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1用生物乙醇推动工业生物技术发展1

1.1导言1

1.1.1工业生物技术1

1.2市场驱动力6

1.2.1原材料驱动：石油经济6

1.2.2运输燃料替代品——生物乙醇8

1.2.3满足生物乙醇的需求10

1.3工业系统生物学：X-组学11

1.3.1基因组学13

1.3.2转录组学15

1.3.3蛋白质组学17

1.3.4代谢物组学19

1.3.5代谢通量组学20

1.3.6工业系统生物学和生物乙醇22

1.4展望23

致谢24

参考文献25

2高效生物乙醇生产中的木质纤维原料预处理30

2.1导言30

2.2对预处理的评估32

2.3预处理方法34

2.3.1物理法35

2.3.2化学法35

2.3.3物理化学法36

2.3.4生物法37

2.4预处理研究进展37

2.4.1玉米秸秆38

2.4.2针叶木材料42

2.4.3两段预处理44

2.5结论46

参考文献46

3原料预处理是木质纤维材料高效酶解的关键50

3.1背景50

3.1.1预处理工艺概述51

3.1.2生物质的蒸汽预处理53

3.2蒸汽预处理后木材原料的性质54

3.3原料中的木质素56

3.3.1预处理对木质素含量的影响56

3.3.2木质素对酶水解的影响57

3.4原料中的半纤维素59

3.4.1预处理对半纤维素含量的影响60

3.4.2半纤维素含量对水解的影响61

3.5影响纤维素酶水解效果的原料物理性质62

3.5.1比表面积63

3.5.2纤维素的结晶度和聚合度64

3.6结论65

参考文献66

4开发生物质转化用酶的进展与挑战71

4.1导言71

4.2木质纤维素生物质转化为乙醇过程的综述72

4.2.1得率损失和成本最小化73

4.3工艺过程对酶用量及成本的影响75

4.3.1底物选择对酶的成本的影响75

4.3.2预处理方式的影响76

4.3.3工艺整合对酶性质的要求77

4.4酶的发现：催化效率和生产率79

4.4.1瑞氏木霉纤维素酶：目前的工业标准79

4.4.2对协同作用的研究80

4.5经济地生产酶86

4.5.1去掉酶提取过程88

4.6结论89

致谢89

参考文献89

5木质纤维素水解中的热稳定酶92

5.1导言92

5.2纤维素的酶解93

5.3热稳定纤维素酶94

5.4工艺过程概念96

5.5新型嗜热酶的评价：材料和方法97

5.5.1酶97

5.5.2底物98

5.5.3瑞氏木霉纤维素酶在高温下的酶解性质98

5.5.4嗜热混合酶的酶解性质98

5.5.5化学分析99

5.6嗜热酶混合物的组成99

5.7商品真菌酶制剂在高温下的行为99

5.8新型热稳定酶混合物评价100

5.9热稳定酶在低温下的行为103

5.10讨论104

致谢106

参考文献106

6酿酒酵母的戊糖利用代谢工程112

6.1导言112

6.2木糖118

6.2.1木糖的代谢途径119

6.2.2在酿酒酵母中表达XI119

6.2.3酿酒酵母中表达XR和XDH120

6.3阿拉伯糖120

6.3.1阿拉伯糖代谢途径120

6.3.2酿酒酵母的阿拉伯糖代谢工程122

6.4通过戊糖代谢酿酒酵母改进酒精发酵122

6.4.1糖的转运123

6.4.2改进木糖向木酮糖的转化124

6.4.3木酮糖激酶125

6.4.4磷酸戊糖途径125

6.4.5细胞氧化还原代谢工程126

6.4.6糖酵解代谢流通量128

6.4.7其他遗传修饰128

6.4.8随机方法128

6.5工业戊糖发酵菌株129

6.5.1对抑制物的耐受性129

6.5.2菌株稳定性129

6.5.3水解产物的发酵130

6.6总结与前景130

致谢130

参考文献131

7以木糖异构酶为关键成分进行酿酒酵母高效木糖发酵136

7.1引言136

7.1.1酿酒酵母和木质纤维素水解物的发酵136

7.1.2外源木糖还原酶和木糖醇脱氢酶基因的引入：氧化还原限制137

7.1.3酿酒酵母中内源性的木糖代谢酶140

7.1.4通过木糖异构酶实现木糖到木酮糖的一步转化141

7.2木糖异构酶：特性和分布141

