木質纖維素的生物分解及其轉化技術

木質纖維素的生物分解及其轉化技術第1頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述木質纖維素是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最為豐富的可再生資源，被視為非常有前景的生物質資源。第2頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月一、木質纖維素結構特點第3頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1、纖維素纖維素是由D-葡萄糖殘基以β-1,4-糖苷鍵相連而成的線性聚合物。目前普遍被人們接受的纖維素超分子結構理論是二相體系理論，即纖維素是由結晶區(qū)與非結晶區(qū)交錯連接形成的二相體系，其中還存在相當多的空隙。纖維素具有多形性，具體表現(xiàn)在纖維素的大小、形狀、結晶度及在微纖絲中晶體結構和非晶體的比例。第4頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2、半纖維素第5頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3、木質素第6頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月二、木質纖維素資源的生物轉化目前木質纖維素資源的生物轉化技術領域的研究主要集中在3個方面：具有纖維素分解能力的微生物資源的開發(fā)及利用；具有纖維素分解活性的酶的資源開發(fā)及利用研究；具有快速分解天然木質纖維素材料活性的纖維素分解菌復合系相關特性研究及應用。第7頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)分解木質纖維素的微生物一、木質纖維素分解菌株的特點木質纖維素分解菌株是指具有木質纖維素分解能力的菌株，其種類繁多，覆蓋細菌、真菌眾多種屬。第8頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）木質纖維素分解細菌的種類到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的具有纖維素分解能力的細菌就多達5個綱，10個目。第9頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）木質纖維素分解菌株的生長環(huán)境第11頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）纖維素分解菌株的細胞形態(tài)第12頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月二、純培養(yǎng)微生物分解纖維素的研究進展通常，科研人員在各種纖維素分解環(huán)境中獲得纖維素分解菌培養(yǎng)物，然后利用好氧、厭氧等純培養(yǎng)技術分離具有纖維素分解活性的單菌菌株。第15頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月三、純培養(yǎng)微生物分解纖維素的應用及存在問題在日常的生產(chǎn)中很少直接利用純培養(yǎng)的單菌進行木質纖維素的分解轉化，原因如下：生長周期長，轉化率低；轉化產(chǎn)物復雜第16頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)木質纖維素的酶解轉化技術一、木質纖維素的前處理技術在工業(yè)生產(chǎn)中，通常對木質纖維素材料進行處理，目的主要是破壞木質纖維素的致密結構，分解木質素、纖維素、半纖維素，以便進行下游工業(yè)生產(chǎn)。第17頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月一般來講，前處理盡量滿足以下幾個條件：提高酶水解的結合率；避免碳水化合物得降解和損失；避免產(chǎn)生對水解及發(fā)酵過程起抑制作用的副產(chǎn)物；性價比高。第18頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）物理法依靠物理方法，通過改變材料的物理結構，增加纖維素與酶接觸的表面積，提高酶的轉化效率。1、機械粉碎主要利用球磨、振動磨、輥筒等對纖維素原料進行粉碎處理。第19頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2、高能輻射利用γ射線、電子輻射等高能射線，破壞木質纖維素物質的聚合度以及纖維素的結晶結構。3、微波處理利用超聲波破壞木質纖維素結構。4、高溫分解纖維素原料在300℃高溫下，纖維素會迅速分解，產(chǎn)生氣體產(chǎn)物和焦狀殘渣，而在較低的溫度下，纖維素分解較慢且產(chǎn)生揮發(fā)性較弱的物質。第20頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）化學法化學法是使用酸、堿、有機溶劑等化學藥品處理木質纖維素的一種方法。1、酸處理硫酸和鹽酸等濃酸均可用于處理木質素原料，但由于其存在腐蝕性，要求反應器具有抗腐蝕能力，同時，為使生產(chǎn)過程具有經(jīng)濟可行性，處理后的濃酸必須進行回收。