秸杆生物转化燃料酒精研究现状

组 分 的 现 代 生 物 技 术 应 用 酿 酒 酵母 工 程 菌 的 构 建 和 发 酵 工 艺 酒 精 脱 水 等 新 技 术 应 用 展 望 了
,
、
、
、
、
、
秸 杆生 物 转化 酒精的 可 能的 工 业 化途径
。
关 键 词 秸 杆 生 物 燃 料 酒 精 纤 维 素 酶 酿 酒 酵母 工 程 菌 渗 透 蒸 发 膜
,
个 省 试 点 生 物 质 转 化 燃 料 乙 醇 的生 产 「 」
‘
。
生 物 质 资 源 是 人 类 赖 以 生 存 的基 本 物 质 来 源
,
秸 杆预 处 理
采用 酶水 解 木 质 纤 维 必须 要将秸 杆进 行 预处
,
其 中仅
被利用作 为人类食物 和 工 业 原料 而
, , ,
。
的木 质 纤 维 素 未 被 利 用 这 就 正 是 世 界 上 存 在 的最 广 泛 的 可 再 生 性 生 物 质 资 源 质 资源 利用有
高产 纤 维 紊 酶 菌 种 的诱 变 育 种
早 在 二 次世 界 大 战 时 期 由于 军 事 需 要 系 统 筛
,
固态 发 酵 法 固体 发 酵 过 程 类 似于 鼓 曲 生 产 其 缺 点 是 大 规
,
。
模 生 产 重 现性 差
中 国科 学 院化 工 冶 金 所 田 忠厚 等 人 用 绿 色木 霉固体发 酵制 取纤 维 素 酶 曲 酶 活性
。
由于其 水 解 条 件 相 对 温 和 使 木 质 素与纤 维
, ,
。
公 司 〔习 利 用 从 遗 传 工 程 菌
素 半纤 维素分离 从 而 可 进一 步用酶水解
,
、
、
国外
所 制 成 的酶 将 玉 米 秸 秆 中 的 纤 维 素 转 化 成 糖 然
收稿 日期 作 者 简 介 何 昌义
一
在这方 面研究较 多 但 仍存 在 着 技 术 成 本 问题 和
第
卷 第 期 月 年
武汉生物工程学 院学报
冲
几少
秸杆 生 物 转化燃料酒精研 究 现状
何 昌义
’
,
吴柏春
,
武 汉 生 物 工 程 学院 应 用 生 物 技 术研 究 所
,
湖 北 武汉
武 汉 生 物 工 程 学院 科 研 处 湖 北 武 汉
摘 要 重 点 介 绍 了 我 国 自主 技 术 开 发 的 秸 杆 预 处 理 产 酶 菌 的 诱 变 育 种 纤 维 素 酶 活 性 提 高 酶 系
环境 已先后停产
,
木质纤 维素预处理技术很 多 如辐射 粉碎 高
,
我 国华 东 理 工 大 学 采 用 稀 酸 添
,
、
压 热 水 有 机 溶 剂 稀 酸 低 温 浓 酸 酸 催 化 的蒸 汽
、
、
、
、
加 氯 化 亚铁催 化 水解 进 行 了反 应 机 理 及 设 备 等一 系列 研 究 改 进
。
水 解 蒸 汽 爆 碎 液 氨爆 碎 碱 水解 及 使 用 非 离 子 表
面 活性 剂 等 其 中最 有 希 望 的是 稀 酸 预 处 理 和 蒸 汽
,
、
、
、
该项技术 利用 廉价低压蒸汽 废
, ,
盐 酸水解工 艺 在技 术 上 可 行 在 经 济上 也 可 行 目
,
爆碎处理
。
前正在推广
本 低 的优 点
、 。
〕
。
稀酸预处理
, ,
酶水解工 艺 具 有 反 应 条件 温 和 收得 率 高 成
日本 的
一 一
பைடு நூலகம்
倍
、
倍和
倍 均较
,
。
蒸汽爆 碎 法 是 用 蒸 汽 将 生 物 质 原 料 加 热 至
并保温
,
。
纤 维 素酶 制 剂 活力 高
,
此 高温高压 导
和
。
一
是 我 国 目前 纤 维 素 酶 活 力 较
致 木 质 素软 化 突 然 降 压 后 造 成 纤 维 素 晶 体 的 爆 碎 使 木 质 素与 纤 维 素 分 离
,
。
径 转化 各 种 己 糖 六 碳 糖 为 乙 醇 具 有 生 成 菌 体 量 少 发 酵快 乙 醇 得 率 高 等 特 点 但 不 能 利 用 木 糖 和
山 东 大 学 用 备 料 废 渣 配 制 培 养 基 固体 发 酵 生
瑞 氏木 霉 绿 色 木霉 野生菌
一
产 纤 维 素 酶 曲 继 之 进 行 酶解 细 杂纤 维 发 酵 生 产 酒
,
精 的探 索
’
。
研 究 结果显 示 采 用 纤维 素酶产生 菌
一
,
间 寸 体
卧青霉
一
和 居葡 萄 糖 昔 酶 产 生 菌 曲 霉
,
,
