木质纤维素乙醇预处理技术研究进展

<正>生物炼制是非粮生物质利用大规模产业化成败的关键,也是工业生物技术研究和产业化开发的重点领域,受到了广泛的关注和重视。为此,我们特别邀请了山东大学曲音波教授的科研团队,以连载的形式,对非粮生物质生物炼制过程工程的相关技术和产品开发进行解读,主要从生物质原料的预处理、过程相关的酶水解技术以及发酵菌种改良等方面展开,以期读者对非粮生物质生物炼制技术开发及其产业化发展有一个更深入的了解。     

中科院举办生物质炼制产业技术情报专场发布会

<正>中国科学院过程工程研究所和中国科学院文献情报中心近期联合举办生物质炼制产业技术情报专场发布会,来自地方政府科技主管部门、行业协会、产业园区、工业企业及科技服务机构代表等近百人参加了本次发布会。情报分析专家基于对国内外相关技术的专利情报分析,发布了蒸汽爆破、固态发酵以及纤维素丁醇三项技术的国内外研究重点、发展趋势及其产业化应用情况,过程工程所生物质炼制工程课题组对发布的技术内容进行了解读。     

发酵工业原料炼制技术体系

要建立节粮、节水、节能和环保的发酵工业,首先面临的是发酵原料的炼制问题。本文通过深入分析发酵工业原料炼制的共性问题,结合多年生物质原料高值化炼制研究基础,提出“发酵工业原料炼制”的理念,根据发酵原料的结构特点和目标产物的要求,将发酵原料预处理——组分分离提升到依据产品功能要求的选择性结构拆分过程,并建立了以汽爆为核心的原料炼制技术平台以及针对淀粉类、糖类、木质纤维素类、生物质水解酸化生产的有机酸、醇类等典型发酵原料的多组分分层多级炼制技术体系范例,为实现资源节约、环境友好的发酵工业提供理论基础与技术支撑。     

纤维素酶与木质纤维素生物降解转化的研究进展

利用纤维素酶将预处理后的秸秆降解成可发酵性单糖,然后发酵生产所需的液体燃料及化工产品的技术,对于我国解决能源、环境、人口就业等难题有着巨大的积极影响。在木质纤维素生物降解转化工艺中,减少纤维素酶用量及提高酶解效率是降低木质纤维素降解成本的关键。纤维素酶系和木质纤维素酶水解技术的改进需要深入了解纤维素酶系统的组成及其协同作用、纤维素酶的结构与功能以及纤维素酶的生产技术。将就以上几个方面的研究进展进行讨论,并深入探讨了纤维素酶糖化能力的评价方法。     

丝状真菌纤维素酶合成诱导及转录调控

利用廉价可再生木质纤维素资源水解产生的可发酵糖生产生物能源和生物基化学品是近年来国内外研究的热点。纤维素酶酶解是木质纤维素原料生物降解的重要手段,但目前纤维素酶生产成本过高,限制了纤维素生物转化和生物炼制的工业化应用。对丝状真菌纤维素酶基因表达和调控进行研究,有利于进一步选育纤维素酶高产菌株,降低纤维素酶生产成本。随着高通量测序及丝状真菌遗传操作等技术的进步,对丝状真菌纤维素酶诱导和基因表达调控机理有了更深入的认识。本文综述了近年来丝状真菌纤维素酶诱导和纤维素酶基因表达调控的最新进展,重点论述糖转运蛋白、转录因子和染色质重塑对纤维素酶表达调控的影响,并对利用人工锌指蛋白进行丝状真菌纤维素酶诱导调控研究进行了展望。     

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。     

纤维素乙醇的生物炼制及研究进展

纤维素乙醇是以农业废弃生物质中的纤维素为主要原料、通过微生物发酵转化而成的生物燃料产品。作为一种绿色可再生替代能源,纤维素乙醇具有显著的能量收益和碳减排效益,对保障我国可持续发展、能源安全以及环境友好意义重大。然而,纤维素乙醇的生物炼制过程面临着难点和挑战。本文围绕纤维素原料及其预处理、纤维素酶水解和纤维素乙醇发酵工艺3个方面,介绍纤维素乙醇生物炼制的工艺流程及特征,剖析纤维素乙醇生产的主要技术瓶颈,并基于菌株抑制物胁迫耐性、碳源利用以及乙醇合成强化3个方面,总结了近年来纤维素乙醇生物炼制的研究进展,最后对纤维素乙醇未来的研究重点和发展前景进行了展望。     

