木质纤维素生物炼制
一种木质纤维原料的生物炼制方法
一种木质纤维原料的生物炼制方法
1生物炼制木质纤维原料
近年来，科学家已经发现了一种省时省力的新型木质纤维原料生物炼制方法。
该方法即采用人工改良的生物，如酵母菌，从小型木质原料中提取木质分子的方法。
由于改良后的生物可以自动恢复，原料投入量大大降低，而生产效率提高。
考虑到这种新型生物炼制木质纤维原料的优点，它正在被越来越多地用于新材料、装饰和替代包装等行业中。
2生物改良原理
新型木质纤维原料的生物炼制技术，采用的是一种令人惊叹的生物改良原理。
主要步骤是种植木质分子成分的酵母菌在木质原料内分解，异质酶加入酵母菌，在胃液系统中构建了特定结构，活性物质降解木质材料，最终提出木质分子成分，用于制造纤维水性涂料或柔性薄膜。
3优势亮点
木质纤维原料生物炼制技术具有多门技术优势，它比传统的化学炼制技术具有更大的生命力，并且耗能低。
其次，新的生物炼制方法可以有效提高整体的清洁性，可以大大改善对自然环境的影响。
此外，它可以实现低成本的木质分子提取，可以提高木材材料，甚至其他木质状态材料的利用率，节约原料资源。
4应用领域
基于上述特点，生物炼制木质纤维原料正在被广泛应用于新材料、装饰以及替代包装等广泛领域中。
例如，该方法于建筑领域中用来制造具有优质木质效果的新型建筑装饰材料。
此外，由于其出色的耐热性能，以及抗腐蚀性等，在替代包装领域中也非常活跃。
5结论
生物炼制木质纤维原料是一种前沿的新制造工艺，可以大大提高利用木材原料，以及其他木质状态材料的利用率，节约原料资源也更有效地保护环境。
它正在被越来越多地应用于新材料、装饰和替代包装等多个领域，为人类带来了无限可能。
木质纤维素生物炼制专利分析
木质纤维素生物炼制专利分析杨礼通;李祯祺;于建荣【期刊名称】《生物产业技术》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】8页(P60-67)【作者】杨礼通;李祯祺;于建荣【作者单位】中国科学院上海生命科学信息中心,上海200031;中国科学院大学,北京100049;中国科学院上海生命科学信息中心,上海200031;中国科学院上海生命科学信息中心,上海200031【正文语种】中文杨礼通，中国科学院大学，中国科学院上海生命科学信息中心在读硕士研究生。
E-mail:**************.cn随着社会的不断发展，资源短缺、能源危机和环境恶化逐渐成为人类面临的严重社会问题和经济问题，寻求可再生清洁生物质能源逐渐成为了各国可持续发展的动力之一。
木质纤维素是自然界中丰富的生物质资源，估计全球年总产量高达1500亿吨，蕴储着巨大的生物质能（6.9×1015千卡），可为人类提供生物燃料、化学制品及聚合物等。
传统的生物质转化技术的原料主要来源于粮食作物，这类原料价格昂贵，而且会面临粮食短缺的问题，而木质纤维素生物质原料主要来源于林业、农业和工业废弃物以及能源作物（如甘蔗、高粱、柳枝稷等）。
木质纤维素具有价廉、丰富和可再生的优点，有巨大的发展潜力，对于解决当前世界的能源危机、粮食短缺和环境污染问题具有重要的意义，是当前生物质转化的研究热点，但尚未得到很好的利用和开发。
随着木质纤维素生物炼制技术的进步，目前主要依赖化石燃料制造加工的工业生产模式可以得到改变，木质纤维素生物炼制对于解决未来的全球能源短缺以及社会需求与粮食短缺之间的矛盾将发挥重要的作用。
木质纤维素主要由碳水化合物的聚合物（纤维素和半纤维素）和芳香族聚合物（木质素）等难以分解的高分子化合物混合构成，通常纤维素占比38%～50%，半纤维素占比20%～35%，木质素占比15%～25%。
生物炼制就是以生物质（农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料等）为基础，用预处理和酶水解等生物转化平台将其分别转化成各种糖类，再加工成各种化学品、燃料和生物基材料。
木质纤维素生物炼制
木质纤维素生物炼制实验名称：木质纤维素生物炼制一、摘要生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料。