素 酶 菌株 前 者 是 绿 色 木 霉 后 者 是 绿 色 木 霉
,
一
。
,
动物 可 消 化 率 也 达
。
以上
未经爆碎处
等
菌
。
山东 大学
・
,‘〕
通过诱变选 育出一株高产
、
,
理 其 消化 率 仅 为
,
山东 大学和南京林 业 大
,
、
学 利用 上 述设备 优化工 艺条件 进 行秸杆蒸汽爆
,
— 维 素酶 而 且 具 有 抗 高浓 度 葡 萄糖 阻 遏 特 性
。
理 因 为 木 质 纤 维 由木 质 素 半 纤 维 素 纤 维 素 组 成 它 们 相 互 缠 绕 而 且 纤 维 素 结 晶度 高 一 般 不 易
, ,
、
、
年来对 生物
条技 术 路 线 一 是 用 浓 硫 酸 高 温 降
,
被 微 生 物 降解 即 使 可 以 部 分 降 解 其 速 率 也 十 分
。
醒人 们 以 石 油 等不 可 再 生 能 源 为 基 础 的现 代工 业
社 会 发 展 模 式 已 难 以 维 持 寻 找 可 再 生 的清 洁 能 源
,
艰 苦 的工 作 在 酶 水 解 生 物 转 化 酒 精 研 究 工 作 中
,
已 成 为世界 各 国最 紧迫 的任 务 已有
。
到
年 我国
,
取 得 了 长 足 的进 展 本 文 将 重 点 介 绍 这 些 进 展
, ,
斜 卧青 霉 尸
不仅 高产纤
。
碎试验 结果
, , ,
以 上 的纤 维 素 半纤 维 素 与木 质
。
以 上 表 明 以 木 霉 为起 始 菌 采 用 诱 变 方 法 是 可 以 获 得 高 产 酶 菌 株 的 但 需 要 掌 握 诱 变 因子及 有 效
素得 到 分 离 并 产 生 一 些 单 糖 和 寡 糖
,
纤维 素酶组成 研 究
纤维 素 酶 的总 称 纤 维 素酶 是 水 解 木 质 纤 维 酶 的 总 称 它 包 括 至
,
,
性 副 产 物 的 良好 抗 性 并 与 纤 维 素 完 全 水 解 所 需 的
,
少
,
种 酶 即 葡 萄 糖 内切 酶 葡 萄 糖 外 切 酶 和 片葡 萄
。
、
“ 纤 维 素 酶 有 协 同作 用 〔 〕
, ,
解 木质纤 维材料 二 是 生 物 转 化 即 用 纤 维 素 酶 降 解木质纤维 前 苏联 德 国和我 国黑龙 江 以 废 木
,
,
、
、 。
缓慢 题
。
。
所 以 原 料 预 处 理 成 为 转 化 技 术 的第 一 大 难
,
、
、
、
料 为原 料 进 行 酸 水 解 但 该 法 成 本 高 收 率 低 污 染
用 稀 酸 在 较 低 的温 度 下 处 理 木 质纤 维 可 以 只
,
但 目前 从 报 道 上 看 纤 维 素 酶 活 性 不
, ,
。
降 解 其 中 的 半 纤 维 素 而 且 提 高 了 纤 维 素 的可 降 解
,
高 酶系组 成不 合理 还 未 能 达 到工 业 化 要 求
年 加拿大
, , ,
性
, ,
大 型 发 酵 罐 中使 用
稀 酸 处 理 后 脱 毒 的水
葡萄 糖进 行 高分 辨 率
,
纤 维 素 玉 米 浆 和 其 它 微 量 营养 物
出活 性 位 点 氨 基 酸 残 基 的基 础 上 发 现 对
定
作为产酶 培 养 基 用 氨 水 来 控 制
源 通气量为
,
。
值并 提供氮
・
点 修 饰 可 以 使 三 酶 系 统 对 生 物 质 的最 终 糖 化 率 提
。
糖昔酶
由绿 色 木 霉 从 其 变 异 株 所 产 生 的 酶 组 成
。
事实 上 能 发酵 葡 萄糖 的 酵 母 菌 对 木 糖 不 起 作
,
中 产葡 萄糖 昔 酶 十 分 短 缺 述
,
在 上 述 固态 发 酵 中 山
,
。
用厂
,
〕
。
比 如运 动发 酵 单 胞 菌
如
,
通过
途
东 大 学 采 用 斜 卧青 霉 和 曲霉 绿合 发 酵 就 是 配 齐 上 种 酶 才 能 使 木 质 纤 维 素完 全 降 解 为 单 糖
,
我 国 山东农 科 院与有关 厂 家正 在进 行 螺
,
, , ,
。
杆 蒸 煮 设 备 的试 制 其 目 的 是 用 于 食 品 加 工 达 到 食 品易 消化 风 味 好 的 目的 但 也 可 经 改 造 用 于 此 研究
乞耀
。
酶生产 纤维 素酶生产 可分为 固态发酵法 和液态发 酵
。
法
纤 维 素 酶产 生 菌 的 诱 变 育 种 及 酶 生 产
