利用树干毕赤酵母发酵玉米秸秆制备燃料酒精

采用湿热预处理(195℃,15min)与同步糖化发酵对玉米秸秆制备酒精进行了研究。结果表明:玉米秸秆经过湿热预处理后,86.5%纤维素保留在滤饼中,而大部分半纤维素被溶解。在底物质量体积含量50g/L,温度30℃,pH值5.5,摇床转速130r/min条件下,树干毕赤酵母(Pichia stipitis)利用预处理后的玉米秸秆经过192h同步糖化发酵,酒精浓度达到了12.12g/L,对应的酒精产量和生产效率分别为0.34g/g(葡萄糖+木糖)和0.065g/(L·h)。该项研究为工业化生产打下了基础。     

重组酵母发酵半纤维素水解液生产酒精的研究

玉米秸秆中的半纤维素主要由五碳糖组成,普通的酿酒酵母不能发酵五碳糖。今利用基因重组酵母Sacchromyces cerevisiae ZU-10发酵玉米秸秆半纤维素水解液生产酒精,针对半纤维素水解液中的主要发酵抑制物,研究了硫酸根离子、乙酸、糠醛对重组酵母生长的影响,发现S.cerevisiae ZU-10细胞对SO42·,乙酸和糠醛的耐受浓度分别为5g·L·1、0.25g·L·1和0.08g·L·1。对玉米秸秆半纤维素的水解工艺进行了比较研究,结果表明,玉米秸秆采用1%H2SO4(固液比1:10),在95℃水解12h,其中的半纤维素水解率达到93%,发酵抑制物相对较少。半纤维素水解液经石灰中和、真空浓缩及离子交换处理后,可用于酒精发酵。半纤维素水解液的糖浓度与浓缩倍数及发酵抑制物浓度成正相关,对于重组酵母S.cerevisiae ZU-10,半纤维素水解液的适宜糖浓度为80g·L·1。在此浓度下,接种量1.2g·L·1(细胞干重计)、30℃、厌氧发酵96h,酒精浓度为31.05g·L·1,水解液中的木糖利用率达到95.85%。该研究结果对于促进半纤维素资源的转化利用,加速秸秆酒精的产业化进程具有重要意义。     

玉米秸秆同时糖化发酵生产燃料酒精的研究

利用正交试验对玉米秸秆发酵生产燃料酒精的条件进行了摇瓶试验。试验发现,采用管囊酵母SQY-001与酿酒酵母SQY-002混合菌种发酵生产酒精的最适条件为发酵温度36℃,发酵周期为72 h,转速为80～100 r/min,纤维素酶用量为40 IU/g(对底物),管囊酵母与酿酒酵母的接种比例为2︰1,并在此条件下得到酒精产率为0.148 g/g。     

玉米秸秆稀酸水解与水解液发酵的实验研究

研究了玉米秸秆的稀酸水解性能,考察了底物浓度、反应温度、反应时间、硫酸浓度和秸秆粒径对水解得率和木糖得率的影响.在硫酸浓度为1.0%、水解温度126℃、水解时间1 h、底物浓度为50～80g/L情况下,玉米秸秆的水解得率为21.7%～24.6%,木糖得率为68.0%-77.1%.所得水解液主要成分为木糖和葡萄糖,经处理后可直接用于微生物的发酵培养.     

玉米秸秆生物法制取酒精的中间试验

建立了玉米秸秆采用蒸汽爆破预处理、纤维素酶水解和戊糖己糖同步发酵技术制取酒精的中间试验装置。玉米秸秆在1.6～2.0 MPa条件下蒸汽爆破预处理,在提高玉米秸秆对纤维素酶可及度的同时,玉米秸秆中纤维素、木聚糖和木质素损失分别为4.08%、40.02%和9.91%。里氏木霉以10%的原料制备纤维素酶,并用于降解剩余的90%的原料,滤纸酶活力和纤维素酶水解得率分别为2.27 FPIU/mL和71.3%。初始还原物浓度为43.65 g/L的水解糖液经树干毕赤酵母发酵16 h,还原物利用率和酒精得率分别为87.17%和0.43 g/g(酒精/消耗的糖)。     

