生物技术在木质纤维素转化乙醇中的应用
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。
木质纤维生物质精炼中木质素的分离及高值化利用
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第1期·294·化工进展木质纤维生物质精炼中木质素的分离及高值化利用平清伟，王春，潘梦丽，张健，石海强，牛梅红（大连工业大学，辽宁省制浆造纸重点实验室，辽宁大连 116034）摘要：木质纤维素作为最有前途的可再生资源，可替代现有的液体燃料。
因此，木质素作为木质纤维生物质细胞壁的主要成分之一，由其开发的高附加值产品将大大提高从可循环利用生物质生产能源的经济性。
本文回顾了自催化乙醇精炼技术的优势，相对于其他制浆技术不仅可以高效地从木质纤维生物质中分离出高活性的木质素，还可以获得高附加值的副产品（如糠醛、低聚糖、乙酰丙酸、甲酸、乙酸等）。
同时，抽提液可循环利用。
基于自催化乙醇精炼木质纤维生物质的特点，介绍了用自催化乙醇精炼所分离出的高活性木质素进行高值化利用的优势，以及用木质素生产高附加值产品的研究及利用，从而为木质纤维生物质中木质素在工业上大量开发利用提供了一条新的途径。
关键词：乙醇精炼；自催化；木质纤维生物质；乙醇木质素；高值化利用中图分类号：TS 79 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）01–0294–08DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.040Separation and high-value utilization of lignin from the lignocellulosebiomass refiningPING Qingwei，WANG Chun，P AN Mengli，ZHANG Jian，SHI Haiqiang，NIU Meihong （Dalian Polytechnic University，Key Laboratory of Pulp and Paper in Liaoning Province，Dalian 116034，Liaoning，China）Abstract：As the most promising renewable resource，lignocellulose may replace the existing liquid fuel. Lignin is one of the main components of lignocellulose biomass cell walls and therefore developing high value-added products from lignin will greatly improve the economic efficiency in recycling biomass to energy. This paper reviewed the advantages of the auto-catalytic ethanol refining technology. Compared with other pulping technology，it can not only separate highly active lignin from lignocellulose biomass feedstock，but also attain high-value co-products，for instance the furfural，oligosaccharide，levulinic acid，formic acid and acetic acid，etc. Simultaneously，the extracting liquor can be recycled. In the review，based on the characteristics of auto-catalytic ethanol refining lignocellulose biomass feedstocks，we introduced the advantages of high value application of highly active lignin separated from the lignocellulose biomass via autocatalytic ethanol refining. Furthermore，the utilizations of products prepared from the lignin were reported，which provides a new way in large scale development and utilization of lignocellulose biomass lignin in industries.Key words：ethanol refining; auto-catalytic; lignocellulose biomass; ethanol-lignin; high-value utilization纤维素、半纤维素、木质素构成了丰富的可再生植物纤维资源。
木质纤维素燃料乙醇生物转化预处理技术
１２２ 碱 预 处 理 ．．
机械粉碎 即将物料切碎 、 碾磨处理 成 ｌ ３ ｍ或 ０ ２～２ ０～ ０ ｍ ． ｍ ｍ的颗粒 ， 比表 面积增高 ， 结晶度 、 聚合度降低 ， 可及 度增加 ， 有 利于提高基质浓度和酶解效 率 ， 但不 能去除木质 素及 半纤 维素。 粉碎分为干粉碎 、 粉碎 ， 湿 包括 球磨 、 盘磨 、 辊磨 、 磨 、 锤 胶体 磨 、
熟高效的戊糖发酵技 术 因素 制约 ， 纤维 素乙 醇至今未能 完全 工 业化 。经济有效 的 预处 理技术 一般 应 具备 以下 几个 特点 或优