青霉生产木质纤维素降解酶系的研究进展

木质纤维素降解酶系的高效生产是实现植物生物质大规模生物炼制的重要支撑。就地生产木质纤维素降解酶,有助于降低其使用成本,提高技术经济效益。青霉是自然界常见的木质纤维素降解真菌,可以合成分泌种类多样、组分齐全的木质纤维素降解酶系,已被应用于纤维素酶制剂的工业生产。文中从就地生产降解酶,为木质纤维素生物炼制构建“糖平台”的角度,综述了青霉木质纤维素降解酶系的性质、菌株遗传改造及发酵工艺的研究进展。     

新书介绍

<正>气相爆破技术与生物质炼制本书系统分析了气相爆破技术原理及固体多组分物料蒸汽爆破组分分离机制,并对气相爆破的工艺设备进行了介绍,重点对其生物质炼制应用工艺进行了阐述。本书可供国内生物工程、生物材料、生化工程等领域的研究生、相关研究人员以及从事生物质开发利用的企业技术人员阅读参考。     

过程工程在木质纤维素发酵抑制物解除中的应用

发酵抑制物对宿主细胞产生毒害作用,是木质纤维素生物炼制的主要瓶颈之一。减少抑制物含量、解除抑制作用是提高发酵效率的重要环节。本文讨论了木质纤维素发酵抑制物的来源、组成、特点以及相应的解除方法,提出了"源头降低抑制物—纤维素木质素分级转化"炼制模式和"发酵促进剂设计技术",为木质纤维素发酵抑制物的解除及木质纤维素开发利用提供了全新的技术路线。     

多元混菌发酵对纤维素酶活性的影响

研究了两种曲霉(UF2和UA8)二元混菌体系和两种曲霉与1种酵母菌组成的三元混菌体系混合发酵对纤维素酶系三种酶组分活性的影响。结果表明：两种霉菌按一定比例接种进行混合发酵时三种纤维素酶组分的活性较单菌发酵大幅度提高,滤纸酶(FPA)、微晶纤维素酶(AVI)和羧甲基纤维素酶(CMC)活性分别较UA8单菌发酵提高2.2％～51.1％、20．7％～332．6％和29．4％～299．6％;向由两种霉菌组成的二元混菌发酵体系中接入酵母菌可显著降低3种纤维素酶组分的活性;三菌混合发酵能使纤维素酶3组分的产酶高峰出现时间较双菌混合发酵滞后约24h,但三菌与双菌混合发酵3种纤维素酶组分的酶活峰值无明显差异;双菌混合发酵有利于缩短纤维素酶生产发酵周期。     

乙烯的生物炼制技术应用推广前景广阔

乙烯是重要的化工原料,目前基本来源于石油炼制。我国乙烯年消费量已超过2000万t,其中50％以上依赖进口。伴随着石油资源的枯竭和油价的高涨,以生物可再生资源替代石油资源开发基于生物制造的化学产品成为当今世界的研究热点。国家“十一五”863计划在生物和医药领域将“生物乙烯的生物炼制技术”作为重点项目,由南京工业大学牵头,联合中国石化、安徽丰原集团等国内优势企业和科研单位进行联合攻关,目前取得了可喜的进展,展示广阔的应用前景。     

氨基酸的分离、精制

<正> 以谷氨酸、赖氨酸为起点的各种氨基酸,系由发酵法大量生产,它不仅具有现实意义,而且在生物工艺学的发展中具有长远的理论意义,因此,更加期待着与发酵相关的技术,其中特别是在发酵中连续分离精制工程技术,从节省能源和产品质量的观点出发,在生产价廉、优质品种的氨基酸中,氨基酸生产技术的开发是很重要的。然而,     

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。     

人工智能时代发酵优化与放大技术的机遇与挑战

人工智能(artificial intelligence, AI)技术正引发一场新的产业革命,其成功应用正从信息产业迅速渗透到各行各业。传统的发酵工程技术受到巨大挑战的同时更多地迎来了发展变革的机遇。首先,合成生物技术飞速发展使高性能菌株的可获得性及获取效率显著提升,对传统低效的发酵优化放大技术提出很大挑战,亟需对发酵优化放大技术进行升级,以满足高通量菌种性能验证及工艺开发能力的需求;其次,发酵装备技术的持续发展为高效发酵优化技术的进步奠定了良好基础,加之人工智能技术特别是数字孪生与知识图谱等技术的应用,将为传统发酵技术的颠覆性发展带来巨大推动力。本文分别从合成生物时代对发酵优化技术的挑战、发酵优化与放大的核心技术、高通量发酵装备技术、数据可视化技术、数字孪生及知识图谱等智能技术在发酵优化放大中的应用等几个方面进行综述,并对未来工业发酵优化技术的场景以及未来发酵技术对人才培养等提出的新要求进行了展望。     