根据近来研究开发的不同情况，生物炼制分为木质纤维素炼制、全谷物炼制和绿色炼制。
本实验属木质纤维素炼制，这是利用自然界中干燥的原材料如含纤维素的生物质和废弃物作原料进行的生物炼制。
生物炼制大幅扩展可再生植物基原材料的应用，使其成为环境可持续发展的化学和能源经济转变的手段。
纤维素生物转化燃料乙醇对解决当前世界能源危机、粮食短缺和环境污染等问题具有重要意义，已成为当前研究的热点。
二、实验目的、原理2.1实验目的本课程的目的是在生物反应器工程国家重点实验室生物炼制微型工厂公共平台实验室通过进行以类似工厂化的木质纤维素生物炼制流程操作，以玉米秸秆为起始原料经过典型的生物炼制过程生产燃料乙醇。
通过对玉米秸秆的预处理和预处理效果评价以及玉米芯残渣的酶解制糖过程，使学生理解生物炼制工程的基本原理在科学研究和工业生产上的应用，掌握生物炼制工程的基本实验流程和技能，学会正确使用生物炼制专用仪器，观察记录实验数据，并对实验结果进行分析讨论。
2.2实验原理高温稀酸预处理原理：玉米秸秆主要由大分子聚合物纤维素、半纤维素和木质素组成，而且在长期进化过程中演化出了对周围环境、生物酶、病虫害等具有极强生物抵抗性的致密结构。
在高温的酸性环境中，可以促使半纤维素快速降解，破坏木质素的结构和纤维素的晶体结构，提高玉米秸秆中纤维素的酶解转化率。
预处理效果评价及玉米芯残渣糖化原理：在纤维素酶的作用下，将预处理后玉米秸秆中的纤维素/玉米芯残渣中的纤维素组分酶解生成葡萄糖。
三、实验材料、方法3.1原材料与纤维素酶原料：含有木质纤维素的生物质样品：外地产农作物玉米秸秆，用烘箱烘干后备用，采用稀释硫酸进行预处理。
试剂：已知酶活的纤维素酶(20FPU/g)，beta-葡萄糖苷酶(30CBU/ml)，柠檬酸缓冲液：0.1mol/L，3.5%的稀硫酸，调节pH至4.8。
木质纤维素的转化PPT课件
60
3.2 半纤维素基产品链
（1）半纤维素的分离 （2）聚甘露糖/甘露糖 （3）木聚糖/木糖 （4）糠醛/糠醛基产品
61
（1）半纤维素分离
62
半纤维素基产品家族谱
63
（2）聚甘露糖/甘露糖
64
甘露醇氢解制多元醇
木质纤维素
半纤维素
甘露糖
聚合物
乙二醇、多元醇
65
（3）木聚糖/木糖
[O] COOH O
70-85%
O 40万t/a
HOOC
COOH O
聚四氢呋喃
COOH
HOOC
COOH
H2O2, )))))
O O
CH3
CH3
O
P-系列汽油组分
O
[H] -H2O
COOH
1000 万吨基于生物质资源 的重要的平台化合物
双酚酸 ALA
CH CHCOOH
O
HC COOH +
HOOCCH2CHCOOH
46
异山梨醇的化学转化
47
商业聚酯： PEIT、聚醚、 聚酯、聚氨酯
异山梨醇 O 五H 大应用
H
5
O
4
6 O
1 32
H
OH
二硝酸异山梨酯 药物中间体
异山梨醇二甲醚 无色的良好溶剂
变色涂料
提高PET玻璃化转变温度， 用于封装热粘液体
利尿药 血管扩张药
用作皮肤护理和 药物配方的持续溶剂
已成功应用于 阿司匹林稳定液的合成
72
HC COOH
OH
糠醛化学
73
3.3 木质素基产品链
（1）木质素的分离 （2）木质素的应用 （3）木质素基产品家族谱
木质纤维素生物炼制技术难点与进展-简
对照菌
80 70 60 50 40 30 20 10 0
工程菌
xylose xylitol glycerol acetate ethanol glucose
48 60 12
72 24
84
96 36
108 48
0 60 2 2 4 3 6 4 846 0 796 8 4 1081 0 8 1 8 2 96 72
80
70
60
> 6X
Enzyme loading
50
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微生物技术国家重点实验室（山东大学）
开展木质纤维素材料生物降解方面的研究已 有30多年。在有关领域曾先后承担过国家自然科 学基金重点项目、国家重点科技攻关、863和973 计划项目等研究工作，在此领域发表研究论文 300多篇，具有较好的前期研究基础。
