应用研究特点及其催化转化反应产物氢化可的松的工业生产现状及相关问题进行了评述,并对此技术开发前景进行了预测。     

乙酰木聚糖酯酶研究进展

半纤维素是一类丰富可再生而又亟待开发利用的生物质资源,将半纤维素降解为糖类进而生产木糖醇及其它化学品是利用生物质资源的关键一步。乙酰木聚糖酯酶是降解半纤维素的一个重要酶,它能够水解乙酰化木聚糖中的木糖残基上的2位和3位的O 乙酰基,在工业、农业及食品业具有广阔的应用前景。综述了乙酰木聚糖酯酶的分类、酶学性质、催化机制、基因克隆和协同酶解等方面的研究进展,同时对该研究进行了展望。     

Biotransformation of 5‐Hydroxymethylfurfural to 2,5‐Furandicarboxylic Acid by a Syntrophic Consortium of Engineered Synechococcus elongatus and Pseudomonas putida

2,5‐furandicarboxylic acid (FDCA) is one of the top platform chemicals that can be produced from biomass feedstock. To make the cost of industrial FDCA production compatible with plastics made from fossils, the price of substrates and process complexity should be reduced. The aim of this research is to create a CO₂‐driven syntrophic consortium for the catalytic conversion of renewable biomass‐derived 5‐hydroxymethylfurfural (HMF) to FDCA. Sucrose produced from carbon fixation by the engineered Synechococcus elongatus serves as the sole carbon source for the engineered Pseudomonas putida to catalyze the reaction of HMF to FDCA. The yield of FDCA by the consortium reaches around 70% while the conversion of HMF is close to 100%. With further surface engineering to clump the two strains, the FDCA yield is elevated to almost 100% via the specific association between an Src homology 3 (SH3) domain and its ligand. The syntrophic consortium successfully demonstrates its green and cost‐effective characteristics for the conversion of CO₂ and biomass into platform chemicals.     

Catalytic processes towards the production of biofuels in a palm oil and oil palm biomass-based biorefinery

In Malaysia, there has been interest in the utilization of palm oil and oil palm biomass for the production of environmental friendly biofuels. A biorefinery based on palm oil and oil palm biomass for the production of biofuels has been proposed. The catalytic technology plays major role in the different processing stages in a biorefinery for the production of liquid as well as gaseous biofuels. There are number of challenges to find suitable catalytic technology to be used in a typical biorefinery. These challenges include (1) economic barriers, (2) catalysts that facilitate highly selective conversion of substrate to desired products and (3) the issues related to design, operation and control of catalytic reactor. Therefore, the catalytic technology is one of the critical factors that control the successful operation of biorefinery. There are number of catalytic processes in a biorefinery which convert the renewable feedstocks into the desired biofuels. These include biodiesel production from palm oil, catalytic cracking of palm oil for the production of biofuels, the production of hydrogen as well as syngas from biomass gasification, Fischer-Tropsch synthesis (FTS) for the conversion of syngas into liquid fuels and upgrading of liquid/gas fuels obtained from liquefaction/pyrolysis of biomass. The selection of catalysts for these processes is essential in determining the product distribution (olefins, paraffins and oxygenated products). The integration of catalytic technology with compatible separation processes is a key challenge for biorefinery operation from the economic point of view. This paper focuses on different types of catalysts and their role in the catalytic processes for the production of biofuels in a typical palm oil and oil palm biomass-based biorefinery.     

A review of thermal-chemical conversion of lignocellulosic biomass in China

Biomass, a renewable, sustainable and carbon dioxide neutral resource, has received widespread attention in the energy market as an alternative to fossil fuels. Thermal-chemical conversion of biomass to produce biofuels is a promising technology with many commercial applications. This paper reviewed the state-of-the-art research and development of thermal-chemical conversion of biomass in China with a special focus on gasification, pyrolysis, and catalytic transformation technologies. The advantages and disadvantages, potential of future applications, and challenges related to these technologies are discussed. Conclusively, these transformation technologies for the second-generation biofuels with using non-edible lignocellulosic biomass as feedstocks show prosperous perspective for commercial applications in near future.     

裂解性多糖单加氧酶及其应用研究进展北大核心

裂解多糖单加氧酶(lytic polysaccharide monooxygenases,LPMOs)是近几年新发现的氧化酶,该酶在生物质酶解方面发挥着重要的作用,因此,被描述为生物质解构助推器。LPMOs与底物的结合具有特异性,催化机理尚未完全阐明。虽然关于LPMOs的研究很多,但真正投入到工业生物质转化中的却很少,这对它们的表达、调控和应用都提出了挑战。本文首先系统综述了LPMOs的发现与分类、催化机制、构效关系,其次探讨了LPMOs的活性测定方法及重组表达技术,最后协同综述了LPMOs在不同领域的应用并对未来的研究方向进行了展望。本综述有助于加深对LPMOs的系统认识,推动LPMOs及其酶工程的研究,以期为LPMOs的研究和应用提供参考。     

