利用木质纤维素类生物质发酵生产乙醇重组菌株研究进展
纤维素质原料生产乙醇的研究现状
2010年第4期0引言随着人们对环境问题认识的加深，以及对所面临能源危机现状的忧虑，清洁、可再生的新能源———生物乙醇，受到了越来越多的关注。
以植物生物质为原料，生产生物乙醇已成为主要的研究方向，它满足了绿色环保、可持续发展的要求。
植物生物质主要包括：木材、农作物秸秆、林业加工废料和废弃纸品等[1]。
利用纤维素质原料生产生物乙醇具有以下优势：清洁环保，不污染环境；生产成本低；原料来源广，且可再生。
木质纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资源[17]，全世界每年通过光合作用产生的木质纤维生物质高达1000×108t ，其中89%尚未被人类利用[32]。
我国是一个农业大国，各类农作物纤维质资源十分丰富，仅秸秆一项每年的产量就达7×108t 以上，其中玉米秸（35%）、小麦秸（21%）和稻草（19%）是我国的三大秸秆资源，林业副产品、城市垃圾和工业废物的数量也很可观，这些资源一直没有得到合理开发利用[31]，由于秸秆燃烧的能量利用率低，被当作燃料直接燃烧，也造成了资源严重浪费。
综合利用纤维素质原料受到了各国政府以及世界环保组织的热切关注，特别是环境问题越来越突出的现实，也让人们看到了利用纤维素质原料生产生物乙醇的巨大潜力。
1原料的主要组成纤维素质物质的主要成分为：纤维素、半纤维素、木质素等，不同原料中各成分的含量不同。
生物质中各类纤维素含量见表1[2-3]。
纤维素是β-D 葡萄糖基1,4-糖苷键联结而成的线性高分子化合物。
据戈林（J.Go ring ）等人研究，在纤维素细胞的次生壁中，微细纤维、木质素、半纤维素3种组分均呈不连续的层状结构，彼此粘结又互相间断。
微细纤维是构成细胞壁的骨架，木质素、半纤维素则是微细纤维之间的填充剂和黏结剂。
纤维素收稿日期：2009-12-05基金项目：河南省杰出人才创新基金资助项目（0621000900）。
作者简介：王罗琳（1985-），女，河南人，在读硕士，研究方向：生物质乙醇发酵。
木质纤维素原料生物转化生产纤维素乙醇过程的关键技术研究
在最新的研究中，研究者们通过优化蒸汽爆破参数，如温度、压力和时间等， 实现了更高效的木质纤维素预处理。此外，他们还研究了不同类型木质纤维素原 料的蒸汽爆破效果，为优化预处理条件提供了参考。
木质纤维素生物转化的研究进展
生物转化是一种利用微生物或酶将木质纤维素降解为有用物质的过程。近年 来，木质纤维素的生物转化研究取得了显著进展。研究者们致力于提高转化效率、 优化转化条件以及发掘新型转化方法。
2、纤维素乙醇的制备方法
制备纤维素乙醇的方法主要包括酶解法、酸催化法和生物法等。其中，酶解 法具有反应条件温和、产物纯净等优点，但酶解效率较低，成本较高。酸催化法 虽然反应速度快，但需要使用大量酸碱，对环境造成污染。生物法具有环保性和 可持续性，但发酵时间较长，需要经过多次迭代。各种方法各有利弊，需要根据 实际应用场景选择合适的制备方法。
3、反应器设计
反应器设计是木质纤维素生物转化生产纤维素乙醇过程中的重要环节。合理 的设计可以保证反应的效率、产物质量和产量。反应器设计需遵循的原则包括： 设备选型要满足生产规模和工艺要求；反应环境应有利于微生物的生长和代谢； 还需考虑设备的材质、耐高温高压性能等。同时，反应器设计还需结合实验数据 进行优化，以实现最佳效果。
未来展望
木质纤维素原料生物转化生产纤维素乙醇过程的关键技术研究对于实现能源 可持续发展具有重要意义。未来，随着科学技术的不断进步，以下几个方面可能 成为研究重点：
1、高性能酶的开发：通过基因工程等技术手段，开发具有高活性和稳定性 的酶制剂，以提高木质纤维素的酶解效率。
2、高效转化技术的研发：进一步优化生物转化技术，提高木质纤维素的转 化率和产量，降低成本。
关键词：木质纤维素，蒸汽爆破 预处理，生物转化，研究进展
木质纤维素处理转化为乙醇的研究进展
木质纤维素处理转化为乙醇的研究进展潘春雷081143020 生科制药班摘要：木质纤维素是廉价易得，来源广泛的生物质，将其转化为生物无污染的，可再生的乙醇燃料具有很好发展前景。
本文介绍了对木质纤维素的物理处理，物理化学处理，化学水解处理，生物处理的方法。
关键词：木质纤维素，乙醇，处理方法。
研究背景：目前世界温室效应及能源危机日益上升，人们在不断地寻找一种可再生的污染小的能源。
各国将焦点放在乙醇的生产上。
乙醇可以从粮食以及木质纤维素的发酵中得到，但由于全球仍然面临粮食危机，所以研究的焦点转到了对纤维素的处理上。
纤维素原料是地球上产出量很大的可再生资源,其来源包括树木的枝叶、农作物的秸秆等, 据估计木质纤维素原料占世界生物质量(100 亿～500 亿t)的50 %【1】在整个生态系统的能量循环中有重要地位。
在近几年的生态环境调查中表明农作物秸秆大多被焚烧，以获得钾肥，但此做法不仅污染了环境，而且浪费了资源，开发以木质纤维素为原料制备乙醇的工艺是未来工业燃料生产的发展方向。
1、木质纤维素生物质的主要成分木质纤维素物质的主要组成是纤维素、半纤维素和木质素，纤维素和半纤维素可通过处理得到糖类。
纤维素是由葡萄糖分子通过高度脱水缩合连接而成的高分子聚合物，纤维素的水解产物是葡萄糖单体。
半维素也是生物高聚物，是由各种不同糖基组成的，主要是六碳糖和五碳糖，在特定条件下可以水解成单糖。
木质素是由苯丙烷结构单体组成的天然高分子化合物，在细胞壁中起支撑和把纤维素和半纤维素结合起来的作用，但是木质素不能水解为单糖。
2、木质纤维素的预处理技术（1） 物理处理方法常见处理方法是机械破碎法、液相热水处理法等。
其优点在于处理方便，装置简单，且处理过程中产生的污染小，但物理法处理要很高的能量, 如电能和热能，所以会增加生产成本。
机械破碎法：通常木质纤维素经碾碎处理后的原料大小通常为10～30 mm, 而经粉碎、研磨之后的原料颗粒大小一般为0.2～2 mm。
以纤维素类物质为原料发酵生产燃料乙醇的研究进展
燃料乙醇项 目也在积极的筹备之中。
植物 的秸杆 、 叶等纤 维物 质是 地 球 上最 枝
工业上， 纤维素经酸解 、 碱解或酶解预处理后 ， 释放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径。产纤维 素酶的微生物有真菌、 酵母菌和细菌。目前， 人 们研究最多且最有工业应用前景的是木糖发酵 产 乙醇 的微 生 物， 管 囊 酵 母 （ ａｈｓ ｅ 有 Ｐ ｃｙｏ ｎ ｌ
主要包括各种有机 酸 、 、 醛类 醇类化合物 以及一 些无 机离子等 。
导致乙醇产率低； ②纤维素发酵速度慢 ， 容积生
产力 低 ； ③终 产物 乙醇 和有 机酸对 细胞 有相 当
大 的毒性 。
纤维素的酒精发酵传统上以酸法水解工艺
（ ８） ７
利用混合 菌直 接发 酵 ， 能解 决酒 精 产率 不
间， 提高了生产效率， 但存在一些如糖化和发酵
温度不协 调等抑制 因素 。 张继 泉等 ６作 了有关 玉 米 秸 杆 同时糖 化 ＿
间接法 即糖化 、 发酵二段 发酵法 ， 它是用纤 维素酶 水解纤 维 素 ， 收集 酶解后 的糖 液作 为酵 母发酵 的碳 源 ， 是 目前 研 究 最 多 的一 种 方 也 法ｌ 。为 了克 服乙醇产物 的抑 制 ， ｌ 必须不 断地
耐 酸耐压设备 和解 决水解产物对发酵微生 物的 “ 毒性 问题” 。碱 水解也存在着与酸水解 同样 的
问题 。
２ 以纤维 素 类物质 为原 料发 酵 生产燃
料 乙醇 的工艺
２ １ 预 处 理 ．
苗 Ｉ
近年来 ， 纤维 素 酸解产 物毒 性 问题 的 对于 研究取得 了一定 的进展＿ 。 在 ， １ 。现 。 基本上 明确 了这种毒性是来 源于酸解过程 中产生 的一些有
利用木质纤维素联合生物加工生产生物乙醇的展望和新方向
利用木质纤维素联合生物加工生产生物乙醇的展望和新方向李金伟张姗姗（青岛科技大学化工学院，山东青岛266042）摘要：美国能源部能源独立和安全法案要求，到2022年全国的生物燃料产量达到360亿加仑，其中210亿加仑必须来自可再生可持续的原料（例如木质纤维素）。
为达到这个目标，必须研制出能将植物生物质转变成可发酵糖且经济合算的工艺技术。
生产生物乙醇的一种重要途径是利用微生物，通过联合生物加工（CBP）将生物质转化成可发酵糖并将生成的糖发酵成乙醇。
CBP技术一体化程度高，能有效降低生产成本。