,
、
为 出发 株
一
,
高压 蒸 汽 爆 碎 技 术
在 众 多预 处 理 方 法 中 高 压 蒸 汽 爆 碎 技 术 是 效
,
经高能 电子 和 亚 硝基 肛处理 获突变株 的
。
,
糖化力 滤 纸糖化 力 和 棉 花糖 化 力
,
率 高 低 成 本 无 污 染 的新 技 术
一
,
、
、
分 别 比起 始 菌 株 提 高
图
件 控 制 酶 系组 成 方 法 简 单 便 于 操 作 但 结 果 易 波 动
。
离产 菌
,
和
的诱 变 过 程
液 体 发 酵法 液 体 深 层 发 酵 法 生 产 效率 高 培 养 条 件 容 易控
,
、
中科 院 上 海 植 物 生 理 生 态 研 究 所 川 将 拟 康 氏 木 霉 野 生 菌株 采用 种诱变剂交替 复
,
・ ・
选 产 纤 维 素 酶 菌 种 结 果 筛 选 出 著 名 的瑞 氏 木 霉 菌
,
。
达
用 该 菌种 培 育 出高 产 菌
一 ‘
,
酶解 玉 米秆公斤 级 试验
二
。
和
见图
。
一
一
都 是 通 过 诱 变 选 育 出来 的
结 果 表 明 曲糖 比 可 高 达
以上
犷 于 处
,
最大糖化率 达
国 际领 先 水 平
中 图分类号
文献标识码 后 将 糖 发 酵制 成酒 精
。
引
言
世纪 年代 以来 不 断 出现 的石 油危 机提
,
目前 该 公 司 已 提 出在 美 国
,
,
加 拿大 和 德 国建设
,
。
座新工 厂 预计年产
亿 升酒
精 其 生 产 能 力 大 致 相 当 于 目前 世 界 最 大酒 精 工 厂
的生 产 能力 我 国科 技 工 作 者 在 最 近 十年来 通 过
。
,
纤维素酶得率为
一‘ 一 ‘
高
,
这 对 通 过 蛋 白质 工 程 提 高 纤 维 素 酶 的 比
。
生产率达
・
为滤
,
活性 具 有 重 要 意 义
纸 酶 活单 位
该 液 体 发 酵 采 用 的是 纤维素粉作底 物
。
菌种
酿酒 酵 母 工 程 菌 的构 建 及 同 时 发酵 工 艺 技术
发 酵 工 程 菌 的构 建 理想 的生物质 乙 醇发 酵菌应能发酵所有 生 物 质 来 源 的糖 具 有 对 木 质 素 单 体 乙 酸 和 其 他 抑 制
一
一
,
男 高 级 工 程 师 研 究 方 向 生 物 能 源 和 生 物 催 化 的研 究
,
,
。
一
武 汉 生 物 工 程 学 院学 报
污 染 问题
。
不过许 多专 家坚持认 为此法 是最接近
。
合处理 得 到一 株 变 异 株
,
一
,
比起 始 菌 株 活
实 用 化 的 预 处 理技 术
力提高
一
倍
。
后来他们 又 以菌株木霉
, ,
的混 合 发 酵 培 养 在 优 化 条 件 下 固 体 纤 维 素
和
。
阵 高产菌 菌
一
一
一
一
酶 的 滤 纸 酶 活 和 户葡 萄 糖 昔 酶 活 分 别 可 达
户葡 萄 糖 昔 酶 活 与 滤 纸 酶 活 比
。
抗 廿油 阻 遏 突 变 株
值由
一 一
左右提高到
,
用混合培养或培养条
,
,
抗 降物 阻 遏突变株
,
制 不 易染 杂 菌 是 最 有 希 望 实 现 工 业 化 的 发 酵 法
,
。
第
期
何 昌义 等 秸 杆 生 物转 化 燃料 酒 精研 究现 状
,
美国 解 液 补加
,
环境资源研究所 计划在
一
、
诱 变 取 得 了进 展
,
。
在 对 解 纤 维热 酸 菌 的耐 热 内 切
一 射 线 结 晶结 构 分 析 鉴 定
后 纤 维 素酶 用 量 也 能 减 少
。 。
经处理
剂量使 用 规 律 才 能 提 高 诱 变 效 果
, , ,
。
除诱 变 育种
,
加 拿 大采 用 螺杆 式蒸 汽爆 碎 设 备 其 预处 理 效
果 更好
外 我 国中山大学 采用 杂 交 方 法 进 行 试验 这 为育 种 方 法 又 提 供 了 一 种 新 的思 路
,
高 的两 株
我 国 内蒙 古 畜 牧 科 学
中国科 学 院 化 工 冶 金 所叫 和 武 汉 病 毒 所川 分 别 以 绿 色 木 霉 为起 始 菌 通 过 诱 变 均得 到 高 产 纤 维
,
院经 过 七 年 研 究 叫 开 发 出 秸 杆 蒸 汽 爆 碎 工 艺 和 设
,
备
。
秸杆通过蒸汽爆 碎 全植 株 可 采食性 高达