第21頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2、堿處理堿處理的機制是通過堿的作用來削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵及皂化半纖維素和木質素之間的酯鍵。堿處理后的木質纖維素具有更多的孔性，因此，件處理后基質更適合生物轉化。第22頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3、氨處理氨處理是將木質纖維素材料在質量分數(shù)10%左右的氨溶液中浸泡24-48h，以脫除原料中大部分木質素的方法。第23頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月4、其他化學方法有機溶劑法：有機溶劑或者有機溶劑與無機酸催化劑的混合溶液可破壞木質纖維素原料內部的木質素和半纖維素之間的連接鍵。臭氧分解：臭氧可分解木質素和半纖維素。第24頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）物理-化學法1、蒸汽爆破法將原料和水或水蒸氣等在高溫、高壓下處理一定時間后，立即降至常溫、常壓，通過壓力的瞬間變化，深入木質纖維素中的水以氣流的方式從封閉的孔隙中釋放出來，使纖維發(fā)生一定機械斷裂。同時，高溫、高壓加速纖維素內部氫鍵的破壞，纖維素內的有序結構發(fā)生變化，增加了纖維素的吸水能力。第25頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2、氨爆破處理氨爆破處理可在較低的溫度和壓力下對木質纖維素材料進行爆破。在爆破過程中，氨能與纖維素上的部分羥基形成細胞-OHNH3形式的絡合物，從而使纖維素發(fā)生膨脹、破碎。第26頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3、濕氧化法濕氧化法是在加溫、加壓條件下水和氧氣共同參加的反應。濕氧化法通常加入一定比例的NaCO3，可引起纖維素膨脹，形成了堿化纖維素，但能保持原來的骨架。同時NaCO3的加入可緩和纖維素的膨脹效應，防止纖維素破壞，使木質素和半纖維素溶解于堿液中。第27頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）生物法生物法是利用能夠分解半纖維素或木質素的微生物除去木質纖維素的部分成分，破壞木質纖維素的結構。第28頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月二、纖維素酶解研究進展纖維素酶是一組可以水解纖維素的酶的總稱，屬于糖苷水解酶家族。通常所說的纖維素酶主要含有3種成分：（1）內切葡聚糖酶（2）外切葡聚糖酶（3）β-葡萄糖苷酶第29頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）真菌纖維素酶的特性Wood等在1972年分離鑒定了C1酶，認為C1酶是一種水解酶，它不易作用于羧甲基纖維素，而能作用于結晶纖維素、磷酸膨脹纖維素等，主要產(chǎn)物是纖維二糖，并證明C1酶是一種β-葡聚糖-纖維二糖水解酶。第30頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月Tilbeurgh在1986年用木瓜蛋白酶有限酶切CBHI酶，得到具有兩個獨立活性的片段：一個是只能水解可溶性纖維素、微弱吸附但不能夠水解不溶性纖維素的催化域（CD）；另一個是纖維素結合（吸附）區(qū)。第31頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1990年Sinnott發(fā)現(xiàn)纖維素酶具有與溶菌酶形似的作用機制。纖維素酶的組分中存在多種同工酶。第33頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）纖維素的酶降解原理1、纖維素酶的協(xié)同作用機制天然纖維素水解成葡萄糖的過程中，必須依靠3中纖維素酶的協(xié)同作用才能完成。協(xié)同作用是指微生物降解纖維是內切酶、外切酶和葡萄糖苷酶之間和內部的密切配合，進行纖維素的分解。第35頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月在內切酶與外切酶作用于纖維素的次序方面一直存在爭議：一種觀點認為EG先從纖維素分子內部隨機分解纖維素分子的β-1,4-糖苷鍵，產(chǎn)生非還原性末端后，CBH結合上去，從非還原性端水解產(chǎn)生纖維二糖，纖維二糖再被CB降解成葡萄糖。另一種觀點認為首先是由外切型葡聚糖酶水解水溶性纖維素，生成可溶性的纖維糊精和纖維二糖，然后由內切型葡聚糖作用于纖維糊精，生產(chǎn)纖維二糖，再由CB組分將纖維二糖分解成2個葡萄糖。第37頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月Moloney還認為纖維素酶的協(xié)同作用一般與酶解低溫的結晶度成正比，并且不同菌源的內切酶和外切酶之間也具有協(xié)同性。纖維素酶降解纖維素的最初階段有纖維素脫纖化和分散化的現(xiàn)象，這種作用是沿著纖維素的經(jīng)度軸方向分層形成更薄細的亞纖維引起的。第39頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2、纖維素酶水解的產(chǎn)物抑制纖維分解菌類只有生長在纖維性基質上時才能大量合成纖維素酶?；碧?、龍膽二糖、山梨糖等二糖，是纖維素酶合成的誘導物。