关键词：生物乙醇；联合生物加工；木质纤维素中图分类号: TQ223. 122 文献标识码: ＡPerspectives and new directions for the production of bioethanol using consolidated bioprocessing of lignocelluloseLI Jin-wei ,ZHANG Shan-shan(College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao, 266042 China) Abstract:The U.S. DOE Energy Independence and Security Act (EISA) mandated attainment of a national production level of 36 billion gallons of biofuels by 2022, of which 21 billion gallons must be derived from renewable/sustainable feedstocks (e.g. lignocellulose). In order to attain these goals, the development of cost effective process technologies that can convert plant biomass to fermentable sugars must occur. An alternative route to production of bioethanol is the utilization of microorganisms that can both convert biomass to fermentable sugars and ferment the resultant sugars to ethanol in a process known as consolidated bioprocessing (CBP). CBP features cellulase production, cellulose hydrolysis and fermentation in one step.Key words:bioethanol；consolidated bioprocessing；lignocellulose1、引言目前生物燃料的的生产以生物质糖的发酵为主。
木质纤维生物质同步糖化发酵_SSF_生产乙醇的研究进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2010年第29卷第2期·238·化工进展木质纤维生物质同步糖化发酵（SSF）生产乙醇的研究进展张宁，蒋剑春，程荷芳，曾凡洲（中国林业科学研究院林产化学工业研究所，国家林业局林产化学工程重点开放性实验室，江苏南京210042）摘要：综述了有关木质纤维生物质原料同步糖化发酵生产乙醇的最新研究进展和未来发展方向：同步糖化发酵是一种用于从木质纤维原料生产乙醇的工艺过程，此工艺的优点是酶水解与发酵同时进行，可以减少最终产物对酶水解的抑制作用，并减少投资成本，是最具发展潜力和优势的工艺之一。
近年来在优化预处理工艺、降低纤维素酶成本以及己糖戊糖协同发酵等方面的研究都取得了长足的进步，其中以小麦秸秆为原料进行同步糖化发酵所得到的乙醇浓度接近40 g/L。
关键词：同步糖化发酵；木质纤维素；乙醇中图分类号：TQ 531.3；TS 262.2 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2010）02–0238–05 Progress in ethanol production from lignocellulose by SSFZHANG Ning，JIANG Jianchun，CHENG Hefang，ZENG Fanzhou （Institute of Chemical Industry of Forest Products，CAF；Key and Open Lab On Forest Chemical Engineering，SFA，Nanjing 210042，Jiangsu，China）Abstract：Recent reasearch progress and future development of simultaneous saccharification and fermentation (SSF) for the production of ethanol using lignocellulosic feedstocks are reviewed. SSF has the advantages of simultaneous enzymatic hydrolysis and fermentation and is one process option for the production of ethanol from lignocellulose, through which the endproduct inhibition to the enzymatic hydrolysis can be reduced and the investment costs can also be reduced. Significant progress has been made with respect to the optimization for pretreatment, lowering the cost of enzymes, and the co-fermentation of both hexoses and pentoses during SSF. Presently, the SSF process for wheat straw as starting materials can be expected to give final ethanol concentration close to 40 g/L.Key words：simultaneous saccharification and fermentation；lignocellulose；ethanol目前，随着环保、粮食和能源三大危机的不断恶化，各国逐渐热衷于以木质纤维素为原料生产乙醇的研究。
利用改进的耐高温酵母菌发酵木质纤维素生产生物乙醇的研究进展
发 酵 科 技 通 讯
２ ０ ｌ ３年 ７月
利用改进 的耐高温酵母 菌发酵木质纤维素 生产生物 乙醇 的研究进展
宋 维 霞
（ 青 岛科 技 大 学 化 ＿ ｒ 学院 ． 山东 青 岛 ２ ６ ６ ０ ４ ２ ）
摘 要 ： 联 合 生物加 工 （ Ｃ Ｂ Ｐ ） ， 是 一个 有效 的利 用木 质纤 维素 生产 乙醇 的新 工 艺 它是 一 个
将酶 的 生产 、 糖 化 和 发 酵 集 合 成 一 体 的 过 程 。 与 其 他 工 艺 相 比 新 工 艺在 底 物和 原料 消耗 方
．
面相 对 降低 ， 操作 相对 简化 。同步糖 化发 酵（ Ｓ Ｓ Ｆ ） 工 艺则是在 ． ５ － 艺采用一 步发 酵法 简 化 了设 提 高 了生 产效率 。本文 主要 对近 年 来利 用 Ｃ Ｂ Ｐ和 Ｓ Ｓ Ｆ将 木 质纤 维素
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｃ ｏ ｎ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｉ ｏ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｆ Ｃ ＢＰ １ ｉ ｓ ａ ｎ ｅ ｗ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ ｆ ｅ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｔ ｈ ｅ ｒ ｍｏ ｔ ｏ ｌ ｅ ｒ ａ ｎ ｃ ｅ ｙ ｅ ａ ｓ ｔ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｓ； ｃ ｏ ｎ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｉ ｏ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ； ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｔ ａ ｎ ｅ ｏ ｕ ｓ ｓ ａ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ — ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ ｆ ｅ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ； ｌ ｉ ｇ ｎ ｏ ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ｏ ｓ ｅ； ｂｉ ｏ ｅ ｔ ｈ ａ ｎｏ ｌ ； ｃ ｅ ｌ ｌ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｅ ｎｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
木质纤维素类原料燃料乙醇生产技术进展
木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，据测算年总产量高达1500亿吨，蕴储着巨大的生物质能（6.9×1015千卡）。
我国是一个农业大国，作物秸秆(如稻草、麦秆等)的年产量非常巨大(年产可达7亿吨左右，相当于5亿吨标煤)，据统计，目前的秸秆利用率33%，但经过一定技术处理后利用的仅占2.6%，其余大部分只是作为燃料等直接利用，开发前景非常广阔。
1、木质纤维素的降解技术木质纤维素降解可以采用酸水解和酶水解两条不同的技术路线来实现。
1.1酸水解技术在酸水解工艺中，可以使用盐酸或硫酸，按照使用酸的浓度不同可以进一步分为浓酸水解和稀酸水解。
法国早在1856 年即开始进行了浓硫酸水解法进行乙醇生产，浓酸水解过程为单相水解反应,纤维素在浓酸作用下首先溶解,然后在溶液中进行水解反应。
浓酸能够迅速溶解纤维素,但并不是发生了水解反应。
浓酸处理后成为纤维素糊精,变得易于水解(纤维素经浓酸溶液生成单糖,由于水分不足,浓酸吸收水分,单糖又生成为多糖,但这时的多糖不同于纤维素,它比纤维素易于解) ,但水解在浓酸中进行得很慢,一般是在浓酸处理之后再与酸分离,使用稀酸进行水解。
