木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术刘旭亮

木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术刘旭亮
发布时间：2021-08-06T07:31:51.419Z 来源：《中国科技人才》2021年第12期作者：刘旭亮[导读] 木质纤维是地球上数量最大的可再生资源，木质纤维生物量可用来生产乙醇，能替代有限的石油产品，而乙醇是一种可再生能源，可通过糖发酵获得。

基于此，本文详细探讨了木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术。

刘旭亮
新疆中泰纺织集团库尔勒纤维公司
摘要：木质纤维是地球上数量最大的可再生资源，木质纤维生物量可用来生产乙醇，能替代有限的石油产品，而乙醇是一种可再生能源，可通过糖发酵获得。

基于此，本文详细探讨了木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术。

关键词：木质纤维；乙醇；生物转化技术
随着现代工业的发展，开发环境友好型可再生资源变得越来越重要。

纤维素乙醇作为一种环境友好的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

此外，我国植物纤维资源丰富，若能充分利用这些木质纤维资源，开发新的利用途径，将是我国能源可持续发展的必由之路。

一、木质纤维特性
木质纤维（xylem fiber）是天然可再生木材经化学处理、机械法加工得到的有机絮状纤维物质，广泛用于混凝土砂浆、石膏制品、木浆海棉、沥青道路等领域。

可用于制造中纤板，用于家居建材行业。

其具有以下特性：①木质纤维素不溶于水、弱酸和碱性溶液；pH值中性，可提高系统抗腐蚀性；②木质纤维素比重小、比表面积大，具有优良的保温、隔热、隔声、绝缘和透气性能，热膨胀均匀不起壳不开裂；更高的湿膜强度及覆盖效果；③木质纤维素具有优良的柔韧性及分散性，混合后形成三维网状结构，增强了系统的支撑力和耐久力，能提高系统的稳定性、强度、密实度和均匀度；④木质纤维的结构粘性，使加工好的预制浆料均匀性保持原状稳定，并减少系统的收缩和膨胀，大幅提高施工或预制件的精度；⑤木质纤维具有很强的防冻和防热能力，当温度达到150℃能隔热数天；当高达200℃能隔热数十小时；当超过220℃也能隔热数小时。

二、快速预处理技术
木质纤维材料中的可糖化纤维素和半纤维素在木质素包裹下形成稳定的结构，很难被直接水解或酶解。

纤维素由糖分子的极性基团通过氢键相连成长链，在木质素的包裹下形成坚固而稳定的晶体结构，在普通条件下不易被水解或稀酸糖化，酶解糖化是最为经济有效而环境友好的途径。

半纤维素分子和纤维素类似，由糖分子构成长链，但其非晶体结构较脆弱，不像纤维素强稳，易在稀酸预处理中被糖化。

木质素在植物体中起结构强化和支撑作用，也是植物抵御病菌侵袭的物理障碍，不易被微生物降解，特别是在缺氧条件下。

富氧条件下木质素的生物降解较缓慢，难以达到工业规模生产要求。

木质纤维原料通常需适当的预处理来破除木质纤维的晶体结构及木质素对纤维素和半纤维素的包裹，增加供酶接触的有效表面积，并消除对微生物有危害的毒性物质，以利生物降解。

预处理方法可是物理、化学、生物的，也可取其交合运用。

在选择预处理方法时，要考虑木质纤维原料特点、经济和环保性能要求，以及整体工艺设计，避免盲目性。

最为看好的是蒸爆、酸解和碱湿氧化。

三、C6/C5糖共发酵微生物代谢工程技术
木质纤维含有半纤维素，其糖化不仅产生C6糖（D-glucose及其异构体），而且有C5糖（D-xylose和L-arabinose）。

由于普通酵母只能发酵C6，对C5缺乏代谢能力，而且易受降解产物的抑制，半纤维素的利用在较长时期被忽视，直接影响了木质纤维原料生物转化乙醇的经济效益。

尚无天然微生物能将木质纤维糖化液中的C6和C5糖同时快速有效地转化为乙醇，因此，开发出能对C6和C5糖进行快速、完全、同步发酵且抗逆性强的工程菌株成为当务之急。

通过遗传重组来解决C6/C5糖共发酵难题已在一些微生物中获得部分成功，如常见的Saccharomyces cerevisiae、Escherichia coli等。

