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青島能源所提出全新木質纖維素整合生物糖化工藝
2019-02-25 | 編輯: | 【 】| | 供稿部門:代謝物組學研究組
    
  木質纖維素生物轉化的經濟性和清潔性,一直是阻礙秸稈等農林廢棄物大規模利用的最大瓶頸。目前木質纖維素生物轉化的主流策略是基于游離纖維素酶的同步糖化發酵工藝,但其中的核心酶技術被國外公司壟斷,且用酶成本難以進一步降低,使現有工藝不具備市場競爭力。整合生物加工(consolidated bioprocessing, CBP)是近些年提出的木質纖維素轉化策略,將纖維素酶的生產、木質纖維素底物酶解、最終產物發酵等環節整合到同一反應器中進行,具有簡化流程、降低成本和設備要求等優勢。但由于CBP策略將多個步驟在同一反應器中同時進行,需要對反應條件進行妥協平衡,難以同時獲得高的產酶、酶解和發酵水平,而且最終產物單一且難以進行調整,大大限制了其應用范圍。

  為此,青島能源所代謝物組學研究組另辟蹊徑,提出了基于纖維小體全菌催化劑的木質纖維素整合生物糖化(Consolidated Bio-Saccharification,CBS)全新策略[Liu S, et al, 2019, 12(1):35]。該策略將酶的生產與水解步驟有機整合,同時將下游發酵步驟進行一定程度上的分立,以可發酵糖這一平臺化合物作為目標產物,具有用酶成本低、過程簡單、下游出口靈活等優勢,有望在木質纖維素生物轉化生產各種化學品、功能食品和藥品中得到廣泛應用。

  纖維小體是熱纖梭菌(Clostridium thermocellum)等厭氧微生物分泌的一種可以高效降解木質纖維素的超分子復合體,是已知的自然界中最高效的木質纖維素降解體系之一。代謝物組學研究組長期致力于熱纖梭菌等纖維素降解菌及其纖維小體的遺傳改造、作用機制及代謝工程研究,利用研究組自主研發的遺傳操作硬件設備和軟件工具,對熱纖梭菌的生理生化、纖維小體的組裝、合成調控與產物抑制、產物攝取與代謝等進行了系統的研究,對熱纖梭菌及其纖維小體的功能機制與調控取得了深入的認識。在此基礎上,該研究組于2017年首先成功開發了基于纖維小體的全菌催化劑,實現木質纖維素底物到可發酵糖的高效轉化[Zhang J, et al, 2017, 10(1):124],初步建立了CBS工藝的雛形,但仍存在產物抑制未能充分解除、關鍵酶產量下降、糖化速度較慢等問題。

  針對這些問題,該研究組通過對纖維小體的重新原位改造優化,構建了第二代全菌生物催化劑,并對培養基成分,接種量、種子培養,以及底物載量等影響過程效率的關鍵因素進行了優化,顯著提高了糖化效率,縮短了糖化時間。在最佳條件下,用預處理的小麥秸稈作為底物,整個糖化工藝時間縮短了50%,糖產量達到0.795/克,糖得率為89.3%(圖1)。該工藝結合本實驗室開發的與之匹配的木質纖維素預處理工藝,大大降低了木質纖維素糖化的成本,已經具備了工業化應用的可能。

  這項工作為CBS的實現提供了一種新的全菌生物催化劑和與之匹配的優化工藝,證實CBS是一種可行的木質纖維素低成本高效利用策略。代謝物組學研究組在2019218日在線發表于Biotechnology for Biofuels的研究論文中報告了該工藝策略,并在國際上首次正式提出“整合生物糖化(CBS)”的概念。代謝物組學研究組目前正在將該CBS工藝進行中試放大,建立基于該工藝的工業示范系統,有望極大地促進木質纖維素生物轉化的工業化進程。

  該研究組博士生劉世岳和劉亞君副研究員為該論文的共同一作,崔球研究員為該論文的通訊作者。該工作得到了中科院戰略性先導專項、國家自然科學基金委、山東省自然科學基金委的資助。(文/劉亞君 馮銀剛 圖/劉亞君)

1. 在優化或常規條件下預處理麥稈的糖化分析。(a100-mL厭氧瓶;(b10-L厭氧發酵罐

  原文鏈接:

  https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-019-1374-2

  Liu, S.1, Y.-J. Liu1, Y. Feng, B. Li and Q. Cui* (2019). "Construction of consolidated bio-saccharification biocatalyst and process optimization for highly efficient lignocellulose solubilization." Biotechnology for Biofuels 12(1): 35.

  

 
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