醇是生物质液体能源 的主要形式 ， 清洁可再生 ， 化石燃料 的理 势 ： 是 ①适 用范围广 ， 多种原料 均有较 高 的得 率 ； 对 ②降低 粉碎 成 本， 高消化 （ 酶解 ） ； 率 ③糖 浓度 高 、 降解 损 失少 ； 抑制性 产物 ④ 低； ⑤废弃物 少； ⑥设备 合理 、 投资 少 ； 戊糖 、 ⑦ 己糖发酵 兼容性 好； ⑧木 质素可分离 回收； 能耗低… 。本 文对前景较好 的热点 ⑨
２１ 年 ３ ０ １ ９卷第 ｌ ３期
广州 化工
・ ９・
结晶度和聚合度 。常用 的物理方法包 括机械粉碎 、 械挤 出、 机 高 能辐射等… 。
１ １１ 机 械 粉 碎 ．．
木质 素被水解或降解 ， 同时纤维素结晶度降低 ， 升高温度或增大硝 酸浓度会加速纤 维素的 乙酰化 。稀酸法结 合新 型的反应器如逆
技术及方 向的研究进 展进行 了综 述和总结 ， 并展 望 了其 发展趋
势。
１ 木质 纤维素预处理技术
单独某一种预处理方 法并非 对任何 原料 都有较 好 的效 果。 目前的木质纤 维素 预处 理方 法有 很 多种 ， 可分 为 物理 法 、 学 化
木质纤维素生物质预处理技术的研究进展
2.1 物理法
2.1.1 机械粉碎 利用削片、粉碎或研磨把木质纤维素
生物质变成 10~30 mm 的切片或 0.2~2 mm 甚至更为细
小的颗粒，以提高比表面积可及性，降低纤维素结晶度
和聚合度，从而提高酶解转化率 。 [4] 机械粉碎的优点
是经处理的纤维素粉颗粒没有膨润性，体积小，原料的
水溶性组分增加，可提高基质浓度，纤维素的水解率也
蒸汽爆破技术分为添加化学试剂和不添加化学试 剂 2 种。Ballesteros 等[14]对不同颗粒大小的禾本农业 废弃物基质通过汽爆处理后的酶解效果研究表明：基 质颗粒较大时（8~12 mm），处理后酶解效果较好，基质 较小时采用汽爆处理后酶解效果反而不理想。 Mielenz 等 研 [15] 究了用蒸汽爆破杨木时加入 NaOH，随 碱浓度的增加，木质素脱除率升高，最高可达 90%。 Linde 等[16]在蒸汽爆破处理前用 0.2% H2SO4 预浸处理 麦秆，分别在 190℃、200℃和 210℃条件下处理 2 min、 5 min 和 10 min。 结 果 表 明 ，在 190℃ 温 度 下 处 理 10 min，葡萄糖和木糖的得率最高。蒸汽爆破预处理 技术因其节能、无污染、酶解效率高和应用范围广，适 用于处理植物纤维原料的简单高效的处理方式，可用 于硬木、软木和农业废弃物等各种植物生物质。 2.2.2 SO2 蒸汽爆破 SO2 蒸汽爆破是在蒸汽爆破预处 理过程中添加 SO2 气体，旨在提高纤维素和半纤维素 的转化率和酶水解效率。Öhgren 等[17]研究了用 SO2爆 破法处理玉米秸秆，处理条件为 190°C，5 min，3% SO2 （按原料干重计算），处理后的玉米秸秆在酶解过程中 除了采用纤维素酶外，还添加了半纤维素酶，葡萄糖得 率 达 到 了 接 近 理 论 转 化 率 的 酶 解 效 率 ，木 糖 得 率 达 70%~74%。 2.2.3 氨纤维爆裂 氨纤维爆裂是指将木质纤维素生物 质置于高温高压状态的液态氨中，保持一定时间，然后
纤维素乙醇生产工艺
纤维素乙醇生产工艺纤维素乙醇是一种可再生燃料，可通过生物质材料中的纤维素转化而成。
由于纤维素是植物细胞壁的主要成分，因此纤维素乙醇生产工艺主要涉及纤维素的预处理和生物转化两个步骤。
下面将介绍一种常用的纤维素乙醇生产工艺。
首先，纤维素的预处理是将木质纤维素从生物质材料中提取出来。
这可以通过磨碎、纤维化和蒸煮等方式实现。
首先，生物质材料如玉米秸秆或木材被粉碎成小颗粒以增加表面积。
然后，经过纤维化处理，将材料进一步细化为纤维素纤维。
最后，将纤维素纤维置于高温高压环境下进行蒸煮。
这一步骤中的蒸煮过程有助于分解纤维素颗粒和降低纤维素纤维的结晶度，使其更易于生物转化。
接下来是生物转化步骤，主要包括糖化和发酵两个过程。
首先，经过蒸煮的纤维素纤维被糖化成可发酵的糖分子，例如葡萄糖和木糖。
糖化是通过添加酶来实现的，酶可以将纤维素纤维中的糖链断裂为单糖。
这一过程需要在适当的温度和酸碱度下进行。
接下来，将糖溶液进行发酵，转化为乙醇。
发酵是通过添加酵母等微生物来实现的，它们能够利用糖分子进行代谢并产生乙醇和二氧化碳。
发酵过程需要在适当的温度和pH值下进行，并控制好氧气的供应以维持合适的微生物活性。
生物转化过程中还需要进行废物处理，如处理发酵剩余物和废水。
发酵剩余物可以通过压榨和干燥等方式得到固体废物，并可以用作饲料或肥料。
废水则需要经过处理，以达到环境排放标准。
最后，乙醇产物需要经过蒸馏和精炼等步骤进行纯化。
这些步骤包括蒸馏、脱水、分离等操作，可以将乙醇纯度提高到适用于工业和交通领域的要求。
总而言之，纤维素乙醇生产工艺主要包括纤维素预处理和生物转化两个步骤。
通过这些步骤，纤维素可以被转化为可再生的乙醇燃料，并且废物可以得到有效处理，从而实现了可持续发展的目标。
纤维素乙醇作为一种绿色能源，具有巨大的潜力在减少对化石燃料依赖和减少温室气体排放方面发挥重要作用。
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
植物纤维素原料的生物转化与利用
植物纤维素原料的生物转化与利用2010-03-24植物纤维原料是廉价的可再生资源，我国每年仅农作物秸杆就有7亿多吨，加上数量巨大的工业纤维废渣及城市纤维垃圾，每年可利用的木质纤维原料总量可达20亿t以上。
目前，这些资源不但大部分没有得到合理利用，反而常常造成环境污染。
植物纤维原料中纤维素占干重的35%-45%，半纤维素占20%-40%，采用适宜技术可将它们水解成己糖和戊糖，并进一步转化为乙醇、丁醇、有机酸等重要的工业产品。
这方面的研究成果对于改变传统发酵工业以糖或粮食为主要原料的生产模式，解决人类当前面临的资源及能源供应紧张、环境污染日趋严重等重大问题，具有十分重要的意义。
植物纤维原料生物转化利用的关键技术包括：纤维素酶的生产，纤维原料的预处理，纤维素的酶解糖化，以及利用己糖、戊糖进行微生物发酵等。
1 纤维素酶的生产纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称，可广泛应用于棉织物生物整理、饲料工业、植物中药成分提取、纤维素的糖化等众多领域。