这些是研究和应用基础相对较好也最成功的重组平台。

重组S.cerevisiae发酵路径遇到的一个棘手问题是C5转运不好，使发酵达不到理想效果。

目前，美国能源部的国家可再生能源实验室（NREL）已在攻克这一难题。

四、微生物酶工程技术
木质纤维的生物降解由一系列纤维素酶、半纤维素酶和木质素酶组成的复杂系统来执行。

一般纤维素酶生产菌也生产半纤维素酶。

因木质素不含可发酵糖，其降解是个综合利用问题，不是糖化目标。

在工业规模的木质纤维生物转化中，大部分半纤维素在预处理阶段就被糖化，而且许多纤维素酶对半纤维素也有活性，故纤维素才是酶解糖化阶段的重点对象。

纤维素酶按存在状态可分为自由酶和络合酶系统。

好氧真菌和好氧细菌一般产生自由纤维素酶，而络合纤维素酶系统则主要源于厌氧细菌和少数厌氧真菌。

一个纤维素酶系统按作用方式可大致分为：内切葡萄糖苷酶和外切葡萄糖苷酶。

纤维素酶成本一直是一个困扰木质纤维生物转化乙醇技术产业化的主要障碍之一。

遗传重组技术不仅用于控制发酵代谢途径，而且也是纤维素酶优化的一个重要技术手段。

应用遗传重组技术开发优质纤维素酶、半纤维素酶和木质素酶工程菌，高活性纤维素酶酵母工程菌和产朊假丝酵母工程菌等GEM材料已取得显著成绩，包括将纤维素酶编码序列克隆到细菌、酵母、霉菌和植物中，以产生新的更优质纤维素酶。

一个重要进展是细胞表面工程技术，即在酵母细胞表层蛋白基因上植入纤维素酶等基因，使菌体和酵素在反应器内始终保持高浓度，持续反复利用，从而降低成本，提高糖化效率。

归纳起来，微生物酶工程技术策略可分为：①选用抗逆高产工程菌来改进纤维素酶的就地生产；②用异源纤维素酶重组更有效的纤维素酶系统；③将外源纤维素酶基因转入优质发酵工程菌，使之至少能供应木质纤维直接转化乙醇所需的部分纤维素酶；④将外源发酵基因转入纤维素酶生产菌，实现酶解和发酵工程菌的一体化；⑤运用代谢工程策略增加欲求、强化有利和排除不利的代谢途径。

此外，应用纳米技术进行分子设计，可“对号入座”，制造与纤维素酶结构和功能类似的纳米催化剂，获得新的或更加稳定转化的催化途径，并实现催化剂的固定重复循环使用。

同时，通过纳米传感器和无线网络对酶解发酵过程进行智能化在线监控，可实时精确优化动态反应条件，提高酶解发酵效率。

五、综合利用技术
木质素不含糖，目前还未发现将其转化为乙醇的有效方法，其主要用途是燃烧发电或供热。

开发高附加值的木质素综合利用技术，通过增加收益来降低木质纤维生物转化乙醇的生产成本，是使经济和环保相得益彰的必然选择。

由木质素生产高octane的燃料添加剂技术已取得进展，将纤维素直接化学转化为高附加值产品的技术也在探索中，对促进木质纤维资源综合有效利用及提高生物乙醇技术的市场竟争力将大有助益。

另外，木质纤维原料可生成多种高附加值的主产品和副产品（如燃料添加剂、生物塑料、化学品等）。

尽管酒精燃烧时产生的热能比汽油低，但酒精的辛烷值比汽油高许多，是抗爆剂，又是助燃剂，所以用汽油醇作燃料不用再添加四乙基铅或MTBE，就可成为高标号燃料油，从而可减少空气中铅的污染。

六、木质纤维生物转化乙醇工艺的优化
木质纤维生物转化乙醇技术的发展是一个渐进的过程。

最初是从化学转化演变而来，即用酶解替代酸解，再发酵，即分步糖化发酵（SF）法。

SF法存在纤维素酶受葡萄糖和纤维二糖终产物抑制，酶解效果差、酶制剂用量大的弊端。

因此，同步糖化发酵（SSF）法便应运而生。

SSF法使水解与发酵两步合一，消除了SF法的弊端，提高了糖化效率。

随着遗传重组微生物技术的应用，以前无法实现的C6/C5糖共发酵成为可能。

目前，相对比较成熟的是美国能源部的国家可再生能源实验室（NREL）推荐的同步糖化共发酵（SSCF）法。

SSCF法把源于半纤维素的木糖等C5糖和源于纤维素的葡萄糖等C6糖一道转化成乙醇，从而提高转化效率，降低生产成本。

此外，通常大部分半纤维素在预处理中便被糖化，所释放的C5糖易损失，需及时发酵。

总之，木质纤维是地球上数量最大的一种可再生资源。

据估算，若发展能源林业与回收利用废弃木质纤维并举，每年可保障替代1/3以上运输燃料的酒精产量。

为此，发展经济有效而环境友好的木质纤维生物转化乙醇技术，已成为世界生物能源科技发展的战略制高点。

参考文献：
[1]陈介南.木质纤维生物转化乙醇技术[J].生物技术通报，2015（02）.
[2]王义强.木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术[J].林业科学，2015（05）.。