稀酸水解木质纤维素的技术可谓历史悠久，1898年德国人就尝试以林业生产的废弃物为原料生产乙醇，并建立了工业化规模的装置，每吨生物量可以生产 50 加仑的乙醇。
与浓酸水解的工艺路线相比，稀酸水解需要在比较高的温度下进行，才能使半纤维素和纤维素完全水解。
稀酸水解木质纤维素通常采用二级水解的工艺方案：第一级水解反应器的温度相对第二级来说略低一些，比较容易水解的半纤维素可以降解；第二级反应器主要降解难降解的纤维素，水解后剩余的残渣主要是木质素，水解液中和后送入发酵罐进行发酵。
1.2 酶水解技术同植物纤维酸法水解工艺相比,酶法水解具有反应条件温和、不生成有毒降解产物、糖得率高和设备投资低等优点。
而妨碍木质纤维素资源酶法生物转化技术实用化的主要障碍之一,是纤维素酶的生产效率低、成本较高。
关于利用微生物用于木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的研究进展综述
关于利用微生物用于木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的研究进展综述摘要：木质纤维素生物质是一种廉价、易得的可持续发展的潜在新能源材料，随着能源危机的加剧，由木质纤维素生物质转化为燃料乙醇成为开发新能源的一个新突破口。
国内外近年来在这个领域都有很多研究成果。
本文就微生物在木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的预处理、水解中的应用作出综述，分析了现在木质纤维素生物质转化为燃料乙醇要想实现产业化所遇到的问题，并提出几条对策。
关键词：木质纤维素、燃料乙醇、发酵、纤维素酶、研究进展随着现代工业与经济的发展，能源需求日益增加。
特别是石油能源，由于人类社会的不断开采，石油资源目前面临着枯竭的危险。
据2010年11月8号《环境科学与技术杂志》发表的研发报告显示，以当前的使用速度，化石燃料原料将在2050年前枯竭，而石油开采量下降10%～15%足以令发达工业国家的经济完全瘫痪1。
这就意味着，要想保证人类社会的继续发展，寻求清洁、可持续的新能源已经成为了人类一项必须要完成的任务。
因此，越来越多的国家已将生物质能源产业作为国家的一项重大战略推进，纷纷投入巨资进行生物质能源的研发。
20世纪70年代石油危机以来，一些国家开始尝试利用生物质资源生产液体燃料2。
继美国和巴西用玉米和甘蔗生产燃料乙醇成功后，欧盟、日本、加拿大、印度等国家和地区也先后加大用粮食制备燃料乙醇的投入，2006年，仅美国由玉米淀粉生产乙醇的产量就达到了50亿加仑3。
然而，随着随着世界耕地面积的缩小和人口数量的急剧增多，世界粮食价格也在近年出现大幅攀升。
如何寻求价格低廉且来源广泛的替代原料来生产燃料乙醇，成为了发展生物质能转化为乙醇新能源亟待解决的问题。
木质纤维素生物质如农林牧业加工废弃物，是可再生、价廉易得和来源丰富的资源和能源。
全球每年光合作用的产物高达1500-2000亿吨，其中80%以上为木质纤维素生物质(如秸秆、草类、树木等)4。
利用木质纤维素生物质生产乙醇不仅有利于环境保护和资源再利用，而且可减少温室气体的排放和缓解化石能源的危机，因此成为了一条解决新能源问题的新途径，其研究得到了世界各国的大力支持，并且也取得了很多阶段性的进展。
木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术研究进展
木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术研究进展一、本文概述随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，可再生能源的开发与利用已成为研究的热点。
木质纤维素作为一种广泛存在的可再生生物质资源，具有储量丰富、价格低廉、可再生等优点，因此在生物燃料领域，特别是在燃料乙醇的生产中，其潜在的应用价值日益受到关注。
本文旨在对以木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术的研究进展进行全面的综述和分析。
本文首先介绍了木质纤维素的组成、性质及其作为燃料乙醇原料的优势，阐述了木质纤维素在燃料乙醇生产中的重要地位。
随后，重点回顾了近年来在木质纤维素预处理、酶解糖化、酵母菌发酵以及后续分离提纯等关键技术环节的研究进展，分析了各种技术的优缺点以及适用条件。
本文还讨论了当前研究中存在的问题和挑战，如木质纤维素的复杂结构导致的预处理难题、酶解效率低、酵母菌对木质素和半纤维素的耐受性差等问题，并提出了相应的解决策略和发展方向。
本文展望了木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术的未来发展前景，认为通过持续的技术创新和优化，以及产业链上下游的协同合作，有望实现木质纤维素基燃料乙醇的高效、绿色、可持续生产，为可再生能源的发展做出重要贡献。
二、木质纤维素的结构与性质木质纤维素，作为自然界中最丰富的可再生有机资源，是植物细胞壁的主要成分，由纤维素、半纤维素和木质素三种主要组分构成。
这种复杂的天然高分子化合物具有独特的三维网络结构，赋予了其优良的生物降解性和生物相容性。
纤维素是由β-1,4-糖苷键连接的葡萄糖分子线性链构成，具有较高的结晶度和较强的分子间氢键，因此具有较好的化学稳定性和生物惰性。
半纤维素则是由不同种类的单糖构成的支链聚合物，结构多样且无定形，相较于纤维素，其更易于被微生物降解。
木质素则是一种复杂的酚类聚合物，主要存在于细胞壁中，起着增强植物细胞壁硬度的作用，其结构中含有大量的酚羟基和甲氧基，赋予其良好的化学稳定性和生物抗性。
在燃料乙醇的发酵过程中，木质纤维素的这三种组分各有其重要作用。
木质纤维素乙醇发酵研究进展
第22卷增刊12006年10月农业工程学报T ran sacti on s of the CSA E V o l .22 Supp 1O ct . 2006木质纤维素乙醇发酵研究进展田 沈,徐 鑫,孟繁燕,白罚利,杨秀山※(首都师范大学生命科学学院,北京100037)摘 要:以木质纤维素为原料生产燃料乙醇,首先要对原料进行预处理得到可发酵糖,在稀酸水解木质纤维素得到的糖液中,除含有葡萄糖、木糖等六碳糖和五碳糖外,根据水解温度、酸浓度和时间的不同,还含有不同浓度的发酵抑制剂。
因此,在研究木质纤维素稀酸水解糖液的乙醇发酵中,对代谢木糖成乙醇的菌种的研究、对代谢发酵抑制剂微生物的研究、对稀酸水解糖液的脱毒方法的研究以及对稀酸水解糖液不同发酵方式的乙醇发酵研究等非常重要。
本文重点介绍了以上几个方面近几年研究的进展。
关键词:木质纤维素稀酸水解糖液;发酵抑制剂;乙醇发酵中图分类号:S 216.2 文献标识码:A 文章编号:100226819(2006)ZK 20221204田 沈,徐 鑫,孟繁燕,等.木质纤维素乙醇发酵研究进展[J ].农业工程学报,2006,22(增1):221-224.T ian Shen ,Xu X in ,M eng Fanyan ,et al.D evelopm en t of ethano l p roducti on from hydro lysates [J ].T ran sacti on s of the CSA E ,2006,22(Supp 1):221-224.(in Ch inese w ith English ab stract )收稿日期:2006209204项目基金:国家高技术研究发展规划(“863计划”)课题资助项目(N o .2002AA 514010)作者介简:田 沈(1972-),女,讲师,博士,主要从事微生物工程专业。
北京 首都师范大学生命科学学院,100037※通讯作者:杨秀山,教授,博士生导师,北京 首都师范大学生命科学学院,100037。
利用木质纤维素生产燃料酒精的研究进展
有廉价、 清洁、 环保、 安全、 可再生等优点。 作为一种生物能源， 乙醇 有望取代日益减少的化石燃料 （如石油和煤炭） 。 然而， 目前汽油主 要还是以石油为原料通过化学工艺生产，这对于经济的可持续性 发展战略是不利的。 因此， 世界上许多经济发达国家都注重以碳水 化合物为原料发酵生产乙醇的生物技术开发，并期望由此稳定能 源供应， 改善能源保障， 拉动农业及其他相关传统经济的发展。 美国国 家 地 质 综 合 考 察 部 的 一 份 研 究 报 告 ^I‘指 出 ： 作 8GGE 年， （甲 基 叔 丁 基 醚 ） 在减少空气污染的同时却 为汽油增氧剂的 b1\S 增加了水质污染。为此， 8GGG 年 美 国 环 保 局 与 国 会 合 作 ， 针 对 b1\S 对 水 资 源 的 污 染 ， 研 究 制 订 了 5665’5686 年 期 间 新 的 国 家 “清洁燃料替代计划” ， 5666 年 7 月 58 日，美联邦政府发表了取消使 用 b1\S 的声明。推广使用车用乙醇汽油， 不但在一定程度上可以 缓解石油供求的矛盾，同时还有效地降低了汽车尾气中的有害气 体排放， 改善了生态环境和空气质量， 经济和社会效益显著。伏特 公司已于 8GGI 年率先推出 89 万辆既可以乙醇为燃料，也可以汽油 为燃料的通用型汽车，这意味着乙醇将成为一种越来越重要的燃 料。
图8 木质纤维素发酵生产乙醇的路线
热潮，迄今为止 已 发 现 866 多 种 微 生 物 能 代 谢 木 糖 发 酵 生 成 乙 醇
<9>
， 包括细菌、 真菌、 酵母菌 。 其 中 酵 母 的 木 糖 发 酵 能 力 最 强 ， 目前