纤维素酶生产和应用技术
独特的生产菌：青霉抗阻遏突变株 首创的培养基：工业废液、废渣 96年在国内率先实现液体深层发酵工业化
国家发明专利 ZL 96 1 16049.7 国家教委科学技术进步一等奖 国家发明四等奖 国家科技进步二等奖
山大开展的基础研究工作
高效降解酶/高温发酵微生物的选育 破坏木质纤维素结构的新生物因子 酶分子和酶系的进化工程 高通量筛选技术----噬菌体展示系统等 高效真菌表达系统的构建 己糖-戊糖共发酵的代谢工程 直接转化纤维素的“超级菌”构建 新纤维转化利用技术--氢、乳酸、纸浆等
60
Wild-type N342V N342R L218H Q139R/N342T Q139R/L218H/W276R/N342T G30R/S71A/D145E/K175E/ L4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.0 6.4 6.8 7.2
(完整版)木质纤维素乙醇发酵及生物炼制
纤维素外切酶
纤维素内切酶
葡萄糖苷酶
木糖
半纤维素经碱性水 解或酶解为木糖。
木酮糖
木糖经过木糖异构 酶、木酮糖激酶等 形成木酮糖，这个 途径在很多微生物 中不存在。
基因供体菌：
XYL1--木糖还原酶(XR) Pichia stipitis XYL2--木糖醇脱氢酶(XDH)
能源部联合生物能源研究所 DOE Joint BioEnergy Institute
❖ 位于加利福尼亚州，属于能源部劳伦斯伯克利国家实 验室（DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory）
❖ 合作单位：桑地亚国家实验室（Sandia National Laboratories），能源部劳伦斯利物默国家实验室 （DOE’s Lawrence Livermore National Laboratory），加州大学伯克利分校（University of California - Berkeley），加州大学戴威斯分校 （University of California - Davis），斯坦福大学 （Stanford University）
木质纤维素资源的生物精练技术
可持续发展
可再生资源 清洁生产工艺 环境友好产品
生物质资源开发 木质纤维素
生物加工工艺 酶法有机转化
绿色生物产品 生物酒精
目前的工业生产模式不可持续
❖ 化石资源－不可再生资源→资源危机 ❖ 化石燃料－不可再生能源→能源危机 ❖ 三废排放－生态环境污染→环境危机
廉价石油时代终结了 ---人类必须戒除“油瘾”
长期：利用能源作物诸如经过转基因改造的快速 生长树木和草类植物。
生物法预处理木质纤维素的应用案例
生物法预处理木质纤维素的应用案例
那我给你讲讲生物法预处理木质纤维素的超酷应用案例吧。
就拿造纸业来说吧。
你知道的，造纸的原料很多都是木质纤维素。
以前处理这些原料可麻烦了，化学法虽然也能行，但有点“简单粗暴”，还可能污染环境。
现在生物法就闪亮登场啦。
有一种白腐菌，这小家伙就像是木质纤维素的“小工匠”。
造纸厂把木材原料和白腐菌放在一起，就像是安排了一场小聚会。
白腐菌开始发挥它的魔力，它分泌出各种酶，就像小剪刀一样，把木质纤维素结构里那些紧密连接的木质素给剪开，让纤维素更容易被提取出来。
这样一来，造纸的时候，从木材里获取纤维素就变得更容易，而且纸张的质量还更好了呢。
再说说生物燃料的生产。
有个公司想要用农作物秸秆这种木质纤维素丰富的东西来生产生物乙醇。
他们采用了一种特殊的微生物群落预处理秸秆。
这些微生物在秸秆堆里就像一群勤劳的小矿工，它们分解木质素，打开纤维素的“宝藏之门”。
然后，后续的发酵过程就能更高效地把纤维素转化成乙醇。
原本那些可能被烧掉或者扔掉的秸秆，就这么华丽转身变成了清洁能源，多厉害呀。
还有在饲料生产领域。
木质纤维素在一些植物原料里含量不少，但是动物不好消化啊。
有个农场主想把一些干草类的东西变成更优质的饲料。
他就用了瘤胃微生物来预处理。