LSM蛋白增强木糖发酵重组酵母抗逆性能的研究

木质纤维素原料预处理过程中产生的弱酸、呋喃醛类和酚类化合物等对酿酒酵母的乙醇发酵有抑制作用,提高基因重组酵母对抑制物的耐受性,是利用植物秸秆水解液生产燃料乙醇的关键技术之一。研究从前期构建的戊糖、己糖共发酵重组酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae ZU-E8基因组DNA中克隆出RNA结合蛋白LSM6,将其连入含有PADH启动子的质粒构成表达载体pR-LSM,进而转入ZU-E8宿主细胞中。通过高浓度醋酸根平板筛选,得到高抗逆性木糖发酵重组酵母ZU-910。在醋酸浓度为2 g·L-1的木糖培养基中发酵96 h后,ZU-910的木糖利用率和乙醇浓度为90.2%和26.9 g·L-1,分别是出发菌株ZU-E8的8.5和10倍,并且ZU-910对糠醛和硫酸根的耐受能力也较ZU-E8大大增强。在玉米秸秆酶解液发酵中,ZU-910的木糖利用率和乙醇产量在ZU-E8基础上增加了10.5%和7.7%.证明LSM6蛋白确实能够增强木糖发酵重组酵母的抗逆能力,提高其发酵性能。该研究成果在木质纤维素替代粮食生产乙醇的产业化进程中具有良好的应用前景。     

响应面优化木糖母液发酵产丁二酸

对产琥珀酸放线杆菌（Actinobacillus succinogenes）GXAS137发酵木糖母液产丁二酸的条件进行优化,探索利用废弃木糖母液合成高附加值丁二酸的可行性。首先通过Plackett-Burman实验设计确定影响丁二酸发酵的显著因子,然后采用最陡爬坡实验逼近各显著因子的最优区域,最后通过Box-Behnken实验设计确定各因子的最优水平。影响木糖母液发酵产丁二酸的显著因子及最优浓度分别为：木糖母液64.75g/L,玉米浆15.71g/L,碱式碳酸镁46.39g/L。在最优发酵培养条件下,丁二酸产量达到38.01g/L,比优化前提高了20.7%,与模型预测值（38.41g/L）基本一致。进一步利用2L发酵罐进行了放大试验,发酵72h丁二酸产量最高可达48.99g/L,较厌氧瓶发酵提高了28.9%,丁二酸得率为0.80g/g总糖。结果表明,采用低价的木糖母液作为底物,可为未来低成本、高效产业化生产丁二酸奠定坚实的基础。     

木糖发酵酒精代谢工程的研究进展

木糖发酵是生物转化木质纤维素产生酒精及其他化工产品最为重要的一环,但自然界中缺少能将上述生物质有效转化为乙醇的微生物菌种. 近年来,根据代谢工程原理,利用基因工程技术对酵母和细菌进行遗传改造,或将木糖代谢途径引入传统的酒精发酵菌酿酒酵母及高酒精产生菌运动发酵单胞菌中,从而拓展其底物利用范围;或使原本可以利用多种糖底物的细菌获得选择性产生酒精的能力,构建了各种不同类型的木糖发酵重组菌株. 虽然这些重组菌株在木糖转化酒精方面均显示出良好的应用前景,但仍存在诸多问题. 有必要在对木糖代谢调控机制深入系统研究的基础上,进一步改造现有菌株,并结合生化工程技术对重组菌株发酵条件进行优化,以实现高效生物转化木质纤维素原料制取乙醇. 本工作介绍了近年来代谢工程改造微生物菌种发酵木糖生产酒精的研究进展.     

