III型纤维素高固含量酶解的独特性及其机理研究
批准号:
22078160
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
金明杰
依托单位:
学科分类:
生物化工与合成生物工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
金明杰
中文摘要
高效的高固含量酶解是木质纤维素生物炼制大规模工业化的前提。然而,木质纤维素酶解转化率随着固含量的增加而直线下降,从而导致高固含量酶解成为生物炼制的一大难题。高固含量酶解转化率的下降主要是由酶解产物和预处理降解物浓度增大导致的抑制作用加大而引起。III型纤维素酶解的独特性:低酶吸附量却展现出2-5倍于I型纤维素的酶解效率、高固酶解转化率降低及受抑制程度远小于I型纤维素,使得其成为破解高固含量酶解难题的契机。本课题拟以III型纤维素高固酶解为研究对象,以I型纤维素高固酶解为参照,通过研究高固酶解过程中纯化的核心纤维素酶在纤维素上的动态吸附、活性变化及受各因素抑制特征,并通过机理模型辅助,解析III型纤维素高固酶解的机理,进而研发基于III型纤维素的木质纤维素原料的高固酶解技术,从而为解决木质纤维素高固酶解转化率低下这一难题提供新思路。
英文摘要
Efficient enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass at high solid loading is a prerequisite for industrialization of lignocellulosic biorefinery. However, the conversion of enzymatic hydrolysis linearly decreases with increasing solid loading. Therefore, enzymatic hydrolysis at high solid loading becomes a bottleneck for a biorefinery. The main causes for decreased conversion of enzymatic hydrolysis at high solid loading are increased inhibitions from hydrolysis products and degradation products generated during pretreatment. The uniqueness of cellulose III enzymatic hydrolysis, which include low enzyme absorption but 2-5 times higher hydrolysis efficiency compared to cellulose I and much smaller conversion reduction at high solid loading and much lower inhibition rate by inhibitors, renders it a good opportunity to resolve the bottleneck of enzymatic hydrolysis at high solid loading. This project will study the enzymatic hydrolysis of cellulose III at high solid loading with using cellulose I as the control. The dynamic absorption behavior of core cellulases on cellulose during high solid loading hydrolysis, the changes of cellulase activities, and the inhibition from various factors will be studied. A mechanistic kinetic model will be developed and used together with experimental results to interpret the mechanism of enzymatic hydrolysis of cellulose III at high solid loading. Technology for high solid loading enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass will then be developed based on cellulose III to resolve the issue of low conversion.
高效的高固含量酶解是木质纤维素生物炼制大规模工业化的前提。然而,木质纤维素酶解转化率随着固含量的增加而直线下降,从而导致高固含量酶解成为生物炼制的一大难题。高固含量酶解转化率的下降主要是由酶解产物和预处理降解物浓度增大导致的抑制作用加大而引起。本项目以I型和III型纤维素高固酶解为研究对象,系统研究了高固酶解过程中核心纤维素酶在纤维素上的动态吸附、活性变化及受各因素抑制特征。结果表明,与I型纤维素相比,Ⅲ型纤维素在高固酶解及特定抑制物存在情况下均具有显著优势,其中外切葡聚糖酶(CBHI)的碳水化合物结合模块(CBM)对Ⅲ型纤维素酶解优势有显著影响。在此基础上,进一步研究了预处理降解物(酚类物质)对CBHI在不同类型纤维素上的吸附特性、生产性结合以及连续催化能力的影响。结合实验获得的CBHI动力学数据与建立的数学模型,系统解析了酚类物质对CBHI酶解过程及其限速步骤的调控作用。研究结果表明,酚类物质会增加CBHI与纤维素底物的非生产性吸附率,但同时提升其与纤维素的结合亲和力,增强其在纤维素表面的连续催化能力,降低结合速率和解离速率。模型分析表明,酚类物质作用下,CBHI在纤维素表面的解离速率为限制酶解效率的关键步骤。最后,基于高固预处理酶解反应模型,在不同固含量下进行酶解和同步糖化共发酵研究,设计开发了更高效的木质纤维素高固含量酶解技术,有效的缓解酶解产物和预处理降解产物的抑制作用。本研究通过解析纤维素高固酶解机理和开发高效酶解技术,深入揭示了纤维素酶与底物的相互作用规律及抑制机制,不仅为木质纤维素资源的高效转化提供了理论依据和新思路,还为推进生物炼制的产业化奠定了坚实基础。
高底物浓度木质纤维素快速酶解发酵(RaBIT)技术的基础研究
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批准号:21606132
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:21.0万元
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批准年份:2016
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负责人:金明杰
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依托单位:
国内基金
海外基金