近年来，纤维素酶在生物质能源工程中的应用备受关注。
纤维素酶是一种复合酶，它主要包括内切型-β-葡聚糖酶，外切型-β-葡聚糖酶和纤维二糖酶等组分。
在降解纤维素的过程中，需要不同组分之间的协同作用。
目前用于生产纤维素酶的菌种大多是里氏木霉(Trichoderma reesei)的变异株，这些菌株生产的纤维素酶蛋白的比活力较低，尤其是纤维二糖酶的活力明显不足。
依靠基因重组技术构建新的产酶菌株，有可能大幅度提高纤维素酶的生产效率。
近年来，笔者在纤维素酶生产菌株的基因重组方面做了大量的研究工作，已从黑曲霉(Aspergillus niger)菌丝细胞中克隆到纤维二糖酶基因，从来自食草动物肠胃的厌氧真菌中克隆到比活力较高的内切型纤维素酶基因，并进一步通过转基因的方法，将目的基因导人里氏木霉菌丝细胞。
这一研究工作得到了国家科技支撑项目基金的资助，目前已取得长足的进展。
通常采用纤维素为里氏木霉合成纤维素酶的碳源及诱导物。
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。
一体化生物加工过程生产乙醇的研究进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第11期·3600·化工进展一体化生物加工过程生产乙醇的研究进展李心利，朱玉红，汪保卫，付晶，王智文，陈涛（天津大学化工学院，系统生物工程教育部重点实验室，天津 300072）摘要：一体化生物加工过程（consolidated bioprocessing，CBP）指通过对理想底盘微生物的开发和利用来实现一步转化木质纤维素为生物产品的生物加工程序。
本文回顾了一体化生物加工过程的研究背景，简述了其开发理念和技术路线，全面综述了近年来该技术在转化木质纤维素生产二代生物乙醇研究中的不同策略及最新的研究进展。
分析了CBP系统中自然菌株、重组菌株和共培养菌株在转化木质纤维素生产生物乙醇时的优点和瓶颈因素。
研究了基因工程、代谢工程等工程手段和技术在克服此技术中的阻碍性因素及提升乙醇得率等方面的应用价值和潜力。
最后，论述了组学及合成生物学等新兴生物技术对CBP生物乙醇的贡献和二代生物乙醇的商业化发展现状及CBP乙醇未来所面临的机遇与挑战。
关键词：一体化生物加工过程；木质纤维素；生物乙醇；发酵；生物技术中图分类号：TK 6；TQ 92 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）11–3600–11DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.033Progress in bioethanol production via consolidated bioprocessing LI Xinli，ZHU Yuhong，WANG Baowei，FU Jing，WANG Zhiwen，CHEN Tao （School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Key Laboratory of Systems Bioengineering，Tianjin 300072，China）Abstract：Consolidated bioprocessing（CBP），refers to bioprocessing by exploitation and utilization of ideal chassis microorganisms to directly convert lignocellulose into bioproducts in one processing.The research background，development concepts and technology roadmaps of the CBP were briefly introduced in this paper. Subsequently，we comprehensively reviewed the different strategies and the recent research progress in CBP lignocellulose to second generation bioethanol production. Then，the advantages and bottleneck factors of the native，recombinant and co-culture strains used in CBP bioethanol fermentation were analyzed. The genetic engineering，metabolic engineering and other techniques’ application value and potential for overcoming the barrier factors of CBP bioethanol production and increasing bioethanol yield were assessed. Ultimately，this review provided a brief commentary on the contribution of emerging biotech，such as ‘omics’ and synthetic biology and on CBP bioethanol production and the recent conditions of the lignocellulosic bioethanol production toward commercialization scale，as well as opportunities and challenges in the future.Key words：consolidated bioprocessing；lignocellulose；bioethanol；fermentation；biotechnology乙醇（酒精），作为国防、医疗、有机合成、食品等行业中的重要原料，主要通过化学法和生物发酵法两种途径合成，其中生物发酵法又经历一代粮食乙醇、二代非粮食乙醇即木质纤维素基生物乙醇。