书讯

<正>气相爆破技术与生物质炼制化学工业出版社出版本书系统分析了气相爆破技术原理及固体多组分物料蒸汽爆破组分分离机制,并对气相爆破的工艺设备进行了介绍,重点对其生物质炼制应用工艺进行了阐述。本书可供国内生物工程、生物材料、生化工程等领域的研究生、相关研究人员以及从事生物质开发利用的企业技术人员阅读参考。     

鸡尾酒δ整合策略构建表达三类纤维素酶的酿酒酵母工程菌株及初步评价

木质纤维素乙醇具有替代化石燃料的潜力,其生产过程包括生物质预处理、纤维素酶生产、水解和发酵等多个步骤。将纤维素酶生产、水解和发酵组合在一起的统合生物加工过程（consolidated bioprocessing,CBP）由于能降低水解和发酵成本而具有应用于纤维素乙醇生产的潜力,该技术的关键是构建能有效降解纤维素的工程菌株,而构建表达纤维素酶的酿酒酵母即是其中一种选择。采用鸡尾酒多拷贝δ整合的策略将7种纤维素酶基因（Trichoderma reesei cbh1、cbh2和egl2,Aspergillus aculeatus cbh1、egl1和bgl1）表达盒整合至酿酒酵母W303-1A染色体上,经4轮整合筛选得到菌株LA1、LA2、LA3和LA4。对这4个菌株进行纤维素酶活性测定,结果表明从LA1到LA3各种纤维素酶活性呈递增趋势,而LA4的酶活性与LA3的酶活水平相当。对菌株LA3进行酸碱预处理玉米芯料的发酵评价,结果表明：①在外加商品化纤维素酶的情况下,与对照菌株W303-1A和AADY相比,LA3能有效利用纤维素料发酵产醇;②与分步整合的菌株W3相比,发酵性能更优;③培养基中的营养成分影响菌株发酵性能。这些结果表明,鸡尾酒δ整合是一种有效的构建酿酒酵母CBP菌株的方法。     

木糖高效生物转化的新出路

木糖的高效利用是影响木质纤维资源生物炼制经济效益的关键因素之一,也是构建其工业化生产体系的必要前提,但是木糖生物转化面临着重要的技术瓶颈,必须寻求新的思路。基于对木糖利用的现状及产业发展的综合分析,提出了木糖高效发酵制取木糖酸的新出路,论述了本领域首要的科学和技术问题是发酵抑制物的控制与消除;针对抑制物的问题,提出了细胞生理生化、代谢流分析及分子生物学的多层次和多尺度解析的研究方法;在此基础上,基于系统论的观点提出了菌种选育、原料预处理、抑制物控制与脱除、木糖酸高效发酵的技术集成的研究思路。     

微生物降解利用木质纤维素的协同作用

木质纤维素复杂的结构组成,是制约高效降解利用这一资源、发展生物炼制的瓶颈。微生物的多酶(菌)体系可有效降解木质纤维素。除好氧微生物的游离酶协同系统之外,主要存在于厌氧细菌中的纤维小体也是有序、高效的协同降解纤维素的复合体系。近年来,在天然纤维小体研究的基础上,研究者们成功设计、构建了人工纤维小体,加深了对这一复合体系的组成单元的理性认识。另外,菌群共培养技术利用各组成菌株代谢途径的协同作用实现了木质纤维素的高效降解。最后,引入异源纤维素酶,可改造现有工程菌株的代谢网络,提高工程菌发酵生产终产物的能力。这些技术有利于实现一步转化生产乙醇的联合生物工艺,有助于提高生物炼制的产率、降低生产成本。     

纤维素乙醇统合加工过程中的酵母多酶共展示体系研究进展

利用统合生物加工过程(Consolidated bioprocessing,CBP)生产纤维素乙醇是目前国内外的研究热点。CBP需要一种“集成化”微生物,既能生产水解木质纤维素的多种酶类又能利用水解木质纤维素产生的糖类发酵产乙醇。以酿酒酵母表面展示技术为依托,建立CBP菌株多酶共展示体系的研究主要分为以下两个方向：一是直接将纤维素酶展示在细胞表面,即非复合型纤维素酶体系;另一种是通过表面展示纤维小体(Cellulosome)将纤维素酶间接地锚定在细胞表面,即复合型纤维素酶体系,本文主要从以上两个方向阐述了近几年对于纤维素乙醇生物统合加工过程的研究进展。因纤维小体对纤维素的降解能力比非复合型纤维素酶体系更强,所以其在酿酒酵母细胞表面的组装研究受到越来越多的关注,为了更深入透彻地了解纤维小体的酵母展示技术,文中对纤维小体的结构与功能及其在纤维素乙醇发酵中的应用研究进行重点论述,并对该领域的发展方向进行展望。