纤维素是一种 有 866?8666 个 !’A’ 吡 喃 型 葡 萄 糖 单 体 以 !’8 ， 多个 分 子 平 行 紧 密 排 列 成 丝 状 不 溶 性 @’ 糖苷键连接的直链多糖， 微小纤维。在工业上， 纤维素经酸解或酶解预处理后， 释放出的葡 萄糖可进入乙醇发酵途径。半纤维素是由多种多糖分子组成的支 链聚合物， 不同来源的半纤维素其单糖的组成各异。经测算， 木质 纤维素原料中半纤维素组分的有效利用有可能使乙醇燃料的生产 这显然应当归功于 A’ 木糖。木糖是自然界中含量 成本降低 59 B， 仅次于葡萄糖的糖分，仅仅从美国垃圾场的废纸和垃圾中微生物 这相当于在输气管线 转化的残留糖分， 每年就 可 生 产 @ 亿 吨 乙 醇 ， （由谷物发酵生产） 的 86 倍量 <=>。 中以 86 B份量混合的燃料乙醇 利用产纤维素酶的微生物或纤维素酶先将纤维素水解成可发 酵性糖，再利用酵母将其发酵成乙醇。产纤维素酶的微生物有真 菌、 酵母菌和细菌。典型的真菌产纤维素酶是由葡聚糖内切酶 （ C; 也 称 DE 酶 ） 、 葡聚糖外切酶 （C;D;7;5;8;=8 ， 也 称 D8 酶 ） 、 D;7;5;8;@ ， !’ 葡萄糖苷酶 （C;D;7;5;8;58 ， 也 称 DF 酶 或 纤 维 二 糖 酶 ） 7个 主 要 成 分 组成的诱导型复合酶系。 CG 和 DFH 主要溶解纤维素， FG主要将纤 就能完 维二糖转化为葡萄糖， 当7个 主 要 成 分 的 活 性 比 例 适 当 时 ， 成纤维素的降解。 一般地， 嗜热厌氧细菌在生长速度和纤维素代谢 速度上比其他菌株快，同时它所产生的纤维素酶的稳定性也有很 大的提高。
木质纤维素类生物质制备生物乙醇进展
2013 年 1 月
方志锋等： 木质纤维素类生物质制备生物乙醇研究进展 微波处理可以提高可发酵糖的产率 。
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目前， 常用的预处理方法主要分为物理法 、 化学 法、 生物法
［5 ］
以及其他联用技术。 其中物理方法主
蒸汽爆破、 微波、 超声波处理等， 通 要包括机械破碎、 过这些方法处理原料可有效地改变天然纤维素的结 碱、 臭氧和其他有机溶剂 构。化学方法主要包括酸、 处理， 可破坏纤维素的晶体结构， 打破木质素和纤维 素的连接。生物法是利用可降解木质纤维素类物质 的微生物产生的酶来降解木质素和溶解半纤维素 。 然而， 上述方法无论从技术还是经济效益方面都不 能使生物乙醇大规模生产。各国研究者针对不同的 木质纤维素类物质提出不同的预处理方法 云杉 2. 1
世界各国亟待解决的能源问题之一 。中国生物质原 料资源十分丰富， 预计到 2030 年， 我国的有机废弃 — —作物秸秆、 物— 林业采伐及加工剩余物、 工业有机 废弃物和城市有机垃圾等原料资源的年产能可达 1. 66 × 10 16 kJ［2］， 其中大部分有机废弃物的重新利 用都涉及纤维素类生物质的降解转化问题 。 天然的木质纤维素类生物质主要包括纤维素、 半纤维素和木质素， 其结构异常复杂， 具有很大的结 晶性。 纤维素是自然界中分布最广， 含量最多， 由葡萄 是由 糖组成的大分子多糖。 其通式为 （ C6 H10 O5 ） n ， D －葡萄吡喃糖基以 β －1 ， 4 糖苷键链接、 定向排列的 线型高分子化合物， 结构式如图 1
随着全球经济的快速发展， 能源危机已经是世 界各国必须面临的难题之一。伴随着石油和天然气 等不可再生能源的逐渐枯竭， 环境压力与日俱增。 生物乙醇燃料作为新能源将是不可避免的发展趋 势。如何开发和利用生物乙醇是目前世界各国学者 共同关注的焦点
木质纤维素制取燃料乙醇菌种的研究
木质纤维素制取燃料乙醇菌种的研究近年来，由于全球气候变暖和油价上涨，对可再生燃料的需求急剧增加。
传统汽油和柴油燃料的生产和使用排放了大量二氧化碳，使空气污染加剧，严重影响了人们的健康和生命，并削弱了地球环境的完整性。
与此同时，由于能源匮乏，温室气体排放和环境污染等问题已成为最关注的焦点，因此对可持续的可再生能源技术的研究需求也急剧增长。
树木是一种最可利用的资源，但它们的利用有限，因为木质纤维素不能直接用于汽油、柴油或其他高热值燃料的生产。
为了解决这一问题，研究人员提出了从木质纤维素中制取燃料乙醇作为可再生燃料的技术。
这种技术利用乙醇发酵菌的有机酶，将木质纤维素分解后产生乙醇，作为可再生燃料的原料。
但木质纤维素会产生机械堵塞，影响发酵乙醇的效率，因此，开发新的菌种或改变发酵过程中工艺参数是实现临界点的关键。
首先，研究人员需要从大量的乙醇发酵菌种中选择一种合适的菌种。
木质纤维素分解乙醇发酵过程中，菌种的选择是关键。
只有选出具有高转化率和耐受菌种才能提高乙醇的产率。
因此，首先需要分离出各种类型的乙醇发酵菌株，然后进行鉴定和培养，以达到高产乙醇。
其中，以木质纤维素为基质发酵乙醇的重要菌种为厌氧杆菌、发酵可溶性糖的发酵发酵菌和Clostridium发酵菌等。
其次，利用通过复杂的实验研究，确定优化生产乙醇的工艺参数。
在发酵过程中，无论是液体发酵还是固体发酵都有一定的工艺参数，如发酵温度、发酵时间、pH值、抑制剂等，这些参数的变化都会影响乙醇的产率。
同时也要考虑发酵过程中的木质纤维素消解，木质纤维素被消解以后，木质纤维素碎片改变发酵过程中的组成成分，进而影响产乙醇的效率。
最后，利用生化技术改造菌种，改变其遗传编码，以最大程度的提高乙醇的产率。
实验研究表明，在工艺条件相同的情况下，不同种类的菌株的乙醇产率会有所不同，在不同的菌株中选择产率最高的一种，可以获得最高的乙醇产率。
通过基因工程技术，可以有效提高菌株的乙醇产率，从而实现可持续的可再生燃料开发。
木质纤维生物质炼制生产燃料乙醇技术进展
木质纤维生物质炼制燃料乙醇技术进展摘要：本文介绍了木质纤维生物质各成分的生物分解过程以及生物炼制技术，包括生物转化燃料乙醇、木糖醇和副产物利用等的研究现状、存在问题及发展趋势，为木质纤维生物质的应用研究提供理论基础。
关键词：纤维生物质，生物炼制，燃料乙醇木质纤维生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源，指植物通过光合作用生成的有机资源，如树木、农作物秸秆等。
燃料乙醇由于其成熟的生产应用技术和丰富的原料来源成为世界各国首选的生物能源。
燃料乙醇的发展应立足于中国国情，走以非粮作物木质纤维素生物质为原料的生产路线。
每年全球光合作用产生的木质纤维生物质高达2000亿吨，相当于全世界每年消费能源的10倍，其中89％目前尚未被人类利用。
我国的木质纤维原料非常丰富，每年仅农作物秸秆就有7亿多吨。
纤维素类物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，采用生物炼制技术将它们充分利用，对我国经济和社会的可持续发展具有十分重大的意义。
以生物炼制为核心的生物技术第三次浪潮，将解决人类社会目前面临的资源、能源与环境等诸多重要问题。
一、木质纤维生物质简介及生物炼制技术木质生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素约占干重的35-45％，半纤维素约占20－40％，木质素约占15－30％。
纤维素是由D-吡喃葡萄糖基以β-1,4糖苷键连接而成天然链状高分子化合物，完全水解后得到葡萄糖。
半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的总称，主要是由木糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等连接而成的高分枝非均一聚糖。
各种糖所占比例随原料不同而变化，一般木糖占一半以上。
半纤维素排列松散，无晶体结构，故比较容易被水解成单糖。
木质素是以苯基丙烷为基本结构单元连接的高分枝多分散性高聚物。
木质素有一定的塑性，不溶于水，一定浓度的酸或碱可使其部分溶解。
纤维素乙醇生产成本比粮食乙醇高的部分原因是，目前研究中的木质纤维素类物质转化为乙醇的工艺加工过程复杂，但目标产物单一。
木质纤维原料生物转化燃料乙醇的研究进展
木质纤维原料生物转化燃料乙醇的研究进展第12卷第1期2004年3月纤维素科学与技术Journal of Cellulose Science and TechnologyVol.12 No.1Mar. 2004文章编号：1004-8405(2004)01-0045-10木质纤维原料生物转化燃料乙醇的研究进展许凤1,2，孙润仓2，詹怀宇2（1. 齐齐哈尔大学轻工纺织系，黑龙江齐齐哈尔 161006；2. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州510640）摘要：木质纤维生物量能够用来生产一种可替代有限的石油产品的能源——乙醇。
木质纤维的转化主要分两个步骤：木质纤维生物量中纤维素水解生成还原糖；糖发酵成乙醇。
基于目前的技术，木质纤维原料生产乙醇的主要问题是得率低、水解成本高。
促进木质纤维水解的方法包括：木质纤维原料预处理脱除木素和半纤维素；纤维素酶的优化；同步糖化发酵法（SSF）。
关键词：纤维素酶；乙醇；纤维素水解；木质纤维生物量中图分类号：TS721+.1 文献标识码：A随着世界人口的增加和各国工业化程度的提高，能源的消耗也在稳步增加。
石油是满足能源需求的主要资源，但是石油资源是有限的，科学家们预测2050年原油的生产将由现在的每年250亿桶下降到50亿桶[1]，所以开发新的可替代能源引起科学家们广泛的兴趣。
乙醇是一种可以通过糖发酵获得的可再生能源。
在美国，乙醇已经被广泛地作为特殊的石油替代品。
从20世纪80年代开始，用玉米生产的燃料乙醇就被作为酒精－汽油混合燃料或者氧化燃料来使用。