木质纤维素为原料的燃料乙醇预处理技术研究进展
摘
要： 细介 绍 了纤维 素原料预处理 方法 ， 详 并对各种 方法 的优缺 点进行 了分析 和讨论 。
文 献标识 码 ： Ａ Ｄ Ｉ 码 ： ０ ３ ６ ／． ｓ ．０ ６ ６ ０ ．０ １ ４０ ０ Ｏ 编 １ ．９ ９ｊ ｓ １ ０ — ５ ０ ２ １ ． ．３ ｉｎ ０
关 键 词 ： 质 纤 维 素 ； 处 理 ； 料 乙 醇 木 预 燃
目前 ，社 会 和 经 济 可 持 续 发 展 的重 要 基 础 之
一
构成 ， 它们 主要 以细胞形 式 存在 。 中 ， 维 素是纤 其 纤
便 是 新 能 源 的开 发 利 用 ，同时 它 也 是 提 高 人 们
的剧 增 和 经济 的不 断 发 展 以及 人 民生 活 水 平 的提
维 的骨骼 物 质 ， 而木 质 素 与半 纤 维素 以包 容物 质 的
来 ， 坏 纤 维 素 的 晶体 结 构 ， 低 聚 合 度 【。 为 了 破 降 ５ ］ 提 高纤 维 素 的水 解 率 ，必 须 对 木 质纤 维 素 进行 预
处理 ， 目的 是 降低 纤 维 素 的聚 合 度 和 结 晶 度 ， 其 破
坏 木 质 素 、 纤 维 素 的 结 合 层 ， 去 木 质 素 ， 加 半 脱 增 有效 的 比表 面积 。
形式 分散 在பைடு நூலகம் 维之 中及 其周 围。脱 去木 质素 的纤 维 素很 容易 被木 霉菌 分解 成葡 萄糖 和木 糖 等单糖 。
在 植 物组 织 中木 质 素 与半 纤 维 素 以 共 价 键形
未 来 生 活 水平 的 决定 性 条 件 。 而 ， 然 随着 人 口数 量 高 ， 人 类 对 各 类 能 源 的需 求 量 持 续 增 加 ， 时 ， 全 同
利用秸秆生产乙醇可行性分析
秸杆生产乙醇的可行性分析秸杆是一种可再生的自然能源资源，也是可以“合理永续地利用自然资源”，它不仅能缓解商品能源的短缺和供给高效饲料，而且有利于农业科技的全面推行和生物质的综合利用，对农村经济可持续进展和生态环境的保护起到乐观的作用。
秸杆能源化工程，可以提高综合利用率，大幅度地提高能源的干净质量，解决了秸杆过剩造成的任凭燃烧问题，是实现经济、社会、能源、生态、环境协调进展的有效途径。
秸杆的主要成分是木质纤维素。
是纤维素、半纤维素和木质素混合在一起的材料。
用木质纤维素作为糖源生产燃料酒精，目前糖的利用和转化率还很低，通常只有百分之十几。
在秸秆中纤维素、半纤维素和木质素通过共价键或非共价键严密结合而成的木质纤维，占秸杆总重量的约70-90％左右。
植物中三者各占的比例随不同来源的植物或植物的不同局部而有所区分，或许的比例数字为：纤维素 30-50%;半纤维素 20-35%;木质素 20-30%; 灰份 0-15%。
其实纤维素的非结晶构造是很简洁被打破的，它可以完全降解成葡萄糖，后者是发酵乙醇的原料。
目前患病的主要问题是，纤维素的结晶构造难以被破坏，致使人们无法完成后续处理。
纤维素和半纤维素被难以降解的木质素包裹，使得纤维素酶和半纤维素酶无法接触底物，这构成了木质纤维素利用的重大障碍。
只有经过有效的预处理方法，破坏了木质纤维素的高级构造，实现纤维素酶和半纤维素酶对纤维素的可及性，才能使木质纤维素作为自然界里最大宗的资源，像淀粉一样被人和动物完全利用。
纤维素被纤维素酶水解的反响通常又称为糖化反响，水解的主要产物是单糖。
植物细胞壁中，纤维素被半纤维素和木质素通过物理和化学作用所包裹，不利于纤维素酶对纤维素的进攻。
木质素是由苯基丙烷聚合而成的一种非多糖物质。
由芳香烃的衍生物以-C-C-键、-O-键纵横交联在一起，其侧链又与半纤维素以共价键结合，形成一个格外致密的网络构造，将纤维素紧紧包裹在里面。
所以，要彻底降解纤维素，必需首先降解木质素。
[课外阅读]干法木质纤维素生物炼制技术研发获重大进展
![[课外阅读]干法木质纤维素生物炼制技术研发获重大进展](https://img.taocdn.com/s3/m/a70f21b143323968001c927f.png)
[课外阅读]干法木质纤维素生物炼制技术研发获重大进展用秸秆制乙醇，代替汽油跑汽车，这当然不是异想天开，但几十年来始终是一块“画饼”——让人垂涎欲滴却不能入口充饥。
不过，由华东理工大学鲍杰教授领衔研发、首次亮相于正在举行的第十六届中国国际工业博览会（上海工博会）的“干法木质纤维素生物炼制技术”告诉我们，让我国每年7亿吨秸秆物尽其用的一天，可能真的已经不远了。
生物炼制乙醇难在哪儿？在中国这样的农业大国，用玉米秸秆、麦秆、稻草等可再生原料，生产液体燃料和化工产品，无论从哪方面说，都是一个造福国计民生而且深具潜力的发展方向。
表面看来，秸秆制乙醇的生物炼制方法——纤维素经微生物分解成葡萄糖再发酵成乙醇，似乎也不是特别高深。
那么，为什么从上世纪70年代第一次石油危机发生到现在，历经40年的探索，这座宝山依然可望不可即呢？在华东理工教授鲍杰看来，“关键是成本”。
生物炼制成本如果不能大幅度降低，达到让工业生产赢利的程度，秸秆制乙醇就只能是画饼难充饥。
而高成本主要体现在纤维素水解酶价格昂贵、产品得率低、过程能耗高以及大量废水处理所导致的环境成本等方面。
例如，考虑到运输半径的限制（50公里），中国的生物炼制工厂生产规模都较小，而且基本都位于生物质资源丰富但基础设施落后的农村地区，能源供给设施和废水处理系统的完善程度都比不上先进的化工大企业，控制得不好，就会出现上世纪90年代在我国曾经遍地开花后又全面关闭的小造纸厂那样的负面范例。
所以，节能减排对产业的正常运作和可持续发展特别重要。
“华理智造”有什么牌？为大幅降低秸秆制乙醇的成本，鲍杰教授的生物炼制科研团队提出了“干法木质纤维素生物炼制技术”，以节能减排为突破口，打出了3张王牌。
第一张是干式稀酸预处理技术。
根据团队成员张建老师介绍，秸秆制乙醇是个“粗粮细做”的活，首先要通过预处理破坏其纤维结构。