纤维素水解液中木糖发酵制丁醇

对实验室菌种进行筛选后,得到一株能利用纤维素水解液木糖发酵生产丁醇的菌株。研究发现,该菌株不仅能利用水解液中的葡萄糖,还可以利用水解液中的木糖。对菌种生长特性探索,批式发酵中碳源、氮源以及CaCO3等条件优化后,得到最佳种子培养时间为20～24 h,并确定了木糖浓度为20 g/L的纤维素水解液用于15 L发酵罐实验,在37 ℃静置培养84 h,丁醇产量10.95 g/L,总溶剂16.78 g/L（丙酮、乙醇、丁醇三者之和）,木糖利用率达到70%以上,总溶剂转化率为39.4%。解决了纤维素水解液中木糖不能被利用而造成的经济损失问题。     

ORP调控对马克斯克鲁维酵母发酵纤维素水解液的影响

采用通气的方式进行氧化还原电位(oxidation-reduction potential,ORP)调控,研究在添加抑制物条件下Kluyveromyces marxianus 1727-5利用葡萄糖、木糖以及两者混合体系的发酵性能,在此基础上考察了ORP调控策略对玉米秸秆水解液发酵的影响。研究结果表明:在调控ORP策略下,多种混合抑制物对酵母生长代谢造成的损害得以有效改善,细胞活性高,木糖、葡萄糖代谢速率加快。葡萄糖与木糖共发酵时,ORP调控至-150 mV时,葡萄糖发酵时间缩短近30%,木糖醇浓度由3 g·L~(-1)增加到10 g·L~(-1)。ORP调控策略也同样能有效缓解玉米秸秆水解液中较高浓度的多种抑制物对酵母细胞的胁迫,ORP为-100 mV时,相比于对照组,在保持终点乙醇不变的情况下,葡萄糖的发酵时间缩短了22%;木糖消耗由4.88 g·L~(-1)增至10.27 g·L~(-1),木糖醇得率也由0.20 g·g~(-1)提高至0.48 g·g~(-1)。     

Direct ethanol production from rice straw by coculture with two high-performing fungi

To develop efficient and economical direct ethanol production from fine rice straw crashed mechanically, two high-performing fungi, which can secret hyperactive cellulases and/or ferment effectively various sugars, were selected from some strains belong to Mucor circinelloides preserved in our laboratory. The simultaneous saccharification and fermentation (SSF) by coculture with these fungi was investigated. The screening of high-performing fungi resulted in the selection of NBRC 4572 as an ethanol-producing fungus and NBRC 5398 as a cellulase-secreting fungus. The strain 4572 produced ethanol aerobically from glucose and xylose in high yields of 0.420 g/g at 36 h and 0.478 g/g at 60 h, respectively, but secreted fairly low cellulases. On the other hand, the strain 5398 also produced ethanol from glucose in yield of 0.340 g/g though it had a little growth in xylose culture. However, it secreted hyperactive cellulases that are essential for hydrolysis of rice straw in culture and the maximum activities of endo-β-glucanase and β-glucosidase were 2.11 U/L and 1.47 U/L, respectively. In SSF of rice straw by coculture with two fungi selected, the ethanol production reached 1.28 g/L after 96 h when the inoculation ratio of the strain 5398 to the strain 4572 was 9.     

缺失PHO13基因与进化工程构建高效利用木糖酵母

过表达了木糖还原酶、木糖醇脱氢酶和木酮糖激酶基因的重组工业酿酒酵母菌株KAM-6X内缺失了编码对硝基苯磷酸盐磷酸化酶的PHO13基因,接着通过EMS诱变和进化工程筛选,获得了一株高效利用木糖的菌株,命名为PE。有氧条件下,在含50 g/L木糖和100 g/L木糖的YPX中最大比生长速率分别为0.299和0.282 h^-1,分别比出发菌提高了95.43%和102.87%,同时PE菌株能在前24 h内耗掉36.12 g/L木糖,48 h内耗掉70.25 g/L木糖。微好氧条件下副产物产量降低,糖醇转化率最高达到0.382 g/g,证明PE是一株高效利用木糖发酵的工业酵母菌株。     

