生物质的生物转化与利用

食品技术进展讲座报告

【摘要】生物质的生物转化与利用在生物质能源开发、生物质材料制备和生物活性药物制取等领域已取得了丰厚的研究成果，本文以上几个方面进行了综述，并对生物质资源生物转化的方式与途径进行了分析。

【关键词】生物质生物转化生物能源生物材料生物活性药物

【前言】建立在石油、煤炭及天然气等化石资源基础上的现代化学工业，一度成为满足人类生活和保障社会经济发展的重要基础工业。但由于化石资源的过度开发与利用累计的效应，相继也出现了诸多问题，化石资源储量的有限性，诱发了化石资源的渐趋枯竭问题；化石资源转化过程中产生的环境污染物，导致区域性和全球性环境、生态问题；另外，众多由化石资源而来的化学合成品的不可降解性，使用之后的残留物成为危害环境的世界性公害。为控制或减少化石资源的使用、降低环境和生态成本，各国政府纷纷颁布政策法规，鼓励开发利用可再生资源，尤其是生物质资源[1]，因此生物质资源的转化与利用也成为当今各国化学化工领域研究的热点问题 [2]。从理论上讲，生物质资源的转化与利用主要有以下4种方式：生物质资源的物理转化与利用、生物质资源的物理化学转化与利用、生物质资源的化学转化与利用和生物质资源的生物转化与利用。实践证明，前3种方式都不同程度地存在着转化与利用条件苛刻、资源利用率较低和环境污染等问题，而生物质资源的生物转化与利用的条件比较温和，并能实现多级循环利用，不仅不会对环境造成危害，而且还有利于改善已经被破坏了的环境与生态。本文主要从生物质资源的生物转化与利用在生物质能源开发、生物质材料制备和生物活性药物制取等领域研究现状进行了概述和前瞻。

【正文】

1 生物质生物转化生物质能源

生物质资源是由生物直接或间接利用绿色植物光合作用而形成的有机物。它包括所有的植物、动物或微生物，以及由这些生物产生的排泄物和代谢物。各种生物质资源中都含有能量，可以转化为能与环境协调发展的可再生能源，即生物质能。利用生物转化技术能将生物质资源转化为各种洁净的“含能体能源”，如沼气、燃料乙醇、生物氢和生物油等。因此，对生物质资源生物转化能源的研究成为目前能源研究领域的重要课题。

1.1生物质资源生物转化沼气[3]-[6]

沼气是有机物在厌氧条件下经微生物分解发酵而生成的一种可燃性气体。主要原料：人畜禽粪便、秸秆、农业有机废弃物、农副产品加工的有机废水、工业废水、城市污水和垃圾、水生植物和藻类等有机物质。

在各种可供开发的生物质资源中，农作物秸秆是最为丰富的一种富含有机质(80％—90％的生物质资源)。早在20世纪80年代，我国以植物秸秆为发酵原料生产沼气的技术就在户用沼气池中有过应用，后来由于产气效果不理想及出料难等问题没有解决而逐渐停滞。近年来，随着生物技术的进步以及农业主产区秸秆资源的过剩和部分地区农民就地焚烧秸秆带来环境问题，植物秸秆生物转化沼气研究重新引起重视。以沼气为纽带综合开发利用生物质资源的途径，即种、养、沼、加工业相结合的物质循环模式是最有实效的，三个效益（经济、社会、生态环境）的观点是开发农业废弃物资源化全过程的出发点和归宿。[3] 如今的沼气建设重点是由户用沼气池转移到大中型沼气池，沼气工程以产气为主要发展为处理有机废弃物治理环境，沼气残留综合利用为主。在沼气残留物综合利用的研究中，要从单纯的有机肥效果向饲料添加剂和提取生物粪活性物质发展。用高科技方法研究沼气工作的设计、设备、发酵工艺及综合利用。使之成