比起常规的稀酸预处理工艺，他们的“干式”做法，使得预处理过程的用水量和蒸汽用量降低了90%，做到了废水的零排放，秸秆与酸液的比例则由10:1变成了1:2。
生物技术在石油化工中的应用
生物技术在石油化工中的应用生物技术在石油化工中的应用主要包括生物燃料生产、生物降解材料生产、生物润滑油生产等方面。
生物燃料是目前生物技术在石油化工中的主要应用领域之一。
生物燃料是指利用植物、微生物等生物原料生产的可替代传统石油燃料的产品，主要包括生物柴油、生物乙醇等。
传统的生物燃料生产方式主要为利用植物油及其转化产物生产生物柴油、利用农作物秸秆、木质纤维等生产生物乙醇。
通过利用转基因技术，还可以进一步改良生物燃料生产的原料，提高其产量和质量。
利用微生物生产生物柴油的技术也逐渐成熟，例如通过利用轻气油等石油化工废弃物作为原料，在通过发酵和生物催化作用等技术将其转化为生物柴油。
相比传统石油燃料，生物燃料具有资源丰富、环保、可再生等优点，有望成为未来能源的重要替代品。
另一个生物技术在石油化工中的应用领域是生物降解材料的生产。
传统石油化工生产的材料大多为合成塑料、合成橡胶等，在废弃后难以降解，对环境造成了污染。
而生物降解材料是指利用生物技术生产的可生物降解的材料，其主要原料包括植物纤维、微生物菌体等。
通过利用转基因技术改良原料植物，提高其纤维素、淀粉含量，可以提高生物降解材料的性能。
生物降解材料具有可再生、可循环利用等优点，对环境影响较小，使得其在包装、生活用品等领域有广阔的应用前景。
生物技术还可以应用于生物润滑油的生产。
生物润滑油是指利用生物技术生产的油品，其主要原料为植物油、微生物油等，在应用过程中有较好的润滑性能，并且对环境友好。
利用转基因技术改良油料作物，提高其油脂质量和产量，可以改善生物润滑油的性能和成本。
生物技术在石油化工中的应用领域多样，包括生物燃料、生物降解材料、生物润滑油等。
这些应用的推广可以有效减少对传统石油资源的依赖，减少对环境的影响，对于推动石油化工产业的绿色转型具有重要意义。
生物技术在石油化工中的应用还存在一些挑战，例如原料资源的稀缺性、生物技术产品的成本、性能等方面的不足，需要进一步的研究和改进。
合成生物学技术在工业生产中的应用
合成生物学技术在工业生产中的应用随着生物技术的迅速发展，合成生物学技术逐渐从理论到实践，开始在各个领域得到广泛应用。
合成生物学是指运用基因组学、蛋白质工程学、代谢网络工程学等技术，对生物物质进行系统的设计、构建和调控。
在工业生产中，合成生物学技术可以利用生物合成代谢途径及相关基因调控机制，实现新型合成材料、医药和天然产物等的高效生产。
以乙醇生产为例，传统的乙醇发酵过程需要使用麦芽糖、葡萄糖、玉米淀粉等原料，通过微生物发酵得到乙醇。
但这种方法存在原材料利用效率低、产出成本高、工艺流程复杂等问题。
利用合成生物学技术，可以通过重构代谢途径和调控基因，将大豆、木薯、稻草等农作物废弃物和生物木质素等非食用裸露生物质，作为原料进行乙醇生产。
这种方法利用效率高，可以降低生产成本，同时还可以减少对食用原料的依赖，保障粮食安全。
合成生物学技术还可以应用于生物医药生产。
传统的生物制药生产一般采用转基因细胞或一次性培养皿来生产药物，但这种生产方式存在培养过程中细菌感染、药效不稳定等问题。
而利用合成生物学技术可以构建合成酶代替细胞生产药物，从而避免细菌污染，并且生产出的药物质量稳定。
例如，利用合成生物学方法，可以基于酵母菌构建可大规模生产利用的 L-多巴的生物合成体系，这一生物合成体系相比传统生产方式，不仅生产效率高，而且药物成本更低。
合成生物学技术在生物降解领域的应用也非常广泛。
传统的生物降解工艺通常需要消耗大量的外界能量，同时显得很难掌握。
而利用合成生物学技术可以利用生物材料，在特定媒介条件下，通过微生物发酵、酶催化等方式进行多种类似于生物分解过程的处理，达到降解、脱色、去污等目的。
例如，利用合成生物学技术可以从森林中分离得到的微生物代谢产物，可以将纤维质素、木质素等难以降解的生物物质在自然界环境下有效地降解，从而实现对环境的改善。
总之，合成生物学技术的发展为工业生产带来了新的机遇。
通过对基因调控、代谢途径工程等方面的研究和应用，可以实现新型材料、医药和天然产物等的高效生产，进一步促进工业生产的可持续发展。
乙醇燃料的环保治理和减排技术
乙醇燃料的环保治理和减排技术近年来，全球气候变化不断加剧，环保治理已经成为了一个全球性重要议题，而“减排”已经成为了各国在应对气候变化时的首要任务之一。
在这个背景下，乙醇燃料成为了越来越多国家的重要减排技术和环保治理措施。
本文将以乙醇燃料的环保治理和减排技术为主题，探讨其意义、优劣以及前景等方面的信息。
一、乙醇燃料的环保意义传统燃料的使用，会释放出大量的有害气体，如二氧化碳、一氧化碳等，对环境和人类健康造成影响。
而乙醇燃料则是一种可再生的清洁能源，它的燃烧产生的主要气体是水蒸气和二氧化碳，不会对大气造成危害。
相比传统燃料，乙醇燃料的使用可以有效减少温室气体排放，从而减缓全球气候变化的进程。
二、乙醇燃料的生产乙醇可以通过多种方式生产，其中最常用的是葡萄糖发酵法。
利用葡萄糖发酵可以获得高纯度的乙醇，这种方法广泛应用于工业和农业。
此外，木质纤维素乙醇生产技术也是一种常用的乙醇生产方法。
木质纤维素是一种常见的植物纤维素，可以通过化学或生物方法转化为乙醇。
利用这种方法可以开发利用森林和农业废弃物等资源，减少有机废弃物的对环境的污染。
三、乙醇燃料的优良特性1.清洁环保：乙醇燃料的燃烧产生的主要气体是二氧化碳和水蒸气。
相比传统燃料，乙醇燃料的使用可以有效减少温室气体的排放。
2.可再生性：乙醇是一种可再生的清洁能源，可以通过多种方式生产，如葡萄糖发酵法和木质纤维素乙醇生产技术等。
利用可再生资源生产乙醇可以有效避免非可再生资源的消耗。
3.增加能源安全：利用乙醇作为燃料可以减少对石油等传统燃料的依赖，从而增加能源安全。
4.提高燃烧效率：与传统燃料相比，乙醇燃料在燃烧时有更高的燃烧效率，能够节约能源和降低能源成本。
四、乙醇燃料的减排技术1.生物发酵：利用微生物发酵的方法可以制取高纯度的乙醇。
通过这种方法生产乙醇能够减少碳排放，并且可以同时利用废弃物等资源，减少有机废弃物的对环境的污染。