这些气体燃料中包含乙醇的体积量高达10%。
使用乙醇混合燃料不但可以减少汽油的用量，还可以减少温室气体的排放。
然而使用玉米生产的乙醇燃料比石化燃料成本高，因为玉米既要提供食品和饲料、又要用于大量地生产乙醇，这是不可行的，毕竟土地资源是有限的。
废弃木质纤维原料比如农林废弃物、草、锯末和木片等是潜在的生产乙醇的可再生性资源。
纤维素乙醇生产重组酿酒酵母菌株的构建与优化研究进展
2018年第37卷第8期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·3119·化 工 进展纤维素乙醇生产重组酿酒酵母菌株的构建与优化研究进展唐瑞琪1，熊亮2，程诚2，赵心清1，白凤武1（1上海交通大学生命科学技术学院，上海 200240；2大连理工大学生命科学与技术学院，辽宁 大连 116023）摘要：寻找化石能源的替代品以及开发和利用生物能源已引起国内外研究者的广泛关注。
提高酿酒酵母利用来源广泛、贮存丰富的农林废弃物等木质纤维素原料生产燃料乙醇的效率是生物能源的重要研究内容，但是，重组酿酒酵母木糖发酵性能低是限制纤维素乙醇经济性的关键问题。
本文总结了酿酒酵母中木糖代谢途径的构建和优化以及木糖转运对木糖利用的影响，分析了重组酵母利用纤维素水解液进行乙醇发酵的研究现状，并对进一步提高重组酿酒酵母纤维素乙醇生产效率的研究趋势进行了展望。
目前国内外已经构建了可有效利用木糖产乙醇的重组酵母，但对其木糖代谢机制的研究还尚未深入，限制了重组菌株的定向改造。
此外，目前缺少在纤维素生物质水解液发酵实际应用过程中对重组菌株的评价。
因此，加强重组酵母菌株对木糖利用相关代谢调控机理的分析，注重多种抑制物对菌株发酵性能的影响，结合真实底物纤维素乙醇发酵过程进行重组菌株的构建和优化，从而进一步提高纤维素乙醇生产的经济性，是未来菌株构建的重要研究方向。
关键词：生物燃料；木质纤维素类生物质；乙醇发酵；酿酒酵母；代谢工程中图分类号：Q939.97 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）08–3119–10 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1977Progress of research on construction and optimization of recombinantSaccharomyces cerevisiae strains for cellulosic ethanol productionTANG Ruiqi 1, XIONG Liang 2, CHENG Cheng 2, ZHAO Xinqing 1, BAI Fengwu 1（1School of Life Sciences and Biotechnology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2School of LifeScience and Biotechnology, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning, China ）Abstract: The increasing challenges on gradual depletion of fossil fuel and global warming are driving the development of alternative fuels and utilization of bioenergy. Production of fuel ethanol from lignocellulosic feedstocks including a variety of agricultural and forestry residues has received increasing interests in recent years. Saccharomyces cerevisiae is the most commonly used microbial organism for ethanol production. However, it cannot efficiently assimilate xylose, which is the most abundant pentose in lignocellulosic hydrolysates. Therefore, construction and optimization of xylose utilizing S. cerevisiae is of great importance for improving economic cellulosic ethanol production. The construction and optimization of recombinant S. cerevisiae strains by integrating xylose utilization pathway, and the effect of xylose transport on xylose assimilation were summarized. Furthermore, the current status of cellulosic ethanol production using the recombinant S. cerevisiae strains was discussed, and further prospects on improvement of production efficiency of cellulosic ethanol was provided. Currently, the yield of ethanol from xylose by the recombinant strains has been improved significantly.程改造工作。
利用改进的耐高温酵母菌发酵木质纤维素生产生物乙醇的研究进展
利用改进的耐高温酵母菌发酵木质纤维素生产生物乙醇的研究进展宋维霞【摘要】联合生物加工(CBP),是一个有效的利用木质纤维素生产乙醇的新工艺.它是一个将酶的生产、糖化和发酵集合成一体的过程.与其他工艺相比,新工艺在底物和原料消耗方面相对降低,操作相对简化.同步糖化发酵(SSF)工艺则是在工艺采用一步发酵法,简化了设备,节约了总生产时间,提高了生产效率.本文主要对近年来利用CBP和SSF将木质纤维素发酵生产乙醇的工艺进行了综述.他们的研究重点是具有纤维素水解、耐高温的酵母菌的修饰和改造.【期刊名称】《发酵科技通讯》【年(卷),期】2013(042)003【总页数】6页(P46-51)【关键词】耐热菌株;联合生物加工;同步糖化发酵;木质纤维素;生物乙醇;细胞表面工程【作者】宋维霞【作者单位】青岛科技大学化工学院,山东青岛 266042【正文语种】中文0 前言石油资源短缺、环境污染严重，已经成为制约我国可持续发展的瓶颈。
利用生物方法生产的生物乙醇，是传统燃料石油最有前景的替代品。
目前，世界上生产生物乙醇的原料大多数是淀粉和甘蔗汁，而以玉米为原料生产的第一代生物燃料乙醇，由于与人类竞争粮食，已逐渐被淘汰[1]。
从丰富的农副产品和工业废渣 (如甘蔗渣、玉米秸秆、小麦和水稻秸秆、木屑等)中获得的木质纤维素,都可用作生产生物乙醇的原料。
木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素构成。
原料不同各部分的组成也会有所变化[2]。
纤维素结晶形成的超细纤维结构即无定形结构，不易被真菌和细菌分泌的糖化酶水解。
虽然经过化学和物理方法预处理后的纤维素和半纤维素更容易和糖化酶反应，但是由于纤维素的结构相对坚固，因此，寻求有效的纤维素水解方法仍然是利用木质纤维素生产乙醇的关键[3]。
纤维素水解成可溶性的糖，需要包括内切葡聚糖酶（EG）、外切葡聚糖酶（包括纤维二糖水解酶（CBH）、纤维糊精酶）和β-葡萄糖苷酶（BGL）的共同作用，然而反应产物如纤维低聚糖和葡萄糖会抑制纤维素酶的活性[4]。
木质纤维素类生物质制备燃料乙醇的微生物研究进展