整合型酿酒酵母菌株强化发酵和特性比较

为了提高木糖异构酶基因在重组酿酒酵母体内的稳定性,并比较不同真菌来源的木糖异构酶在木糖或者葡萄糖-木糖培养基的发酵利用特性,分别构建来自Piromyces sp.E2和Orpinomyces sp.的木糖异构酶基因的整合表达载体,利用同源重组将其整合进入呼吸缺陷型菌株的18S rDNA非转录区,结果测得Orpinomyces的木糖异构酶酶活活力为0.72 U/mg,比Piromyces的木糖异构酶酶活高2.8倍。在木糖培养基中发酵获得乙醇的得率分别为0.40 g/g和0.48 g/g。且整合入Orpinomyces的木糖异构酶基因菌株能获得最高酶活和乙醇得率。     

不同非氧化磷酸戊糖途径基因的过表达对酿酒酵母木糖发酵性能的影响

以双拷贝过表达木糖代谢上游途径关键酶(木糖还原酶XR、木糖醇脱氢酶XDH和木酮糖激酶XKS)的酿酒酵母菌株为背景,在过表达非氧化磷酸戊糖(PP)途径中转醛酶基因TAL1的基础上,对途径中其他基因TKL1(转酮酶)、RPE1(核酮糖-5-磷酸差向异构酶)和RKI1(核酮糖-5-磷酸异构酶)进行了不同程度的过表达,以研究PP途径基因过表达对酿酒酵母木糖代谢的影响。在不同培养基条件下对重组菌株木糖代谢进行研究,结果显示,在过表达TAL1的基础上不同组合过表达PP途径其他基因不同程度改善了酿酒酵母木糖发酵性能,重组菌株能在36~48 h耗完质量分数(下同)为5%的木糖。其中,过表达PP途径全部基因比其他过表达基因组合表现出明显的优势,在8%木糖发酵条件下其乙醇产量达到了每1 g木糖0.337 g,较对照菌株提高了7.86%。这说明同步过表达PP途径基因更有利于酿酒酵母木糖发酵。     

木糖利用融合子D2的制备与乙醇发酵特性

以树干毕赤酵母（Pichia stipitis）1960（Ps1960）与酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）AADY（ScAADY）为亲本菌株,采用双亲灭活原生质体技术制备木糖利用融合子,并对其制备条件进行了优化。优化后的原生质体制备条件为Ps1960采用2%蜗牛酶和1%纤维素酶在28℃酶解45 min,20W紫外灯距离10 cm照射3 min灭活;ScAADY采用1.5%蜗牛酶和1%纤维素酶28℃酶解50 min,55℃水浴50 min灭活;均采用0.6 mol/L山梨醇为渗透压稳定剂。在该条件下,共得到22株融合子。通过测定各融合子在不同培养基条件下的生物量来评价其木糖代谢和乙醇耐受能力,最终获得能利用木糖高效发酵产乙醇、遗传性状稳定的融合子D2,并进行乙醇发酵条件优化。结果表明,在混合糖质量分数8%、木糖和葡萄糖质量比6：1、5%接种量、30℃、160 r/min、培养72 h条件下,融合子D2发酵产乙醇的产量为40.58 g/L。     

