木质纤维素预处理衍生抑制物对产溶剂梭菌的胁迫机制及解抑制策略研究

产溶剂梭菌利用木质纤维素类生物质生产丁醇等液态燃料,是缓解当前能源紧缺、温室气体过量排放的有效途径之一。预处理操作是木质纤维素生物转化的关键步骤,而在此过程中衍生的一系列发酵抑制物是限制其高效/高值转化的主要瓶颈;了解木质纤维素在不同预处理条件下的抑制物衍生特征、解析产溶剂梭菌对该类物质的胁迫响应机制,并建立高效的解抑制工程策略,是实现梭菌高效合成生物丁醇的关键。基于此,首先,介绍多种预处理工艺的优缺点及衍生抑制物种类和质量浓度特征,其次,阐述产溶剂梭菌对主要预处理抑制物的胁迫响应机制,并重点介绍各类高效的解抑制工程策略。最后,展望了木质纤维素高效转化生产燃料的发展趋势,探讨包括应用人工神经网络辅助的预处理工艺优化、基于适应性实验室进化策略和合成生物学等技术手段强化菌株耐受抑制物的鲁棒性能等研究方向。本文将为木质纤维素资源转化和生物丁醇的高效生产提供借鉴。     

不同C源对丙酮丁醇梭菌产丁醇的影响

对丙酮丁醇梭菌在以葡萄糖、木糖、蔗糖、混合糖、玉米芯酸解糖液分别作C源的P2培养基中的产丁醇状况进行研究.结果表明:不同C源对丙酮丁醇梭菌发酵产丁醇有显著的影响;葡萄糖为底物时,丁醇产量最高达到13.50g/L,总溶剂为19.66 g/L;蔗糖为底物时,丁醇所占比例都在70%以上,丁醇产量可达12 g/L;木糖、混合糖为底物时,丁醇产量在10 g/L左右;只有丙酮丁醇梭菌14-28能利用玉米芯酸解糖液发酵产丁醇,丁醇产量为7 g/L.     

以甘薯为原料发酵生产丙酮-丁醇-乙醇的研究

【目的】研究以甘薯为原料发酵生产丙酮-丁醇-乙醇(ABE)的可行性。【方法】以本研究分离鉴定的丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)J-3-3为生产菌株,通过发酵培养基和发酵条件的优化,确定最佳的发酵工艺条件。发酵产物采用气相色谱的内标法测定。【结果】最佳发酵培养基组成:甘薯液化液初糖浓度为100g/L,豆粕8g/L,KH_2PO_4 0.8g/L,FeSO_4·7H_2O 0.06g/L。最佳发酵条件:温度37℃,初始pH自然(pH值为5.8),种龄22h,接种量10%。在此发酵工艺条件下发酵60h,溶剂产量达到最大,丙酮、乙醇和丁醇的产量分别为6.98g/L、1.16g/L和15.34g/L,总溶剂23.48g/L。【结论】研究结果表明,以甘薯为原料发酵生产丙酮-丁醇-乙醇是可行的,这为拓宽发酵法生产丙酮-丁醇-乙醇的原料来源以及甘薯的深加工提供了新的思路。     

造纸污泥同步糖化发酵生产燃料乙醇

以卫生纸厂初级污泥作为生物质原料,采用同步糖化发酵法生产燃料乙醇,对其工艺条件进行了优化,并考察了3种非离子表面活性剂(Tween-20、Tween-60、Tween-80)对造纸污泥同步糖化发酵的促进效果.结果表明:合适的工艺条件为反应温度36℃、底物质量浓度100 g/L、酵母接种量6%(体积分数)、纤维素酶用量25 FPU/g;Tween-20能显著促进造纸污泥的同步糖化发酵,添加0.2%的Tween-20时,乙醇产率提高14%;上述工艺条件下反应48 h的乙醇质量浓度达19.5 g/L,是理论值的63.9%.对同步糖化发酵前后污泥及发酵液的主要化学成分进行分析,发现大量纤维素已糖化发酵成乙醇,仅少量半纤维素发生水解,水解产物木糖不能被酵母有效利用发酵成乙醇.扫描电镜分析显示造纸污泥经同步糖化发酵后,长条状的纤维大多被破坏,同时出现了大量椭球状的酵母细胞.     

丙酮丁醇梭菌发酵玉米秸秆生产丁醇

以丙酮丁醇梭菌为发酵用菌株发酵水蒸气爆破玉米秸秆酶解上清液生产丁醇,研究了酶解上清液浓度、初始pH值以及菌液接种量对丁醇产量的影响,并通过正交试验来确定营养元素的最佳添加量.结果表明:在丙酮丁醇梭菌发酵水蒸气爆破玉米秸秆酶解上清液生产丁醇的最佳条件下(上清液糖浓度57.5g/L、初始pH值6.3,菌液接种量6%,发酵温度37℃,营养元素酵母膏、乙酸铵、磷酸二氢钾、烟酰胺添加量分别为0.8、6.0、0.5、0.25 g/L),丁醇产量达9.726 g/L;水蒸气爆破玉米秸秆酶解液中有抑制产生溶剂的物质,少量烟酰胺能有效促进丁醇生产.     

