Sequential catalytic lignin valorization and bioethanol production: an integrated biorefinery strategy
- 作者
- Yilu Wu, Changsheng Su, Zicheng Liao, Gege Zhang, Yongjie Jiang, Yankun Wang, Changwei Zhang, Di Cai, Peiyong Qin, Tianwei Tan
- 单位
- National Energy R&D Center for Biorefinery, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, People's Republic of China; College of Life Science and Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, People's Republic of China; School of International Education, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, People's Republic of China
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2024）
- DOI
- 10.1186/s13068-024-02459-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何将木质纤维素生物质中木质素和碳水化合物组分顺序高效转化，同时生产木质素油和生物乙醇，以提升生物炼制的经济可行性。
研究策略
将还原催化分馏（RCF）与生物乙醇发酵级联：以Raney Ni为催化剂、2-丙醇为氢供体和溶剂，在RCF阶段将杨木锯末中木质素解聚为木质素油，获得高碳水化合物保留率的纸浆；纸浆经酶解糖化后，利用工程酿酒酵母YL23-1发酵生产生物乙醇。
核心内容
本研究构建了还原催化分馏（RCF）与生物乙醇发酵串联的集成生物炼制流程，以实现杨木锯末中木质素与碳水化合物的顺序高值化利用。在RCF阶段以Raney Ni为催化剂、2-丙醇为氢供体和溶剂，系统考察了2-丙醇/水比例对木质素油组成及纸浆性能的影响。当比例为7:3时，脱木质素率达67.48%，单木质素产率20.65%，纸浆碳水化合物保留量57.96 wt%。所得纸浆经酶解糖化后，利用同时表达木糖还原酶/木糖醇脱氢酶通路及木糖转运蛋白的工程酿酒酵母YL23-1发酵，5:5组获得最高乙醇浓度25.49 g/L，产率0.423 g/g；工程菌在40 g/L木糖培养基中72小时产乙醇14.77 g/L。质量平衡显示，1000 g杨木锯末可联产206.5 g木质素油（含35.5 g木质素单体）和104.4 g生物乙醇。该策略在不额外添加营养盐条件下实现了较高浓度乙醇生产，为木质纤维素三大组分协同利用及第二代生物乙醇的经济可行生产提供了有效路径。
创新点
['构建了RCF-发酵串联的集成生物炼制流程，实现木质素和碳水化合物的顺序增值利用。', '系统研究了2-丙醇比例对木质素油组成、纸浆性能及后续乙醇发酵的影响。', '构建了同时表达木糖还原酶/木糖醇脱氢酶通路及木糖转运蛋白的工程酿酒酵母YL23-1，实现葡萄糖和木糖高效共利用。', '在未额外添加营养盐的条件下，利用RCF纸浆酶解液实现了较高浓度乙醇生产。', '从1000 g杨木锯末可联产206.5 g木质素油和104.4 g生物乙醇。']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae YL23-1 | 木糖同化与乙醇发酵 | mXR-XDH pathway (XR, XDH, XK) | 木糖还原酶(XR)、木糖醇脱氢酶(XDH)、木酮糖激酶(XK) | 催化 | 异源表达真菌来源的木糖还原酶-木糖醇脱氢酶系统，实现木糖向乙醇的转化。 |
| Saccharomyces cerevisiae YL23-1 | 木糖转运 | XUT4, XUT6 | 高亲和木糖转运蛋白 | 转运 | 来自Scheffersomyces stipitis，经密码子优化并整合至基因组，增强木糖跨膜转运。 |
| Saccharomyces cerevisiae M3013 | — | — | — | — | 亲本菌株，用于遗传操作获得YL23-1。 |
| — | 纤维素糖化 | — | 纤维素酶(Ctec2) | 催化 | 商业纤维素酶制剂，用于RCF纸浆酶解产可发酵糖。 |
关键发现
- 当2-PrOH:H2O=7:3时，RCF实现67.48±0.44%的脱木质素率和20.65±0.31%的单木质素产率，纸浆碳水化合物保留量为57.96±2.78 wt%
- 该纸浆酶解液经工程菌YL23-1发酵产生21.61±0.62 g/L乙醇，产率0.429±0.010 g/g
- 而5:5组获得最高乙醇浓度25.49±1.02 g/L，产率0.423±0.017 g/g
- YL23-1在40 g/L木糖合成培养基中72 h产乙醇14.77±0.60 g/L
- 质量平衡表明1000 g杨木锯末可生产104.4 g乙醇和206.5 g木质素油（含35.5 g木质素单体）。
研究结论
杨木锯末通过还原催化分馏与发酵串联可有效转化为木质素油和生物乙醇；2-丙醇比例显著影响产物分配，最优条件下可从1 kg原料共生产206.5 g木质素油和104.4 g乙醇，为第二代生物乙醇生产提供了经济可行的方法，实现纤维素、半纤维素和木质素三大组分的高值化利用。