2.生产可再生能源：使用可再生资源生产乙醇可以避免非可再生资源的消耗，从而减少排放的碳排放。
木质素纤维素糖化发酵生物工程
毕业设计(论文)课题任务书（2010—— 2011 学年） 学院名称：科技学院任务书下达时间1、课题概述： 木质纤维素原料由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，釆用热水自催化 水解、有机溶剂预处理麦秸木质纤维素，可以去除木质素。
本实验拟釆用去木质素纤维素原料进行酶水解，乙醇发酵实验，并与汽爆纤维 素原料的糖化发酵效果进行对比，力求提高纤维素原料对乙醇的转化率，为工业化 生产奠定基础。
要求阅读或检索的参考资料及文献：[1] 中国农业部/美国能源部项目专家组.中国生物质资源可获得性评价[M].北京：中国环境科学出版 社」998, 11-22, 78-79, 101-106.[2] 陈洪章，李佐虎.影响纤维素酚解的因素和纤维素酗被吸附性能的研究[J].化学反应工程与工 艺,2000,6(1),30-34.[3] Ma Teresa Garcfa-Cubero, Gerardo Gonzalez-Benito, Silvia Bolado. Effect of ozonolysis pretreatment on enzymatic digestibility of wheat and rye straw[J|. Bioresource Technology, 2009. 100: 1608-1613.[4] 郭廷杰.美日利用纤维素生物质原料制燃料乙醇的技术开发叮].能源技术,2004, (2)61-63.[5] 柴文淼.纤维素酶水解的进展[J].浙江林业科技,1981, (1)63-65.[6] 易守连.农作物秸秆木质纤维素组分分离及高效循化匸艺研究[D].合肥匸业人学硕士学位论文， 2010,(2) 1-56.[7] 常秀莲•木质纤维素发酵乙醇的探讨[J].酿酒科技,2001, (2)39-42.[8] 汤晖，于淼,汤树德.纤维素酚解条件和连续酶解匸艺的研究[J].黑龙江八•农星人学学 报，2010, (4)72-75・[9] 孙万里.木质素与半纤维素对稻草秸秆酶解的影响[J].食品与生物技术学报，2010, 29(1)18-22.[10] 李稳宏，吴大雄，李宝璋.麦秸纤维素酚解法制糖研究[J].化学工程,2009, (3)125-128.[11] 萤玲玲.半纤维素和木质素去除对纤维素糖化过程的影响[J].农产品加工,2009, (4)31-35[12] 孔雷，赵鸣锚，吴永红•滤纸糖-D\S 比色法测定纤维素酶活力[D]•湖南农业人课题名称木质素纤维素糖化发酵学生姓名 指导教师专业 学号摘要 (1)前言 (2)1」木质纤维素原料的结构 (3)1.2纤维素原料的预处理 (3)1.3纤维素糖化及效果评价 (4)正文 (5)2选题背景 (5)2」课题来源 (5)2.2课题目的及意义 (5)2.3国内关于木质素去除及其对糖化影响的研究进展 (6)3方案论证 (7)3」本课题研究方法 (8)3.2实验过程论证 (8)321纤维素、半纤维素、木质素和灰分的测定 (8)322还原糖测定 (8)4实验过程 (8)4」实验原材料及设备 (8)4.1.1实验仪器及设备 (9)4.1.2药品 (10)4.2实验用溶液及试剂配制 (10)4.2.13,5-二硝基水杨酸(DNS)的配制 (11)4.2.20.1mol/LpH4.8醋酸一醋酸钠缓冲溶液的配制 (11)423各汽爆麦草成分测定相关试剂的配制 (11)4.3汽爆麦草及再处理后汽爆麦草成分测定 (11)4.3.1测定流程图 (11)4.3.2实验操作步骤 (12)4.3.3数据处理 (12)4.4葡萄糖标准曲线测定(测含糖量) (13)4.5葡萄糖标准曲线的绘制 (13)4.5.1葡萄糖标准曲线的绘制(测酶活) (13)4.5.2基本原理 (14)4.5.3滤纸酶活测定方法 (14)4.6糖化效果对比 (14)4.6.1糖化率的计算 (14)4.6.2操作过程 (15)⑴不同预处理过程对糖化效果的影响 (15)⑵不同加料方式对糖化效果的影响 (15)4.6.2糖化液葡萄糖的测定 (15)4.7发酵试验酒精产率的对比 (15)4.7.1酵母活化 (16)4.7.2发酵操作过程 (16)4.7.3生物传感仪法原理 (16)5实验结果及结论 (17)5」葡萄糖标准曲线测定数据及结果 (17)5.2滤纸酶活的计算 (18)5.3汽爆麦草及再处理后性状成分对比 (18)5.4不同预处理对糖化效果的影响 (18)5.5不同加料方式对糖化效果的影响 (19)5.6发酵效果的评价 (19)小结 (19)致谢 (19)参考文献 (20)20木质素纤维素糖化发酵摘要：汽爆处理后的麦草中纤维素占38. 4%o本课题用碱催化有机溶剂去除木质素，使纤维素含量提高到65.00%。
木质纤维素加氢脱氧制备液态燃料进展综述
木质纤维素加氢脱氧制备液态燃料进展综述摘要：随着对烷烃燃料需求的日益增加和全球气候变暖日趋严重，人们正在寻找可长期使用的清洁再生能源。
木质纤维素，纤维素，淀粉等生物质是比较易得的，有希望成为未来的主要碳资源。
生物质中的碳都是在自然界循环的，所以可以成为可连续使用的燃料来源而不收碳排放限制的影响。
生物质直接加氢脱氧是制备生物燃料比较高效的方法，避免了传统乙醇路径的原料利用率低，分离成本高的问题。
本文综述了木质纤维素制燃料的技术进展，并对一些典型过程中所使用的催化剂，表征手段和使用的仪器进行了介绍。
关键词：生物质；加氢脱氧；烷烃。