木质纤维素类生物质制备燃料乙醇的微生物研究进展奚立民;曹树勇;柯中炉【期刊名称】《化工进展》【年(卷),期】2009(28)11【摘要】The process in the transformation of lignocellulose to ethanol is mainly composed of four steps, Such as pretreatment, hydrolysis, fermentation and purification. Since industrial application of microorganisms has great advantages in reducing the cost of production, this review herein focuses on the research progress in the application of microorganisms in pretreatment, cellulase production and ethanol fermentation. Furthermore, both challenges and progresses in the whole process are briefly introduced, such as the optimization of some process parameters, enhancement in the production and activity of cellulase, and microorganisms genetically engineered to metabolize both hexose and pentose.%从木质纤维素制备燃料乙醇的基本工艺可以分为预处理、水解、发酵和纯化4个部分.考虑到微生物方法在工业化生产中具有的低成本优势,本文就微生物在预处理中的应用,微生物在纤维素酶生产中的应用以及微生物在乙醇发酵中的应用这三方面的研究现状进行了综述,并进一步分析了在改进原料预处理、提高纤维素酶产量和活性、扩大糖原范围、优化水解发酵工艺等方面的研究进展.【总页数】6页(P2003-2008)【作者】奚立民;曹树勇;柯中炉【作者单位】台卅职业技术学院生物与化学工程系,浙江,台州,318000;台卅职业技术学院生物与化学工程系,浙江,台州,318000;台卅职业技术学院生物与化学工程系,浙江,台州,318000【正文语种】中文【中图分类】TK16【相关文献】1.木质纤维素类生物质转化为燃料乙醇关键技术研究现状 [J], 武小芬;陈亮;陈静萍;苏小军;王克勤2.木质纤维素类生物质制备生物乙醇研究进展 [J], 王晓娟;王斌;冯浩;李志义3.木质纤维素生物质制取燃料乙醇的化学预处理技术 [J], 朱振兴;聂俊华;颜涌捷4.一种木质纤维素类生物质水解重整制备生物汽油的方法 [J], 文伟河5.木质纤维素类物质生产燃料乙醇的研究进展 [J], 邢启明;孙启忠;高凤芹因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
大连化物所木质纤维素制乙醇研究工作取得新进展
大连化物所木质纤维素制乙醇研究工作取得新进展燃料乙醇是一种优质可再生的清洁能源，添加于汽油燃料里可替代部分石油基燃料并能降低污染物排放，已在国际上得到广泛使用。
目前燃料乙醇主要依靠粮食淀粉和植物糖类为原料经发酵制得。
利用来源广泛的农、林废弃物等各类木质纤维素为原料生产燃料乙醇有着极为广阔的前景，也是数十年来生物化工技术领域研究的一个焦点。
木质纤维素制乙醇至少需要经过预处理、酶解、发酵三步完成，其中预处理过程中产生的毒性物质（如乙酸、糠醛、苯酚等）严重抑制酵母生长和乙醇发酵，成为纤维素乙醇生产的主要技术瓶颈。
目前主要通过水洗、物理、化学和生物等方法对预处理木质纤维素及其酶解液进行深度脱毒才能实现较好的发酵效果，但是复杂的工艺、昂贵的设备投资、大量的水耗以及可发酵糖的损失等极大地降低了纤维素乙醇生产的经济效益，从而制约了纤维素乙醇的工业化进程。
中科院大连化物所生物质转化技术研究组（DNL0602）张宗超研究团队在木质纤维素制乙醇研究工作中，发现聚乙二醇（PEG）与酵母细胞有很好的生物兼容性，而且PEG对工业酿酒酵母细胞（淀粉基）具有显著的外保护“原位脱毒”功能。
这种化学分子的外保护使酵母细胞在与毒性物质共同存在时，仍具有将速生杨、玉米秸秆等木质纤维素水解液发酵生产乙醇的能力。
研究结果表明，工业酿酒酵母（淀粉基）在PEG保护的条件下可直接将木质纤维素水解液转化为乙醇，无需进行基因改造、适应性培养。
该方法可有效简化生产工艺、减少水耗和设备投资，推动纤维素乙醇的工业化进程。
相关研究结果在线发表于近期的Scientific Reports（doi:10.1038/srep20361）上。
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应用与环境生物学报 2009，15 ( 4 ): 579~584Chin J Appl Environ Biol=ISSN 1006-687X2009-08-25DOI: 10.3724/SP.J.1145.2009.00579以木质纤维素为原料的第二代生物质燃料开发既是全球研发的热点也是难点. 欧盟国家和美国的中长期生物质能源发展路线图中均将木质纤维素生产燃料乙醇作为2010年后生物质燃料产业化的主要目标，但是目前整体水平尚处于中试阶段. 我国的纤维素类生物质原料非常丰富，将其转化成燃料乙醇有着很大的潜力，但当前要想实现工业化生产，还面临着很多瓶颈问题亟待解决，主要体现在：1) 对于原料的生物质能转化特性和转化机制尚缺乏充分的基础研究；2) 还没有形成高效的组分分离技术(预处理技术)；3) 生物炼制技术尚处于起步阶段，还需要大量基础性实验和理论研究. 4) 缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物(主要为葡萄糖和木糖混合物)的发酵菌株，这是制约纤维素乙醇生产的关键因素[1]. 李科等对木质纤维素生物质制取乙醇的预处理、酶解和发酵等三大关键制约因素进行了较为全面的综述，为木质纤维素生产乙醇提供了新的研究思路[2]，在此不再赘述. 孙宪昀等就国内外对青霉菌木质纤维素降解酶系研究的最新动态，包括菌株的选育、纤维素酶系的特性与合成调控，以及基因分析与克隆等方面对木质纤维素的生物降解进行了综述[3]. 本文主要针对高效利用纤维素水解物的重组发酵菌株这一关键因素进行探讨.目前对于利用木质纤维素生产乙醇的菌种研究主要集中于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae )、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis )和大肠杆菌(Escherichia coli )等. 在乙醇工业中通常使用酿酒酵母来发酵生产乙醇，但酿酒酵母不能发酵大量存在于纤维素水解物中的五碳糖；革兰氏阴性细菌运动发酵单胞菌由于其本身所具有的优点也被作为一种候选的燃料乙醇生产菌株，但也不能直接发酵五碳糖. 所以研究者一直致力于通过基因工程的手段来解决发酵菌株对利用木质纤维素类生物质发酵生产乙醇重组菌株研究进展*何明雄1, 2 祝其丽1, 2 潘 科1, 2 胡启春1, 2**(1农业部沼气科学研究所生物质能技术研究中心 成都 610041)(2农业部能源微生物与利用重点开放实验室 成都 610041)Progress in Ethanol Production with Lignocellulosic Biomassby Different Recombinant Strains*HE Mingxiong 1, 2, ZHU Qili 1, 2, PAN Ke 1, 2 & HU Qichun 1, 2**(1Research Centre of Biomass Energy Technology, Biogas Institute of Ministry of Agriculture, Chengdu 610041, China)(2Key Laboratory of Energy Microbiology and Application, Ministry of Agriculture , Chengdu 610041, China)Abstract Ethanol fermentation with lignocellulosic biomass involves significantly great challenges, owing to lack of industrially suitable microorganisms for converting cellulose hydrolysates into fuel ethanol, which has traditionally been considered as a major technical roadblock to the development of bioethanol industry. Currently, different recombinant strains have been engineered to produce ethanol from lignocellulosic biomass. The greatest successes have been made in the engineering of Saccharomyces cerevisiae and some other bacteria, including Escherichia coli , Klebsiella oxytoca , and Zymomonas mobilis , which provide a basis for constructing industrially suitable engineered strains for cellulose ethanol industrialization. This review summarizes recent progress in this filed, and also prospect it in the Omic era. Fig 2, Tab 2, Ref 51Keywords lignocellulose; biomass; bioethanol; Saccharomyces cerevisiae ; Zymomonas mobilis ; Escherichia coli ; KlebsiellaoxytocaCLC Q936 : TK6摘 要 要实现木质纤维素类生物质的有效利用，当前还面临很多瓶颈问题亟待解决，而缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物的发酵菌株是制约纤维素乙醇生产的最关键因素. 