纤维素乙醇生产重组酿酒酵母菌株的构建与优化研究进展

寻找化石能源的替代品以及开发和利用生物能源已引起国内外研究者的广泛关注。提高酿酒酵母利用来源广泛、贮存丰富的农林废弃物等木质纤维素原料生产燃料乙醇的效率是生物能源的重要研究内容,但是,重组酿酒酵母木糖发酵性能低是限制纤维素乙醇经济性的关键问题。本文总结了酿酒酵母中木糖代谢途径的构建和优化以及木糖转运对木糖利用的影响,分析了重组酵母利用纤维素水解液进行乙醇发酵的研究现状,并对进一步提高重组酿酒酵母纤维素乙醇生产效率的研究趋势进行了展望。目前国内外已经构建了可有效利用木糖产乙醇的重组酵母,但对其木糖代谢机制的研究还尚未深入,限制了重组菌株的定向改造。此外,目前缺少在纤维素生物质水解液发酵实际应用过程中对重组菌株的评价。因此,加强重组酵母菌株对木糖利用相关代谢调控机理的分析,注重多种抑制物对菌株发酵性能的影响,结合真实底物纤维素乙醇发酵过程进行重组菌株的构建和优化,从而进一步提高纤维素乙醇生产的经济性,是未来菌株构建的重要研究方向。     

Optimization of fermentation condition for co-production of ethanol and 2,3-butanediol (2,3-BD) from hemicellolosic hydrolysates by Klebsiella oxytoca XF7

Microbial production of ethanol and 2,3-butanediol (2,3-BD) from agro-residues has been attracting interest because of their applications in various industries, including generation of biofuel molecules. In the present investigation, the hemicellulosic fraction of corncob was hydrolyzed by indigenous holocellulase from novel psychrotolerant Aspergillus niger SH3 resulting in high xylose release (34.61?g?L^?1), followed by the bioconversion of xylose to ethanol and 2,3-BD. Taguchi design was adopted to optimize the process which resulted in 5.25- and 3.31-fold increase in 2,3-BD (12.18?±?0.53?g?L^?1) and ethanol (4.08?±?0.03?g?L^?1), as compared with un-optimized condition. For the first time, co-production of ethanol and 2,3-BD from the corncob hemicellulosic hydrolysate was performed using a newly isolated Klebsiella oxytoca XF7 strain, under the optimized fermentation conditions. These results suggest that K. oxytoca XF7 is a promising candidate for co-production of ethanol and 2,3-BD, with high xylose conversion efficiency (96.65%), facilitating the economical production of biofuel molecules.     

ETHANOL FERMENTATION OF MIXED GLUCOSE AND XYLOSE BY PICHIA STIPITIS

Pichia stipitis CBS 5773 yeast cells were used to ferment the mixed substrates consisted of glucose andxylose to produce ethanol.The effects of aeration rate,initial substrate concentration and pH on substrateutilization and ethanol yield were evaluated.During batch fermentation,the oscillation phenomena in cell growthwere observed at low aeration rate,whereas the diauxic growth at high aeration rate.The substrate utilizationratio and ethanol yield reached 95％ and 0.46g/g respectively under appropriate operation conditions.Amodified unstructural model was proposed to simulate the diauxic cell growth,substrate consumption andproduct formation.     

Restructuring the processes for furfural and xylose production from sugarcane bagasse in a biorefinery concept for ethanol production

This study consisted in restructuring the processes for furfural and xylose production from sugarcane bagasse in a biorefinery concept for the residues utilization on ethanol production.The dilute acid hydrolysis conditions for furfural or xylose production were firstly established on laboratory scale and then reproduced on a 10-L bench reactor fed with direct steam. The furfural production was maximum when using a 1.25% (w/w on dry fiber) H₂SO₄ solution at 175 °C during 40 min; whereas the xylose production attained the best results when using a 1% (w/v) H₂SO₄ solution in a solid/liquid ratio of 1/4 (g/mL), and the sugarcane bagasse impregnated with the acid solution during 24 h prior to the hydrolysis reaction. Enzymatic hydrolysis of the residual solid material obtained from furfural or xylose production was performed with yields of 17.4 and 9.3 g glucose/100 g initial raw material, respectively. Subsequently, ethanol was produced from the residual solid materials obtained from furfural and xylose production with yields of 87.4% and 89.3% respectively, based on the maximum theoretical value (0.51 g ethanol per g glucose in hydrolysate). Such results demonstrated the possibility of restructuring the processes for furfural or xylose production to obtain solid residues able to be used as substrate for ethanol production by fermentation.