工业应用导向的蛋白质结构与功能研究进展

在蛋白质工程、绿色生物制造以及合成生物学等研究领域中,对重要催化反应的重塑和合成路径的优化搭建,都依赖于对相关蛋白质结构与功能的深入了解。合成生物技术近年来的飞速发展对关键菌种及生物催化过程中的蛋白质的性能提出了更高要求,相关研究的关键是获得大批量、高纯度目的蛋白,并进行快速、准确的构效关系研究。中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来,在工业蛋白质领域进行了多年的积累,成功搭建成了蛋白质结构生物学平台;并在植物天然产物合成相关萜类合成酶、白色污染降解的聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET)塑料降解酶以及生物质转化利用相关酶等方面获得了一些进展,通过对这些蛋白进行结构和功能的研究,为许多研究工作提供了理论依据。蛋白质结构功能研究相关技术的不断发展,将加速合成生物学的学术和工业应用研究,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

In Situ Enzymatic Conversion of <Emphasis Type="Italic">Nannochloropsis oceanica</Emphasis> IMET1 Biomass into Fatty Acid Methyl Esters

Conventionally, production of methyl ester fuels from microalgae occurs through an energy-intensive two-step chemical extraction and transesterification process. To improve the energy efficiency, we performed in situ enzymatic conversion of whole algae biomass from an oleaginous heterokont microalga Nannochloropsis oceanica IMET1 with the immobilized lipase from Candida antarctica. The fatty acid methyl ester yield reached 107.7% for dry Nannochloropsis biomass at biomass to t-butanol to methanol weight ratio of 1:2:0.5 and a reaction time of 12 h at 25 °C, representing the first report of efficient whole algae biomass conversion into fatty acid methyl esters at room temperature. Different forms of algal biomass including wet Nannochloropsis biomass were tested. The maximum yield of wet biomass was 81.5%. Enzyme activity remained higher than 95% after 55 days of treatment (equal to 110 cycles of reaction) under the conditions optimized for dry algae biomass conversion. The low reaction temperature, high enzyme stability, and high yield from this study indicate in situ enzymatic conversion of dry algae biomass may potentially be used as an energy-efficient method for algal methyl ester fuel production while allowing co-product recovery.     

工业木质素预处理及催化转化苯酚

传统化石能源日益枯竭以及环境污染压力日益加大使得开发以生物质为代表的可替代能源迫在眉睫,木质素作为仅次于纤维素的生物质中第二大主要成分用来制备高附加值化学品是提高生物质资源利用效率的关键。本文将工业木质素进行预处理后采用双液相反应体系将工业木质素转化为苯酚等化合物,使用微波辐照代替传统的加热,考察了预处理方式、温度、时间等条件对产物收率的影响。结果表明,以1-甲基-3-乙基咪唑醋酸盐([EMIM]OAc)处理的工业木质素在微波反应器输出功率为400 W、反应温度为90℃、催化剂为1-甲基-3-胺乙基咪唑四氟硼酸盐([AEMIM]BF4)双液相反应体系中反应60 min苯酚的收率最高可达8.14%。     

Fast Pyrolysis of Biomass Residues in a Twin-screw Mixing Reactor

Fast pyrolysis is being increasingly applied in commercial plants worldwide. They run exclusively on woody biomass, which has favorable properties for conversion with fast pyrolysis. In order to increase the synergies of food production and the energetic and/or material use of biomass, it is desirable to utilize residues from agricultural production, e.g., straw. The presented method is suitable for converting such a material on an industrial scale. The main features are presented and an example of mass balances from the conversion of several biomass residues is given. After conversion, fractionated condensation is applied in order to retrieve two condensates — an organic-rich and an aqueous-rich one. This design prevents the production of fast pyrolysis bio-oil that exhibits phase separation. A two phase bio-oil is to be expected because of the typically high ash content of straw biomass, which promotes the production of water of reaction during conversion.Both fractionated condensation and the use of biomass with high ash content demand a careful approach for establishing balances. Not all kind of balances are both meaningful and comparable to other results from the literature. Different balancing methods are presented, and the information that can be derived from them is discussed.     

水生细菌生物量的估算方法*

细菌的生物量是海洋微生物研究的关键参数之一。目前,细菌生物量估算方法主要根据其体积的大小进行换算,但换算的方式也不尽一致。对细菌体积和细菌碳含量主要的测定方法、体积与生物量之间换算系数、换算模式进行介绍,评述。认为流式细胞术是测定细菌体积较为合适的方法,X-射线微量分析法是测定单个细菌生物量(碳含量)最合适的方法,异速生长模式是目前生物量换算过程较为常用的模式。     

纤维素生物质新型水解技术的研究进展

纤维素生物质水解技术是生物质资源转化的关键技术之一,在传统的酸水解和酶水解技术基础上,近年来出现了一些新型的水解技术,它们一般都具有绿色高效、对环境友好等特点;回顾并综述了纤维素生物质水解技术的最新进展,并对纤维素生物质水解技术的发展研究方向提出了设想.