目前对发酵菌种的研究主要集中在酿酒酵母、运动发酵单胞菌、大肠杆菌和克雷白氏杆菌这4种菌上，已取得大量研究进展，为纤维素乙醇的产业化奠定了一定的基础. 本文综述了这4种菌发酵纤维素水解物的基因工程改造研究进展，并对组学时代进一步优化发酵菌株进行了展望. 图2 表2 参51关键词 木质纤维素；生物质；燃料乙醇；酿酒酵母；运动发酵单胞菌；大肠杆菌；克雷白氏杆菌CLC Q936 : TK6收稿日期: 2008-12-12 接受日期: 2009-03-02*中国农业科学院科技经费项目(2009)资助 Supported by the Sci & Tech Project of the Chinese Academy of Agricultural Sciences (2009) **通讯作者 Corresponding author (E-mail: Qichun204@)58015 卷应 用 与 环 境 生 物 学 报 Chin J Appl Environ Biol 五碳糖(特别是木糖)的发酵问题，大肠杆菌和克雷白氏杆菌(Klebsiella oxytoca )由于具有较宽的底物利用范围引起了研究者的关注. 本文主要对这几种目前用于木质纤维素生物质发酵产生乙醇的菌种进行较为全面的综述.1 重组酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae )传统的乙醇发酵生产菌株酿酒酵母由于缺少木糖利用的最初代谢途径，不能直接利用木糖，而只能利用其异构体——木酮糖. 自然界中由木糖转化为木酮糖的代谢途径有2条(图1). 在真菌中，木糖通过木糖还原酶(Xylose reductase ，XR 或XYL1)和木糖醇脱氢酶(Xylitol dehydrogenase ，XDH 或XYL2)的共同作用来完成木糖到木酮糖的代谢转化过程；而在细菌中，则是通过木糖异构酶(Xylose isomerase ，XI)一步转化为木酮糖[4]. 目前主要通过以下2种思路构建直接利用木糖的重组酵母菌：1) 将来自木糖利用酵母(目前主要是Pichia stipitis )的XR 和XDH 基因在酿酒酵母中表达；2) 将来源于细菌的木糖异构酶(XI)在酿酒酵母中表达.1.1 XR-XDH 代谢途径的运用将毕赤酵母的木糖还原酶基因XYL1和木糖醇脱氢酶基因XYL2克隆到酿酒酵母中，转化子能在以木糖为唯一碳源的培养基上缓慢生长，但所利用的木糖全部被氧化形成木糖醇，乙醇产率相当低[5]. 将木酮糖激酶基因XKS1 (XYL3)克隆到已含有XYL1和XYL2基因的酿酒酵母转化子中，可使木糖醇的产率降低，乙醇产率明显提高[6, 7]. 副产物木糖醇的形成原因可能是木糖代谢途径下游不畅及氧化还原不平衡，目前也通过改变下游代谢途径的氧化还原平衡来增加乙醇的产率[8, 9]. 另一方面也可通过敲出某些关键基因(如GRE 3等) [10]来实现这一目标. 国内袁振宏和杨秀山等也通过代谢途径过程构建了重组木糖利用酵母，并就木糖运输途径的改造、木糖代谢途径的引入、增强其对发酵抑制剂的耐受性等方面进行了全面综述，提出了酿酒酵母的木糖代谢工程还有待于进一步深入研究[11].此外，Walfridssion 等在木糖酵母中超表达磷酸戊糖途径的转酮酶(Transketolase ，TKL)和转醛酶(Transadolase ，TAL)可以增加木糖转化为乙醇的量[12]. 目前较为成熟的菌种有S. cerevisiae TMB3400、S. cerevisiae RWB218和S. cerevisiae RE700A (pKDR)等(表2).1.2 细菌XI 代谢途径的运用多种细菌来源的XI 被引入酿酒酵母中[13]，沈煜等也将来源于嗜热细菌Thermus thermophilus 的木糖异构酶基因xylA 引入酿酒酵母[14]，但来源于Piromyces sp.的XI 所得到的活性最高[15]，只有通过适应性进化[16]或其他的遗传改造[17]方能使其代谢木糖的能力得到提高. 从整体上看，采用细菌木糖代谢途径还存在着重组酶表达活性较低和细菌木糖异构酶的最适反应温度与发酵温度不同等问题，也有研究者通过突变的方式来解决这一问题. 并且该途径与XR-XDH 的发酵比较研究表明，采用XR-XDH 代谢途径所构建的重组菌株S. cerevisiae TMB3400较细菌XI 代谢途径发酵效率高，且在发酵纤维素水解物时没有副产物木糖醇的生成[13].1.3 细胞表面展示技术的应用近年来发展起来的酵母表面展示技术也被用于构建酵母基因工程菌上，如Yasuya Fujita 等应用酵母展示系统展示图1 真菌(A)和细菌(B)中的木糖代谢途径Fig. 1 Metabolic pathway of xylose in fungus (A) and bacterium (B)表1 纤维素水解酶基因和五碳代谢途径相关基因在运动发酵单胞菌中的表达Table 1 Expression of cellulase gene and pentose metabolic pathway of Z. mobilis底物Substrate 基因Gene基因来源Source of gene参考文献Reference纤维素Cellulose内切葡聚糖酶 Endoglucanase 内切葡聚糖酶 Endoglucanase 内切葡聚糖酶 Endoglucanase β-(葡萄)糖苷酶 β-glucosidase羧甲基纤维素酶 Carboxymethyl cellulase 菊欧文菌 Erwinia chrysanthemi 枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis萤光假单胞菌 Pseudomonas fluorescens 白纹黄单胞菌 Xanthomonas albilineans 醋酸杆菌 Acetobacter xylinum [21]木糖Xylose木糖异构酶 Xylose isomerase 木酮糖激酶 Xylulokinase 透明质酸酶 Alidase野油菜黄单胞菌Xanthomonas campestris[27]木糖异构酶 Xylose isomerase 木酮糖激酶 Xylulokinase转二羟丙酮基酶 Transaldolase 酮糖移转酶 Transketolase大肠杆菌 Escherichia coli [28]阿拉伯糖(Arabinose)L -阿拉伯糖异构酶 L -arabinose isomerase 核酮糖激酶 Ribulokinase转二羟丙酮基酶 Transaldolase 5-磷酸核酮糖异构酶5-phosphoribuose isomerase 酮糖移转酶 Transketolase大肠杆菌 E. coli [25]581 4 期何明雄等：利用木质纤维素类生物质发酵生产乙醇重组菌株研究进展两种纤维素酶，构建了一株不经过前处理而直接发酵β-葡聚糖生产乙醇的重组酵母菌基因工程菌，通过此系统构建的重组酵母工程菌，糖化作用和发酵同时发生，在以β-葡聚糖为唯一碳源的培养基中，能在50 h直接发酵45 g β-葡聚糖生产乙醇16.5 g/L[18]. Hisayori Shigechi等应用酵母展示系统展示葡萄糖糖化酶和α-淀粉酶，成功构建了一株能直接利用玉米淀粉发酵生产乙醇的酵母基因工程菌，在72 h内，该菌株能生产乙醇61.8 g/L，达到其理论产量的86.5%[19]. 侯进等也利用利用α-型酿酒酵母表面展示系统的载体将来源于嗜热细菌Thermus thermophilus的木糖异构酶基因xylA在酿酒酵母H158中表达，得到了一株木糖利用率提高17.18%的重组菌株H158-SXI [20].2 重组运动发酵单胞菌(Zymomonasmobilis)运动发酵单胞菌最早发现于非洲等热带地区的果酒中. 19世纪50年代早期，人们发现运动发酵单胞菌在厌氧条件下主要通过ED途径代谢葡萄糖，它可以发酵葡萄糖、果糖、蔗糖等六碳糖产乙醇，但不能利用五碳糖生产乙醇. 迄今为止，运动发酵单胞菌是唯一一种通过ED途径厌氧发酵葡萄糖的微生物，其独特的代谢途径使其成为构建产乙醇工程菌的优选宿主之一. 多年来，研究者已就其生理生化特性、菌种改造、遗传操作和发酵工艺学等方面作了大量的研究. 同酿酒酵母相比，运动发酵单胞菌具有如下一些优点：较高的糖吸收率，较高的乙醇产率；生物量少；较高的乙醇耐受力等. 但该菌底物利用范围过窄，一般野生型Z. mobilis菌株只能以葡萄糖、果糖和蔗糖作为生产乙醇的底物，不能将复杂的碳水化合物代谢为乙醇. 为拓宽其底物利用范围，研究者将其他微生物中相关的水解酶基因如阿拉伯糖或者纤维素代谢的相关基因转移到Z. mobilis中，使其具有利用其他底物的能力[21] (表1). 尽管如此，该菌目前仍然没有在商业化生产中得到应用，但随着2005年其全基因组序列的公布[22]和2006年杜邦公司宣布对该菌进行玉米秸秆燃料乙醇的研究[23]，其产业化应用前景仍值得我们关注.为拓展运动发酵单胞菌的底物利用范围，研究者前期也进行了大量的工作，如将来自菊欧文菌(Er winia chrysanthemi)的内切葡聚糖酶基因、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的内切葡聚糖酶基因、醋酸杆菌(Acetobacter xylinum)的羧甲基纤维素酶基因和野油菜黄单胞菌(Xanthomonas campestris)的木糖代谢相关基因[21]. 这些工作为构建能直接发酵木糖的重组运动发酵单胞菌奠定了基础. 