纖維二糖在較低濃度可誘導外切纖維素酶的合成，在較高的濃度下對纖維素酶的合成產(chǎn)生阻遏作用。葡萄糖對纖維素酶的合成具阻遏作用。第40頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3、纖維素酶的氧化降解纖維素酶解的限速步驟是結晶纖維素分子難以進入纖維素酶的活性位點，纖維素結晶區(qū)結構的破壞是天然纖維素降解的關鍵。降解基質是在研究褐腐菌降解木材時發(fā)現(xiàn)的。第41頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月4、纖維二糖脫氫酶途徑Eriksson發(fā)現(xiàn)纖維素的生物降解有氧化酶的參與，隨后纖維二糖脫氫酶在白腐菌、褐腐菌、軟腐菌中都有發(fā)現(xiàn)。CDH可以氧化纖維二糖形成纖維二糖內酯，解除纖維二糖對纖維素酶的反饋抑制。第42頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5、真菌的纖維素降解模式纖維素的酶解是纖維素聚合物分子鏈的解聚過程以及糖苷鍵的水解過程。前者為纖維素酶分子對纖維素表面的吸附，致使分子鏈間氫鍵斷裂和基原纖維的分離，纖維素的結構改變。后一過程水解基原纖維的糖苷鍵，使其斷裂，形成可溶性糖類，對解鏈也有協(xié)同促進作用。第43頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）細菌纖維素酶的特性細菌纖維素酶不同于真菌纖維素酶。多數(shù)的具有纖維素分解能力的細菌胞外都會形成一個多酶復合體系。多酶復合體系利用多個不同類型的整合蛋白將內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、甚至木聚糖酶等半纖維素水解酶類整合到一起，鏈接在細胞表面。第44頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月三、纖維素的酶解、糖化技術現(xiàn)狀目前，用于生產(chǎn)纖維素酶的微生物大多屬于真菌。第47頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月四、酶的混合增效及混合酶的應用自然界中不僅微生物之間存在協(xié)同效應，當多酶進行混合時同樣存在協(xié)同效應，并且已證明很多多酶混合系統(tǒng)顯著提高了整體的分解功能，已在商品纖維素酶中應用。第48頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)微生物復合系及纖維素快速分解目前，人們已開發(fā)出多種針對木質纖維素物質能源轉化的技術，其主要途徑是對木質纖維素物質進行糖化，然后利用生物方法將糖化產(chǎn)物轉化為能源物質或化工原料。在秸稈的生物分解領域，目前已發(fā)現(xiàn)利用菌群可獲得相對較好的快速分解效果。第49頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月一、纖維素分解微生物復合系及纖維素快速分解（一）多菌協(xié)作促進秸稈快速分解的原理纖維素分解菌復合系通常由多種不同種屬的微生物構成，其內既有纖維素分解菌株也有非纖維素分解菌株。第50頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月纖維素分解菌株分解木質纖維素的能力和菌種間的協(xié)同作用決定復合系對秸稈纖維素的分解能力。非纖維素分解菌株的存在，不僅能夠向一些纖維素分解菌株提供良好的生長環(huán)境，而且在菌株代謝的作用下，能夠消除一些纖維素分解菌株的生長抑制物質，或者產(chǎn)生促進纖維素分解菌株分解纖維素能力或生物量的物質。此外，纖維素分解菌復合系內構成菌株的多樣性，使復合系能夠保持良好的菌群結構穩(wěn)定性。第51頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）MC1的構建及纖維素快速分解MC1是秸稈纖維素分解菌復合系的典型代表。MC1的構建過程為：以處于高溫發(fā)酵期的堆肥樣品為菌源，用PCS培養(yǎng)基，在50℃下長期定向馴化培養(yǎng)，馴化過程中始終以高溫為限制培養(yǎng)條件，以纖維素分解作為篩選指標，保留高分解力培養(yǎng)體系，淘汰弱分解力培養(yǎng)物，經(jīng)過多世代的培養(yǎng)而獲得菌系結構穩(wěn)定、纖維素分解能力強的培養(yǎng)物。第52頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第53頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月MC1是多菌共生的菌群，水稻秸稈中的木質纖維素在經(jīng)由菌群中的纖維素分解菌分解后，其產(chǎn)物再經(jīng)其他菌株的代謝轉化，最終產(chǎn)物多以有機酸為主，因此，MC1分解水稻秸稈后可檢測到甲醇、乙醇、乙酸、丁酸、乳酸、乙酸乙酯等產(chǎn)物。第54頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月二、纖維素分解菌復合系的應用及存在的問題不同的菌群在分解能力及對秸稈中纖維素和半纖維素的分解能力等方面存在差別，但所有菌群都表現(xiàn)出相對于單一菌的快速分解木質纖維素材料的現(xiàn)象。第55頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）秸稈分解、糖