能源所在木質纖維素生物轉化領域提出新策略

　　木質纖維素生物質具有替代化石資源的巨大潛力，從而有效緩解了全球對原油的依賴。雖然目前國內外已有一些纖維素乙醇等木質纖維素產品問世，但與化石來源的產品相比，木質纖維素產品迄今為止大多仍不具備市場競爭力，因此亟需提高木質纖維素轉化技術的經濟性。木質纖維素轉化主要包括預處理、酶解糖化以及發酵三個步驟，其中糖化被認為是木質纖維素生物轉化可行性的決定性因素。為此，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員崔球帶領的代謝物組學研究組另辟蹊徑，提出了基于纖維小體全菌催化劑的木質纖維素“整合生物糖化”（簡稱CBS）策略，并在2月24日上線的綜述文章中系統闡述了該策略的研究現狀、技術優勢，以及未來需要解決的問題和方向[Liu, Y.-J., et al., 2020 Consolidated bio-saccharification: Leading lignocellulose bioconversion into the real world. Biotechnol Adv doi: 10.1016/j.biotechadv.2020.107535]，為木質纖維素生物轉化的工業化實現提供了技術指引。

　　與目前已知的其他木質纖維素生物轉化策略相比，CBS策略一方面采取類似于“整合生物加工（簡稱CBP）”的方式將酶的生產與水解步驟有機整合，因此與其他策略相比，在用酶成本方面具有優勢；另一方面將下游發酵步驟進行一定程度上的分立，并將可發酵糖用作下游發酵中的平臺化學品，與CBP相比具有顯著的產品出口靈活性（圖1）。該研究組研究人員前期已成功構建了高效的CBS全菌催化劑，優化了糖化過程以降低生產成本并縮短了過程，并且通過偶聯預處理工藝和下游應用技術初步建立了基于CBS工藝的整個木質纖維素生物轉化途徑，在實驗室小試水平完成了CBS工藝開發。

　　CBS工藝以可發酵糖作為產品，因此，使可發酵糖的生產成本低于淀粉糖成本，是將基于CBS工藝的木質纖維素生物轉化技術應用于實際工業生產的前提。為此，該論文中詳細討論了未來進一步提高CBS糖化效率和糖產量的研究方向以及在CBS生物催化劑和工藝的優化方面需要解決的關鍵問題，包括提高CBS全菌催化劑對預處理衍生的抑制物的耐受性、優化纖維小體中不同功能組分的活力平衡、研制新工藝和配套裝備提高糖化的傳質效率以提高底物載量、提高預處理方法和下游應用技術與CBS工藝的兼容性等（圖2）。

　　該研究組目前正在與企業合作將CBS工藝進行中試放大，解決中試放大過程中的工程技術問題，建立基于該工藝的工業示范系統，完成整套基于CBS工藝的木質纖維素生物轉化技術方案。通過研究人員的不懈努力，CBS工藝最終有望以具有經濟實用性和可持續性的方式將木質纖維素生物轉化帶入實際的工業應用中，從而極大地促進木質纖維素生物質資源的大規模應用。

　　代謝物組學研究組副研究員劉亞君為該論文第一作者，劉亞君、馮銀剛和崔球為該論文的通訊作者。該工作得到中科院戰略性先導專項、國家自然科學基金委、山東省自然科學基金委的資助。

圖1. 現有木質纖維素生物轉化技術比較

圖2. 整合生物糖化技術未來的研究方向和需要解決的關鍵問題