玉米芯稀酸水解液灭菌方式对Clostridium acetobutylicum XY16发酵性能的影响

玉米芯稀酸水解液(CDAH)中抑制物含量影响其制备生物丁醇的发酵性能。对玉米芯稀酸水解液的灭菌处理方式(如pH,灭菌温度等)与抑制物含量变化的关系进行研究。结果表明:pH、灭菌温度、水解糖液总糖浓度对蒸汽灭菌过程中抑制物的产生有显著影响,在优化的灭菌条件(总糖质量浓度70 g/L,pH 4.0,灭菌温度115℃,灭菌时间15 min)下,灭菌后的水解糖液中,糠醛11.2 mg/L,羟甲基糠醛(HMF)43.4 mg/L,单酚74.3 mg/L,多酚46.7 mg/L。产丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum XY16能利用水解糖液,总糖质量浓度为40 g/L时,丙酮、丁醇和乙醇(ABE)质量浓度达到11.78 g/L,其中丁醇为7.36 g/L,和传统灭菌处理(121℃,15 min)及过滤除菌处理的水解糖液相比,丁醇、丙酮和乙醇(ABE)质量浓度分别提高了129%和228%,丁醇质量浓度分别提高了116%和259%。     

合成气发酵的质量传递限制研究进展

合成气是木质纤维素等生物质部分氧化和高温分解后的混合气化,被生物催化剂厌氧发酵后可以转化为一些有价值的生物燃料.合成气发酵技术最大瓶颈是质量传递限制,其中主要的限制步骤是气液传质.本文对合成气发酵的质量传递限制研究进行综述,重点阐述合成气发酵生物反应器以及添加剂对质量传递的影响.     

丙酮丁醇酸菌固定化技术用于丙酮丁醇发酵的研究

以聚乙烯醇（PVA0为基体的载体埋内酮丁醇梭菌（Clostridium-acetobutylicum）制备固定化细胞,同时用玉米芯为载体吸附丙酮丁醇梭菌制备固定化细胞,并分别进行了静止分批、循环换玉米培养基发酵生产丙酮丁醇的试验。     

任俊莉：“我必须做得更好”

近年来,农林生物质作为可再生资源用来合成生物能源、化学品和材料备受关注。目前生物质直接转化,存在转化率低、成本高、产物类型少等问题,只能利用其中一种或两种组分。例如制浆造纸工业,只利用其中的纤维素,半纤维素和木质素未被利用。在纤维素转化燃料乙醇过程中,只利用了纤维素组分,由于半纤维素和木质素的降解产物对酵母发酵产生抑制作用,     

嗜热厌氧梭菌直接发酵造纸污泥的基本特性

为有效利用造纸污泥中的纤维素和半纤维素,研究了嗜热厌氧梭菌Clostridiumthermocellum在不同底物特别是在造纸污泥中发酵的基本特性及相应的纤维素酶和木聚糖酶基本性质.结果表明:C.thermocellum能够直接发酵没有经过任何预处理的造纸污泥,具有作为生物联合加工(CBP)菌株的良好潜力;在化学制浆污...     

产丁醇重组大肠杆菌的构建及初步发酵

将丙酮丁醇梭菌ATCC 824丁醇合成途径中分别编码硫解酶(THL)、3-羟基丁酰-CoA脱氢酶(HBD)、巴豆酸酶(CRT)、丁酰-CoA脱氢酶(BCD)和醛/醇脱氢酶(BDH)的关键基因thil、hbd、crt、bcd-etfB-etfA、adhE在大肠杆菌中进行重组表达,构建出3株产丁醇的重组大肠杆菌JM109-99d、DL1346 99d和AFP111-99d。选取摇瓶发酵产丁醇最高(0.52 g/L)的重组大肠杆菌DL1346-99d进行上罐发酵,丁醇产量可达1.07g/L。     

纤维素水解制燃料乙醇

乙醇是全球使用最多的生物燃料，本文重点论述了纤维素水解制乙醇的工艺：由预处理、水解、发酵等过程组成，介绍了生物质合成气发酵制乙醇的工艺．指出丰富的秸秆资源使燃料乙醇的生产具有很大的前景。     

生物乙醇生产及木质纤维素稀酸预处理的研究进展(英文)

作为一种汽油替代品,液体燃料因其可持续及环境友好的特点引起了人们的广泛兴趣.文中介绍了几种能够替代汽油的液体燃料:生物甲醇、生物乙醇和生物丁醇,指出生物乙醇最具潜力.对生产生物乙醇的原料进行了概述,指出由于政策性限制,使用淀粉或糖来生产乙醇受到制约,因此人们转向利用木质纤维原料来生产乙醇.在分析了各种木质纤维原料不同的预处理方法后,指出稀酸或稀酸与蒸汽爆破相结合的方法具有经济可行性,但稀酸预处理木质纤维易产生糠醛、羟甲基糠醛、木素小分子等发酵抑制物,因此在未来设计生物质转化液体燃料时要考虑减少这类物质的生成,降低其后续影响.     