为综合利用生物质资源的系统工程。

1.2生物质资源生物转化燃料乙醇

生物质资源生物转化燃料乙醇的发展经历了3个阶段：第1阶段是以玉米、小麦为原料，是发展燃料乙醇的初始阶段。而利用粮食产品或油料作物，虽然技术已经成熟，但却面临着“与人争粮”的问题。显然，仅依靠粮食作为燃料乙醇的原料，并非长久之计。第2阶段是非粮燃料乙醇阶段，以薯类等为原料。但是，薯类也在国家粮食统计范围内，并且薯类生产有地域限制，因此这一方案也不能完全满足未来的需要。第3阶段是以农业废弃物如植物秸秆等为主要原料制燃料乙醇。植物秸秆生物转化获得燃料乙醇的关键是获得纤维素乙醇用酶，使纤维素物质产生葡萄糖进而发酵获得燃料乙醇。

为将纤维素转化为乙醇，[7]Genencor公司于2007年10月开发出了第一种商业化生物质酶Accellerase 1000，该酶可使复杂的木质纤维素生物质还原为可发酵的糖类，且具有以下优点：①可提高各种原料的糖化性能；②可使糖化与发酵过程(SSF)同时进行，为二步依次进行的水解与发酵(SHF)过程或两者的组合；

③高活性的葡糖酶，可使残余的纤维二糖量最少，从而有较高的糖化作用，并最终有较快的乙醇发酵速度，产率也可提高；④未澄清的产物，即酶生产中剩余营养物除了由糖化作用产生发酵糖类外，适用于作酶母；⑤可保证酶配方化学品不会影响糖化碳水化合物(醣)的分布或继而影响酶母发酵。该公司于2008年3月初宣布又开发了新一代纤维素乙醇用酶Accellerase 1500[8]。使用该酶从纤维素原料如谷物秸秆、甘蔗渣、木屑、换季牧草来生产乙醇或生物化学品可大大降低成本。

我国清华大学李十中教授主持研究的甜高粱秆固体发酵乙醇技术，采用我国传统的固体发酵技术，让甜高粱秆在发酵池中发酵，然后再蒸出乙醇。发酵时间30 h(玉米乙醇为55 h)，乙醇回收率高达94％。

1.3 生物质资源生物转化制氢

生物质资源生物转化制氢既可用于燃料电池，也可成为今后氢燃料的主要来源之一，具有较大的发展前景。近年来，世界各国在生物质资源生物转化制氢方面，从产氢的机理、细菌的选育、细菌的生理生态学、生物制氢反应设备的研制等方面都进行了大量研究。迄今为止，已研究报道的生物质资源生物转化制氢主要有光合生物转化制氢和发酵生物转化制氢2种方式。

光合生物转化制氢是利用藻类和光合细菌直接将太阳能转化为氢能[9]。光合生物转化制氢的途径有光合成生物制氢、光分解生物制氢、光合异养菌水气转化反应和光发酵4种。光发酵生物制氢主要是通过光子捕获光合作用后的能量，将电荷分离产生高能电子，并形成ATP，而高能电子产生Fdred，固氮酶利用ATP 和Fdred将氢离子还原为氢气，因而这种方式的产氢量相对于其他3种途径比较高。由于发酵生物转化制氢利用的是厌氧化能异养菌，与光合制氢相比，有无需光照、产氢率高和产氢稳定等优点，因此厌氧发酵制氢法被认为是更具有发展潜力的生物质资源生物转化制氢方式。厌氧产氢微生物是厌氧发酵制氢过程中的核心，很多研究者针对厌氧发酵产氢的发酵类型、菌种选育等方面进行大量的工作。

目前报道的产氢细菌多数为丁酸发酵和混合酸发酵，梭菌属(Clostridium)为丁酸发酵中的主要产氢细菌，肠杆菌为混合酸发酵中的主要产氢细菌。

就厌氧发酵进行微生物产氢的方式来看，[9]大体上可分为2种类型：一是利用纯菌进行微生物产氢，二是利用厌氧活性污泥或其他混合物，以混合培养方式进行产氢。为了突破野生型细菌的产氢能力，人们把诱变育种和基因改良作为进