Abstract：The increased worldwide demand for energy and stress from global warming, particularly from petroleum-derived fuels has led to the search for a long-term solution of a reliable source of clean energy. Biomass like lignin, cellulose, starch are quiet available and it is possible for them to replace petroleum as major carbon recourse in future. Biomasses appear to hold the key for a continuous supply of renewable fuels without compromising with the increasing CO2 emission limits since all carbon are recyclable. The hydrodeoxygenation of biomass is a relatively high efficient way to synthesis bio-fuel, whereby avoid the problem of low usage-rate of raw material and high separation costs in ethanol process. This article is a review of development of biomass hydrodeoxygenation technology, in which the preparation of catalyst, characterization, and instruments would be used were also introduced.Keywords: Biomass; hydrodeoxygenation; Alkane.不断增长的全球能源消耗与随之而来的大量CO2温室气体的排放已经成为21世纪全球能源的两个主要问题。
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收稿日期:2007-07-28作者简介:文震林(1979-),男,毕业于上海大学,硕士,研究方向环保技术及应用化学研究。
生物技术在木质纤维素转化乙醇中的应用文震林,李岚,蒋智梅(江西省科学院,江西 南昌330029)摘 要: 能源是经济发展的一个重要影响因素,木质纤维素转化乙醇为可持续能源提供了一个良好的解决途径。
木质纤维素转化乙醇的过程主要包括原料预处理、酶水解和发酵过程,文章综述了生物技术在其过程中的新发展,指出固定化酶、基因工程菌等技术大大促进了木质纤维素转化乙醇的工业化进程,具有光明的发展前景。
关键词: 木质纤维素乙醇生物技术中图分类号: Q33 文献标识码: B 文章编号: 1005-7676(2007)03-0057-03Appli ca ti on of B i otechnology i n the I nverti n g L i gnocellulosi c i n to EthanolW EN Zhen 2lin,L ILan,J I A NG Zhi 2mei(J iangxi Acade my of Sciences,Nanchang 330029)Abstract: Energy is an i m portant influencing fact or of econom ical devel opment,and the inverting lignocellul osic int o ethanol p r ovides a favorable s oluti on for continuable energy .The p r ocess of the inverting lignocellul osic int o ethanolmostly include p re 2treat m ent 、enzy matic hydr olysis and fer mentati on,in this paper ne w devel opment in the p r ocess of the bi otechnol ogy are re 2vie wed,and the paper indicate that the enzy me i m mobilizati on 、genetically engineered m icr oorganis m and others largely p r omote the industrializati on course of the lignocellul osic,and the future is bright .Key words: lignocellul osic;ethanol;bi otechnol ogy1 介绍随着中国经济的发展,能源问题日益重要。
以玉米、淀粉为基础原料来生产酒精,由于受土地限制产量是不可能大幅度增加的。
我国的植物纤维资源非常丰富,而且属于一种可再生资源,因此若能充分利用这些木质纤维资源,将是我国能源可持续发展的必由之路。
木质纤维素转化为乙醇是近年来国际上研究的一个热点,日益受到研究者的广泛重视。
木质纤维素转化为乙醇的过程主要包括三个步骤,即原料的预处理、酶水解和2发酵[1]。
目前这一领域的研究非常活跃,这里主要对木质纤维素转化为乙醇过程中一些生物技术的新进展加以介绍。
酶法水解由于具有低能耗、产品专一并符合3政府的环保政策而成为将来发展的主要手段[2]。
目前的纤维素酶由于其活性和稳定性水平使得其制造成本过高而阻碍着对生物质的水解应用。
开发高效活性并稳定的纤维素酶成为酶制剂研究领域的必然。
2 木质纤维素转化为乙醇的过程2.1 预处理木质纤维素难以被直接用来生产乙醇,预处理的目的主要是去除木质素和半纤维素,以提高可水解的总量。
在微生物的预处理过程中,一些微生物例如褐色、白色和温和的腐败真菌可以被用来降解废物原料中的木质素和半纤维素。
白色腐败真菌对于木质纤维原料的微生物预处理效果最好,许多白色腐败真菌产生的细胞外酶能够降解木材细胞壁。
其他的酶包括多酚氧化酶、漆酶、过氧化氢生成酶和苯醌还原酶・75・开发应用 江西能源 2007(3)也能降解木质素。
微生物预处理的优点有低能耗和温和的作用条件。
然而,大多数的微生物预处理过程中的水解速度很慢[3]。
由此可以看出,在生物法预处理的过程中,还需要很多的研究突破,以提高生物技术预处理的效率;但其较高的纤维素利用率和较低的资金投入优势,又为生物技术的研究注入了活力。