木质纤维素的超临界二氧化碳预处理技术

以木质纤维素为原料制备燃料乙醇是可再生能源发展的重要方向,预处理技术则是木质纤维素水解为可发酵糖工艺的关键步骤。超临界二氧化碳预处理是一种清洁高效的新方法,日益受到重视。文中总结了近十五年来国际上在此领域的研究成果,主要包括：涉及到的生物质种类、对应的操作条件和相关度、特色研究结果、对作用机理的认识等。在此基础上,指出了今后应该继续探索的方向和亟需解决的关键问题。     

显微技术在木质纤维素生物质预处理 研究中的应用进展

木质纤维素生物质细胞壁中主要组分(纤维素、半纤维素和木质素)相互交织形成的网状结构是生物质转化过程中的天然抗降解屏障。有效的预处理能打破这种屏障,提高酶水解转化效率。显微技术包括显微镜技术和显微光谱技术,能够在多尺度下展现木质纤维素生物质在预处理中细胞壁微观结构变化和组分含量等信息。笔者介绍了原子力显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、显微拉曼光谱等显微技术在木质纤维素生物质预处理过程研究中的应用。利用显微镜技术可直接观察预处理中细胞壁表面结构的变化,并分析其对酶水解可能产生的影响; 利用显微光谱技术可原位分析预处理对细胞壁组分化学结构与超微结构的影响; 多种显微技术组合弥补了单一手段的不足,可获得木质纤维原料生物构造、组分含量及分布等方面更为详细的信息。     

添加外源物对蒸汽爆破玉米秸秆酶水解性能的影响

研究了8种添加物辅助单、双酶水解蒸汽爆破玉米秸秆的效果和规律。结果表明,在8种外源物中,添加Tween-80对β-葡萄糖苷酶和纤维素酶水解的促进作用最佳,可显著提高酶水解得率和酶活的稳定性。在底物纤维素质量浓度为50 g/L、纤维素酶用量为15.0μmol/(min.g)、β-葡萄糖苷酶用量为30.0μmol/(min.g)的条件下,添加4.0 g/L Tween-80反应48 h,纤维素水解生成葡萄糖和总还原糖的酶解得率分别达到86.85%和93.45%,较空白对照分别提高了7.34%和9.59%,其中可发酵性葡萄糖占总还原糖的92.94%。进一步考察该酶解条件下的蛋白质和酶活回收率,结果表明:添加Tween-80后可溶性总蛋白质的回收率提高了56.83%,β-葡萄糖苷酶和纤维素酶酶活回收率分别提高了16.87%和40.04%。     

丙酮丁醇梭菌发酵糖蜜生产丁醇的发酵条件优化

运用单因素试验结合正交设计法优化丙酮丁醇梭菌发酵甘蔗糖蜜生产丁醇的发酵条件,并进行验证试验.得到发酵条件的最优组合为(NH4)2HPO4的添加量为0.3％,H2NCONH2的添加量为0.1％、Na2 HPO4的添加量为0.5％,KH2 PO4的添加量为0.5％,L-半胱氨酸盐酸盐-水物的添加量为0.025％,蛋白胨的添...     

玉米秸秆水解液的黑曲霉发酵生产高浓度柠檬酸

柠檬酸是在饮料、制药、化妆品等领域有广泛应用的重要有机酸。利用玉米秸秆等木质纤维素原料生产柠檬酸可以显著降低其生产成本。目前,木质纤维素柠檬酸发酵的技术指标偏低,不具备工业应用价值。本文以黑曲霉Aspergillus niger SIIM M288为发酵菌株,以干法稀酸预处理和生物脱毒后获得的玉米秸秆酶水解液为原料,在优化条件下柠檬酸发酵质量浓度达到97.45g/L,相对于葡萄糖的得率达到了87.27%,是迄今为止所有报道的最高指标,已经接近以淀粉为原料的柠檬酸发酵指标。这一结果为以木质纤维素为原料生产柠檬酸的技术产业化提供了重要的依据。     

基于制浆造纸平台的生物质精炼研究

<正>资源短缺与能源危机是目前全球经济发展所面临的普遍问题,因此开发和利用木质纤维生物质资源替代化石资源具有重要的现实意义和长远的战略意义."生物质精炼"的概念来源于石油精炼,是指将植物木质纤维加工分离成为纤维素、半纤维素和木质素,分别进行高附加值利用,主要用于生产清洁能源、高附加值化学产品、生物质复合材料等.由于从木质纤维中分离上述三大组分本身的成本已经很高,再加上后续的化学/生物加工成本,因此这种意义的"生物质精炼"目前还难以实现工业化生产,     

新一代生物燃料丁醇的技术研究进展

丁醇是具有多种用途的大宗基础原料,还是一种优质燃料和燃料添加剂,有可能成为未来发动机新型绿色燃料,替代液体化石燃料的可持续发展的交通燃料之一。占生产成本60％1,54上的粮食类淀粉质原料消耗不仅限制了生物丁醇的市场竞争力,其大规模的使用也会给粮食市场造成冲击。菌种、原料、发酵工艺和分离技术,是制约我国生物丁醇产业市场竞争力的瓶颈。