纤维素酶高效水解与吸附回收的关键底物特性研究

如何有针对性改变木质纤维素结构，使纤维素酶高效水解底物并实现自身的吸附回收，是纤维素乙醇工业化生产的关键经济和技术问题。本项目旨在明确影响纤维素酶高效水解和吸附回收的关键底物特性，组合色谱、光谱、波谱分析技术，定量描述木质纤维素的多尺度结构（分子内/间氢键破坏程度、三大组分聚合度、酶可及内/外表面积等）；考察各种预处理中木质纤维素多尺度结构动态演变规律，分析不同尺度间结构变化的相互影响；构建木质纤维素水解动力学，探讨不同底物组分释放的相互促进规律；考察各种底物结构对纤维素酶吸附的影响，探讨不同纤维素酶在固液两相中的分配规律；基于主成份分析和偏最小二乘回归，筛选出影响纤维素酶水解和回收的关键底物特性，明确预处理的主攻目标，揭示纤维素酶与底物之间的相互作用机理。研究成果将为木质纤维素新型预处理的工艺设计、纤维素酶高效水解和有效回收提供实验方法和理论依据，促进纤维素乙醇基础研究和推进其开发利用。

将木质纤维素（地球上最丰富的可再生资源）转化为生物燃料和生物基化学品，可显著降低化石燃料依赖度，并减少不可再生资源的消耗和环境污染。针对纤维素乙醇生产过程的两大关键瓶颈（纤维素酶解效率低、纤维素酶成本高），本项目旨在明确影响纤维素酶高效水解和吸附回收的关键底物特性。1）多尺度分析：组合色谱、光谱、波谱技术，定量描述木质纤维素的多尺度结构（分子内/间氢键破坏程度、三大组分聚合度、酶可及内/外表面积等），考察各种预处理和酶促水解后木质纤维素多尺度结构动态演变规律；2）酶解限制因素筛选：基于主成份分析和偏最小二乘回归，筛选出影响纤维素酶水解和回收的关键底物特性，明确预处理的主攻目标；3）纤维素酶解规律和反应机理：利用SEC-MALLS技术，全程跟踪木质纤维素酶解过程分子量变化，纤维素遵循层层剪切的规律，而半纤维素组分在酶解全过程均始终与纤维素组分相互缠绕，相互影响酶解效率；4）纤维素酶吸附调控规律：通过pH原位调控方案，建立了纤维素酶可控吸附方案，并建立了纤维素酶的吸附动力学和平衡；5）酶膜耦合强化纤维素酶解：设计了平板式酶膜耦合反应器，提高纤维素转化率和降低用酶成本，采用补料策略可显著提高纤维素酶使用效率；6）耦合发酵强化纤维素酶解：通过分批补料和菌种改造，建立了木质纤维素高效同步糖化发酵和共发酵的工艺；7）同步糖化发酵后纤维素酶吸附回收：在同步糖化发酵之后，建立了纤维素酶吸附回收工艺，优化了各种操作条件，减少了50%的酶用量。项目研究成果为纤维素酶高效水解和有效回收提供实验方法和理论依据，促进纤维素乙醇基础研究和推进其开发利用。通过本项目研究，共申请中国发明专利2项，发表学术论文15篇，其中SCI文章11篇，SCI引用58次。