文档介绍：项目名称:
木质纤维素资源高效生物降解转化中的关键科学问题研究
首席科学家:
曲音波山东大学
起止年限:

依托部门:
教育部山东省科技厅
二、预期目标
总体目标:
提出3-5套新的木质纤维素类生物质生物转化液体燃料和化学品的生物炼制技术方案,培养一支高水平的基础研究和技术开发队伍,最终为在我国建立大规模利用木质纤维素资源转化液体燃料和大宗化学品的新型工业体系,实现社会经济可持续发展提供理论与技术基础。
五年预期目标:
1)通过阐述植物生物质抗生物降解的组成和结构特征,建立起改造纤维生物质组成和结构以提高降解效率的理论体系;解析预处理技术对提高纤维生物质降解性的结构基础,提出高效、经济和实用的预处理技术方案;
2)研究微生物对天然或预处理后底物的降解机理,特别是纤维素解聚机理、去结晶化途径以及提高纤维素酶的持续化降解能力的途径等,探讨采用现代系统生物技术,从复杂纤维质降解多酶体系中,筛选和发现新的高效、耐逆、适合工业要求的纤维质降解酶类;为降解不同的木质纤维素资源研制出低成本且高效的复合酶系;
3)选育适于转化纤维质糖分为平台化合物的微生物,研究其代谢调控机理与机制,指导构建高效代谢工程菌,研究定向转化平台化合物的过程及相关产品的利用途径;进而通过对预处理、产酶、酶解和发酵的反应动力学、工程学和方法论的研究,将预处理技术、生物反应与分离过程耦合起来,提出新的生物炼制技术方案。
4)从木质纤维素生物降解转化角度,构建纤维素降解和糖转化利用的数据库,其中包括木质纤维素原料组成与结构特征、纤维素降解微生物类群与特性、纤维素酶、半纤维素酶和木素酶及复合酶系,新型糖代谢的功能微生物等,建立专门的信息共享平台和网站,为实现大规模降解转化木质纤维素资源提供理论、技术和信息支撑。
五年的可考核指标:
提出2-3种新的高效、低能耗、少抑制物的预处理方案;
筛选到5-10种新的关键酶或非酶降解因子,构建出高效的纤维素降解酶系,使酶解转化率大于90%;
使吨乙醇用酶成本从2000元以上降到800元以下;
构建出能全糖共利用、表达纤维降解相关酶组分的统合生物加工工程菌株3-5株,发酵性能达到;
综合前述进展,设计出多技术集成、全组分利用、多产品选择、经济上有竞争力的木质纤维素生物炼制技术路线3-5条;
发表相关研究论文200篇以上,包括SCI影响因子超过5的论文5-10篇,总影响因子超过300;
三、研究方案
1)学术思路:
以研究植物木质纤维素类生物质对生物降解的抗性屏障及其破解之道为核心,深入研究微生物的多种多样的降解天然纤维的策略,探索人类干预生物降解过程,认识降解产物的复杂性,提高其降解转化效率,实现全部降解糖类的代谢转化,使之转而为人类可持续发展服务的可能途径。
该学术思想可以用下图简示:
物理化学措施
(预处理技术)
蒸汽爆碎
酸碱处理
有机溶剂
综合法预处理
植物的防御屏障
纤维素结晶结构
多种高分子聚集
细胞壁分层构造
生物学措施
新降解因子发现
酶分子设计改造
复合酶系的重构
微生物代谢工程
微生物的破解策略
单酶组分分解反应
游离复合多酶体系
多酶组分协同作用
固定多酶组合构造
生物之间协同作用
工程技术措施
单一过程优化
复合过程集成
综合评价标准
精炼方案设计
2)技术途径:
以植物有效防止微生物及酶降解的抗性屏障为切入点,从宏观(细胞)、微观(大分子)层次分析纳米级生物催化剂在降解过程效率低下的原因出发,
研究可能的物理化学预处理途径,使之有利于纳米级酶分子的作用(扩散、持续性降解与酶分子协同作用),同时,加强对微生物降解机理及其多样性、酶系组分协同作用及其合成调控机理的研究,对微生物酶分子和复合酶系进行定向进化或理性改造,加强对纤维降解糖类代谢网络的研究和代谢(进化)工程菌的构建研究,进而将一系列的工程技术手段集成起来,建立起高效的复合生物炼制转化系统。
总的技术途径可以用下图表示:
天然超分子结构分析
抗降解性研究
预处理样品结构分析
酶解过程构效关系
酶系重构研究
降解机理研究
代谢工程改造
代谢网络分析
糖化、发酵工程
技术研究
酶系合成调控研究
天然植物生物质
预处理的木质纤维素材料
纤维
水解糖
过程耦合集成
代谢工程菌株
纤维降解酶
非酶降解因子
高效降解
酶系
纤维素降解
微生物
发酵微生物
燃料与
化学品
3) 创新点与特色:
(1)提出木质纤维素的抗降解性是生物质难以高效转化的核心问题,从纳米尺度和生物降解角度来研究木质纤维素超分子结构;(2)深入研究生物质的微生物降解的多样性,寻找新的生物降