2.2 酶水解酶水解的效率是木质纤维素转化为乙醇的关键步骤。
虽然酶水解的研究已开展多年,但酶水解效率仍然较低。
酶用量低则需较长的反应时间,较短的反应时间则需较高的酶用量。
纤维素酶是一种多组分的复合酶,现已确定纤维素酶含有3种主要组分,即内切型-β-葡聚糖酶、外切型-β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷糖酶[1]。
在纤维素水解过程中,首先由内切型-β-葡聚糖酶优先在纤维素聚合物的内部起作用,在纤维素的无定形区进行切割,产生新末端,生成较小的葡聚糖;再由外切型-β-葡聚糖酶作用于末端基释放出纤维二糖和其他更小分子的低聚糖;最后由β-葡萄糖苷酶将纤维二糖分解为葡萄糖分子。
纤维素酶目前一般是回收上层清液中的游离酶。
纤维素酶转化率低及其酶活性不稳,是限制纤维素生产乙醇的主要环节。
随着分子生物学的飞速发展,通过基因工程途径构建生产纤维素酶的高效工程菌已成为可能。
现已有将克隆到的纤维二糖酶基因进一步转化到里氏木霉细胞中,从而提高其纤维素酶活力的报道。
王希国[4]等认为,降解纤维素的真菌种类多样,每种微生物纤维素酶系复杂,酶系内同工酶普遍存在,以现在的生化工艺,对纤维素酶全部分离提纯很难实现。
因而无法具体研究纤维素降解具体过程和具体参加作用酶类。
另外多数纤维素降解研究菌株单一化使研究结论不能具有代表性,同时对纤维素降解机制研究都是以纤维素模型物进行的,很难反映纤维素在天然情况下降解过程中的全貌,也就很难证明其研究结论的准确性。
因此广为学者所接受的真菌纤维素降解机制仍难以提出。
Johan[5]等研究了PEG-木糖和Hypocrea jecori2 na酶Ce17A和Ce17B之间的相互作用。
运用科学的研究方法,例如从已知的不同种类的纤维素酶的基因进行表达和纯化;发现新酶的活性,通过基因工程和蛋白质工程识别新的纤维素酶蛋白质;在先进的工艺条件下通过蛋白质工程和直接的转化来提高纤维素酶的性能,使酶获得改进;并寻找使最大量的生物质混合物降解的最优化方案。
这些研究成果最终导致发现了几种新型的糖基水解酶。
以前很多的未知的里氏木霉(T.reesei)蛋白质的基因密码也被发现,例如:葡聚糖酶、壳多糖酶、蛋白酶等等[6]。
固定化酶是纤维素酶研究领域中生物工程的一个重要方面。
Massayuki和Kumakura[7]等以肠溶衣聚合物为载体固定化纤维素酶,可保留酶活力60%以上,回收率可达100%,并且对微晶纤维素的水解率明显高于游离酶。
固定化纤维素酶技术是促进纤维素糖化发酵实现工业化生产的一个重要研究方面。
酶制剂的成本是限制酶的使用的一个限制因素。
因此,低成本酶制剂的研究一向受到重视。
杰能科国际生物公司与美国能源部合作开发初了低成本的酶制剂,其成本已经降低到原来的三十分之一,甚至更多,酶制剂的成本问题已不是其工业化的主要障碍[8]。
目前对于发展用纤维素酶生产乙醇的研究主要集中在以下几方面[2]:(1)发现和克隆从自然界来源的酶;(2)通过分子演化和设计来提高酶的功能性;(3)通过强化的低成本发酵来生产酶制剂。
2.3 发酵发酵主要是将酶水解产物进一步的发酵分解,产生出含有大量乙醇的产物。
如何在发酵的过程中,提高目标产物乙醇的产量,减少副产物的产生是该过程研究的一个重要方面。
另外,在发酵过程中也存在有解毒(反抑制)问题,主要表现有抑制菌体生长、降低微生物对营养物质的利用率、抑制乙醇的生成、降低乙醇的产率。
其抑制物主要有醛类、有机酸、呋喃、木素的降解产物、盐类等[1]。
Fein[9]等分离出了7种能够发酵天然木材水解产生的木糖产生乙醇。
并发现木糖醇是一种主要的副产物,其产量随着使用的菌株的量发生改变。
Can2 dida tr op icalis是一种从木糖产生乙醇的最有效的菌种。
N ichols[10]等报道了一种带有转磷酸酶(PtsG)突变E.coli菌株的异种,能同时发酵己糖和戊糖,乙醇得率可达理论值的87%～94%。
目前对半纤维素的研究,主要集中于利用基因生物学方法开发能发酵戊糖的菌种,比如Escherichia coli或者Klebsiella oxy2 t oca[1]。
Chandrakant[11]等人的研究表明,Sacchar omyces cerevisae发酵菌种仅对木质纤维原料中的己糖起作用,而对半纤维素中的戊糖却不起作用,不能充分利用半纤维素,因而乙醇产率较低。
若加入木糖异构酶和四硼酸钠,使用Sacchar omyces cerevisae可以同时・85・江西能源 2007(3) 开发应用将葡萄糖和木糖发酵转化成乙醇,乙醇得率可达理论值的90%。
纤维素水解产物也会对乙醇的产生起抑制作用,主要是抑制菌体生长,降低微生物对营养物质的利用率,降低乙醇的产率。
Zaldivar[12]等以Escherichia coli为发酵菌种,研究来自半纤维素水解产物以及木素降解产物(如儿茶酚、邻甲氧基苯酚、对苯二酚、愈创木酚、香草醇等)的抑制作用,发现这些化合物的毒性与其疏水性有直接联系,愈创木酚的毒性最强,这些化合物与糠醇和糠醛的毒性不仅具有简单的叠加性,而且存在某种协同作用。
近年来[1],国内外许多研究者致力于构建可以高效代谢五碳糖和六碳糖产乙醇的基因重组菌。
目的是尽可能地扩大重组菌的底物范围,提高糖的利用率。
主要研究思路为,一是将戊糖代谢途径引入只能代谢己糖的良好的产乙醇菌种中;二是将高效的产乙醇关键酶引入能代谢混合糖但乙醇产量较低的菌种中。
在发酵混合糖产乙醇的重组细菌研究中,使用最多的是Z.mobilis和E.coli。
3 前景展望近年来,生物技术在木质纤维素转化乙醇中的应用研究,加速其技术工业化的进程,已成为该项技术研究者关注的一个热点。
随着研究的深入,生物技术的优势也会日益显现。
基因工程菌、固定化酶等成熟产品也会相继问世。
我国的植物纤维资源丰富,农业、森林、食品发酵、轻化工业等都存在有大量可利用的纤维素资源,早日将其应用于工业化生产乙醇的过程,是我国能源可持续发展的重要途径。
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