美国可再生能源实验室Zhang等基于前人的研究结果，通过同时表达来自大肠杆菌的木糖异构酶(XI)、木酮糖激酶(XK)、TKT和TAL(图2)，得到重组菌株Z. mobilis CP4 (pZB5)，该重组菌株能直接发酵木糖产生乙醇，其乙醇产率为其理论值的86% [24]；Deanda等又通过表达来自大肠杆菌阿拉伯糖代谢途径的5个基因，L-阿拉伯糖异构酶(ara A)、核酮糖激酶(ara B)、5-磷酸核酮糖异构酶(ara D)、转二羟丙酮基酶(tal B)和酮糖转移酶(tkt A)基因，得到了能直接发酵阿拉伯糖的重组菌株Z. mobilis ATCC39678 (pZB206)，该重组菌株能直接发酵阿拉伯糖(25 g/L)生产乙醇，达其理论产率的98% [25]；Rogers等将质粒pZB5转入ATCC31281(ZM4)中，得到重组菌株ZM4(pZB5)，在发酵葡萄糖和木糖混合糖产乙醇时显示出了比CP4 (pZB5)更高的乙醇耐受性[26]. 但这些菌种有一个共同的缺点，就是其木糖代谢基因在质粒载体中，因此不得不在培养基中加入一定量的抗生素，以防止质粒的丢失，这将导致生产成本图2 运动发酵单胞菌戊糖代谢途径的构建Fig. 2 Construction of metabolic pathway of pentose in Z. mobilis58215 卷应 用 与 环 境 生 物 学 报 Chin J Appl Environ Biol的增加. 所以该研究小组又通过构建整合型表达载体，将木糖代谢和阿拉伯糖代谢相关基因整合于运动发酵单胞菌基因组上，得到木糖发酵菌株和阿拉伯糖发酵菌株Z. mobilis ATCC39676 (AX101)，该工程菌能共发酵葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，优先利用葡萄糖，其次为木糖，最后利用阿拉伯糖[29]. 为提高该菌对木糖的利用效率，Jeon等还通过增加木酮糖激酶基因(XK)的表达水平，但未能得到预期结果.3 重组大肠杆菌(Escherichia coli)大肠杆菌等具有较广的底物利用范围，可以代谢六碳糖(葡萄糖、甘露糖、半乳糖和果糖)、五碳糖(木糖和阿拉伯糖)以及糖醛酸(半乳糖醛酸、葡糖醛酸)生成代谢中间产物——丙酮酸. 大肠杆菌的糖代谢途径和生理机制比较复杂，六碳糖主要经糖酵解途径代谢，五碳糖主要是通过磷酸戊糖途径并与ED途径相偶联进行代谢. 一般情况下，发酵条件为pH=7.0，发酵温度为30 ℃或35 ℃. 大肠杆菌糖代谢的复杂性决定了它的代谢产物的复杂性，其代谢产物包括一些醛类、醇类和有机酸，乙醇并不是其主要的代谢产物，只是其中很小的一部分，因此传统上一般不用它来生产乙醇. 但是大肠杆菌含有代谢五碳糖的磷酸戊糖途径中的整套基因和酶，因此在木糖发酵和混合糖发酵产乙醇的研究中也有一定的研究价值. 大肠杆菌缺少高活力的乙醇产生酶系，而且在糖酵解过程产生的副产物较多. 在20世纪80年代，Ingram等利用运动发酵单胞菌中的高活力丙酮酸脱羧酶(pdc)和乙醇脱氢酶基因(adhB)构建了PET 操纵子——pLOI297，并将该操纵子导入大肠杆菌中表达，结果大肠杆菌工程菌株能发酵葡萄糖产生乙醇[30]；为寻找更适合的宿主菌，Ingram等通过对9种不同大肠杆菌工程菌株的乙醇耐受性、质粒稳定性和乙醇产率等方面的比较研究发现，E. coli ATCC11303 (pLOI297)为最理想的菌株[31]；Beall等对ATCC11303 (pLOI297)进行了发酵评估[32]；为提高工程菌的遗传稳定性，Ingram研究组又将这2个基因整合至大肠杆菌ATCC 11303染色体Pyruvate formate lyase (pfl)基因位点上，但该重组菌株乙醇产率较质粒型ATCC11303 (pLOI297)菌株低，通过高浓度氯霉素抗性筛选，得到乙醇产率较高的菌株；为了进一步提高该菌株的乙醇产量，通过将琥珀酸合成途径中的延胡索酸合成酶frd 基因打断，阻断琥珀酸的合成，提高了乙醇产量，该菌株被定名为E. coli KO11 [33]. 研究表明，在厌氧条件下，E. coli KO11可发酵半纤维素水解产物中几乎所有的糖生产乙醇，其乙醇生产能力较高，并且对木质纤维素水解产物中的抑制剂具有相对高的耐受性. 对KO11的基因芯片分析结果表明，在KO11中，大部分与木糖代谢相关的酶基因表达水平较出发菌株高，其中木糖异构酶基因(xylA)的表达水平是出发菌株的3倍多，木酮糖激酶(xylB)是出发菌株的2倍多[34]. Dien等还通过突变大肠杆菌pfl和ldh基因，然后将质粒pLOI297转化该宿主菌，得到FBR5菌株，并对其进行了发酵研究[35, 36]. Yomano等通过KO11的长期适应性进化研究，得到一株乙醇耐受性为10%的菌株LY01，该菌株使发酵140 g/L木糖的时间由120 h缩短为96 h [37]，并且对木质纤维素水解产物中的抑制剂具有比KO11相对高的耐受性[38~40].4 重组克雷白氏杆菌(Klebsiella oxytoca)K. oxytoca是一种肠道细菌，具有较宽的底物利用范围，如已糖、戊糖、纤维二糖和纤维三糖等，特别是对纤维二糖的利用特点可减少纤维素酶的使用. 但野生型的K. oxytoca 发酵产物主要为有机酸. 乙醇的形成主要通过PFL代谢途径. 将PET操纵子转入K. oxytoca M5A1，发酵液中90%的发酵产物为乙醇，低拷贝质粒pLOI555比高拷贝质粒pLOI297具有更高的乙醇产率[41]；并且该菌株更适合木糖的发酵，其木糖代谢速率在前24 h与葡萄糖一样，达2 g/L/h，是KO11的2倍. 该重组菌株与其他重组菌相比，具有最高的理论产率(表2). 同样，为提高PET操纵子的遗传稳定性，将其整合至K. oxytoca M5A1染色体Pyruvate formate lyase (pfl)基因位点上，但该重组菌株乙醇产率较低，通过高浓度氯霉素抗性筛选，得到乙醇产率较高的菌株[42]，其中菌株P2能在48 h内发酵葡萄糖(100 g/L)或纤维二糖(100 g/L)，乙醇产率达44~45 g/L，与质粒型工程菌株基本一致. 对P2菌株也进行了不同底物的发酵评估研究. Zhou和Ingram等还通过将来源于E. chrysanthemi 的内切葡聚糖酶基因转入P2菌株中进行整合型表达，得到重组菌株SZ21，但其酶活性较低，为20 U/mL，仅为商业化酶的1%，其发酵纤维素的能力较低，但若加入一定的商业化纤维素酶，其乙醇产率较P2高7~16%左右[43].5 展望综上所述，目前对纤维素发酵的菌种进行了大量的工作，也得到了具有一定效率的重组菌株，但这些工作基本上是基于单个基因或是某个代谢途径的几个基因的改造，只是改变了细胞的局部，部分改变了细胞的代谢平衡，虽然得到了新的表型，但这种改变是有限的，并没有解决木糖代谢途径中的复杂问题，致使构建得到的重组菌株未能在商业化生表2 4种重组菌株发酵木糖产乙醇的的比较Table 2 Comparison of four recombinant strains for ethanol production from xylose重组菌株Recombinant strain 木糖 Xylose(ρ/g L-1)乙醇产率Ethanol yield (ρ/g L-1)理论产率Theoretical yield (r/%)References参考文献E. coli KO119041.089[44] E. coli FBR59541.590[36] E. coli LY0114063.288[44] K. oxytoca M5A1 (pLOI555)10046.095[41] Z. mobilis AX101Ara : Glc : Xyl 20 : 40 : 404284[29] Z. mobilis CP4 pZB56023.094[45] S. cerevisiae TMB34005013.367[17] S. cerevisiae RWB21820 8.485[17] S. cerevisiae RE700A(pKDR)451974[17, 46]583 4 期何明雄等：利用木质纤维素类生物质发酵生产乙醇重组菌株研究进展产中得到应用. 因此，可以在木糖代谢途径的基因组层面上定向进化或同时改变多个相关基因群，使细胞在整体水平上适应木糖的代谢或利用. 目前这些菌株的基因组序列已经测定，但在基因组水平上的菌种改造主要集中在酿酒酵母上. 对重组木糖酵母的代谢组学和蛋白质组学已经展开，这对了解重组酵母的木糖代谢调控机制具有十分重要的意义[47]. 而毕赤酵母基因组序列的测定[48]，其基因组特点和基因调控模式等也会对构建工程酵母起重要作用；代谢建模、代谢流量分析、表达谱分析、突变和适应性进化等方法也为构建高效率的木糖发酵菌种提供了重要的方法学依据[49]；Alper通过gTME技术对酿酒酵母的改造工作为改造木糖酵母提供了有益的借鉴[50]，该技术在系统生物学的层面通过改造全局转录调控因子使整个转录调控过程发生变化从而改变或提高目标基因的转录及表达，获得需要的表型[51]. 随着基因组学、蛋白质组学、代谢组学、转录组学和生物信息学等方面的发展，在系统生物学的层次上进行乙醇发酵菌种的改造，从基因调控的水平上将新加入的代谢途径与原有的代谢途径协调，提高外源基因的表达水平，将会得到高效率的乙醇发酵菌种.References1 Chen HZ (陈洪章) ed in chief. 秸秆资源生态高质化理论与应用. 北京:化学工业出版社, 20062 Li K (李科), Jin YL (靳艳玲), Gan MZ (甘明哲), Liu XF (刘晓风),Zhao H (赵海). 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