7.3木糖异构酶在酿酒酵母中的表达：一条漫长又曲折的道路143

7.4高水平功能表达真菌木糖异构酶的酵母菌株的特性144

7.5为改进基于木糖异构酶的木糖利用而进行的代谢工程145

7.6为改进基于木糖异构酶的木糖利用而进行的进化工程147

7.6.1提高利用木糖的酿酒酵母菌株对混合底物利用的进化工程147

7.6.2仅包含真菌木糖异构酶的酿酒酵母的进化工程149

7.7面向工业化应用：表达木糖异构酶酿酒酵母的发酵试验150

7.7.1从实验室到实际环境：菌株和培养基150

7.7.2小麦秸秆水解物的分批发酵150

7.7.3 玉米秸秆水解物的补料分批发酵151

7.8展望152

参考文献153

8利用酿酒酵母进行统合生物加工生产乙醇156

8.1导言156

8.2作为统合生物加工载体的酿酒酵母158

8.3用于糖类发酵的酿酒酵母工程菌159

8.4纤维素酶在酿酒酵母中的表达161

8.5半纤维素酶在酿酒酵母中的表达166

8.6选育CBP酵母菌株的筛选方法170

8.7不同酶活力在单个CBP酵母中的整合及向工业菌株的转化173

参考文献174

9产乙醇细菌的构建181

9.1导言181

9.2产乙醇大肠杆菌的工程改造及其功能183

9.2.1产乙醇生物催化剂KO1 1与LY01183

9.2.2产乙醇的生物催化剂，菌株LY168186

9.2.3其他产乙醇的重组大肠杆菌187

9.2.4非重组的产乙醇大肠杆菌188

9.2.5大肠杆菌外其他生物的乙醇产生188

9.3乙醇产生过程中代谢及转录组的变化189

9.3.1赋予LY01对乙醇抗性的生理差异189

9.4乙醇生产面临的挑战190

9.4.1成本低廉的生长培养基190

9.4.2无机盐培养基中渗透压对功能的限制190

9.4.3半纤维素水解产物包含抑制物191

9.4.4减少对真菌纤维素酶的需求192

9.5产乙醇设计方案在其他大宗化学品中的应用192

9.5.1光学纯D（—）-乳酸和L（＋）-乳酸193

9.5.2乙酸和丙酮酸193

9.5.3木糖醇194

9.5.4琥珀酸195

9.5.5L-丙氨酸195

9.6总结196

参考文献197

10用运动发酵单胞菌生产燃料乙醇和高附加值产品202

10.1导言202

10.2运动发酵单胞菌重组菌株的构建203

10.2.1通过表达单一异源基因来扩展底物利用范围203

10.2.2构建能够利用五碳糖的菌株204

10.2.3利用NMR分析重组菌株的代谢特征205

10.2.4重组菌株的动力学特征206

10.2.5动力学模型的构建210

10.2.6木质纤维素水解液中抑制物的影响210

10.2.7应用于工业原料211

10.3运动发酵单胞菌的基因组序列213

10.4应用于高附加值产品213

10.4.1代谢物和相关产品213

10.4.2用于有机酸和TCA循环中间产物的代谢工程214

10.4.3基于酶的生物转化214

10.5讨论和总结217

参考文献219

11乙醇和其他生物燃料的联产222

11.1导言222

11.2产氢223

11.3产甲烷223

11.4用燃料最大化概念生产生物燃料224

11.4.1预处理226

11.4.2水解227

11.4.3分离227

11.4.4发酵227

11.4.5废水处理228

11.4.6生物／催化精炼229

11.4.7传统炼油和生物／催化精炼的整合230

11.5结论231

参考文献231

12生物乙醇生产的过程工程经济学233

12.1导言233

12.2流程图237

12.2.1木质纤维性材料生产乙醇的模拟238

12.3过程经济学238

12.3.1各种参数对能耗和生产成本的影响243

12.3.2木质纤维素与淀粉的比较247

12.3.3与其他工厂同地建设249

12.4结论249

参考文献250

13支持生物燃料生产的政策选择252

13.1导言252

13.2生物燃料的生产253

13.2.1巴西254

13.2.2美国256

13.2.3欧盟257

13.2.4其他生物燃料生产国261

13.3美国的直接投资计划262

13.4美国的免税政策265

13.5政治目标和生物乙醇相关政策268

13.6结论269

致谢270

参考文献271

索引275