瘤胃微生物就像是动物消化系统派来的先遣部队，它们提前在饲料堆里对木质纤维素进行初步分解，降低木质素含量，提高纤维素的可消化性。
这样动物吃了这种预处理过的饲料，能更好地吸收营养，长得更壮实呢。
这些就是生物法预处理木质纤维素在不同领域超棒的应用案例啦。
木质纤维素生物炼制及乳酸制备研究进展
摘 要 ： 物 炼 制 替 代 化 石 炼 制 是 维 持 化 学 ５ 业 和 社 会 发 展 的 必 然 要 求 。 介 绍 了 以 木 质 纤 维 为 原 料 的 生 生 － 物 炼 制 的优 势及 瓶 颈 ， 从 木质 纤 维 基 乳 酸 生物 炼 制 过 程 涉 及 的 环 节 出发 ， 括 木 质 纤 维 原 料 预 处 理 技 并 包
２１ 年 １ ０１ 月
Ｊ ｒ ｌｆ ｒ ｎ ｃ ｎｅ ｎ ｅ ｎｌ ｙ ｏ ｎ ｅ ｉ ｃ ａｄ ｃ ｏ ｇ ｕ ａｏ Ｇ ｅ Ｓ ｅ Ｔ ｈ ｏ
绦 色科 技
第 １期
木 质 纤 维 素 生 物 炼 制 及 乳 酸制 备 研 究 进 展
唐 勇， 苏肇秦， 赵丹青， 蒋建新
可 以 合 成 聚 乳 酸 （ ， 种 高 分 子 材 料 具 有 良 好 ＰＩＡ） 这
的生 物 可降解 性 ， 因此 乳 酸 更 加 受 到 研 究 者 的 关 注 。 目前 乳 酸 生 产 有 化 学 合 成 和 微 生 物 发 酵 法 ， 界 近 世 ９ 的 乳 酸 时 通 过 细 菌 发 酵 合 成 ［ 。 生 物 基 乳 酸 炼 Ｏ／ ９ ６ ２ ］ 制 是 采 用 生 物 质 作 为 原 材 料 ， 过 微 生 物 发 酵 过 程 通
最 终 生 成 具 有 光 学 纯 度 的乳 酸 的 过 程 。
地 球 上 具 有 广 泛 易 得 的 生 物 质 资 源 ， 业 、 业 农 林 以 及 人 为 控 制 的 和 非 人 为 控 制 的 微 生 物 系 统 都 能 生 产 可 再 生 碳 基 原 材 料 ， 时 可 再 生 碳 基 原 料 的 使 用 同 能 降 低 Ｃ 净 排 放 值 ， 有 环 境 友 好 特 性 。 因 此 以 Ｏ。 具
《木质纤维原料生物炼制制备糖类和功能材料的研究》
《木质纤维原料生物炼制制备糖类和功能材料的研究》一、引言随着人类对可再生资源的不断追求，木质纤维原料因其丰富的资源量、环保的可持续性以及可再生的特性，成为了生物炼制领域的重要研究对象。
该研究主要围绕利用木质纤维原料进行生物炼制，制备糖类和功能材料展开。
这一技术的开发对于提升资源利用效率，推动绿色化工发展具有深远的意义。
二、木质纤维原料的特性及利用现状木质纤维原料主要包括木材、秸秆、稻草等农业废弃物，具有较高的纤维素含量和较低的木质素含量。
然而，其成分复杂，结构紧密，使得其有效利用成为一大挑战。
传统的化学法制浆和机械法制浆等工艺，虽然可以提取部分纤维素，但往往伴随着高能耗、高污染等问题。
因此，如何高效、环保地利用木质纤维原料成为了研究的热点。
三、生物炼制技术及其应用生物炼制技术是一种以生物质为原料，通过生物或生物化学过程，转化为有价值化学品或能源的技术。
在木质纤维原料的生物炼制中，主要研究的是如何通过生物酶解、发酵、转化等过程，将原料中的纤维素和半纤维素转化为糖类和其他功能材料。
四、糖类的制备及其应用在生物炼制过程中，糖类的制备是关键的一环。
通过生物酶解技术，可以将木质纤维原料中的纤维素和半纤维素转化为单糖或多糖。
这些糖类可以作为生物发酵的原料，进一步转化为乙醇、乳酸等生物能源或生物基化学品。
此外，糖类还可以作为食品、药品等领域的原料，具有广泛的应用前景。
五、功能材料的制备及其应用除了糖类外，木质纤维原料的生物炼制还可以制备出各种功能材料。
例如，通过化学或物理方法，可以从木质纤维原料中提取出木质素、单宁等天然高分子化合物，进一步加工成各种功能材料。
这些功能材料在环保、医药、农业等领域具有广泛的应用前景。
例如，木质素可以作为制备高性能聚合物、生物基塑料等的原料；单宁则可以作为抗氧化剂、防腐剂等。
六、研究展望未来，随着生物炼制技术的不断发展，木质纤维原料的利用将更加高效和环保。
一方面，可以通过基因编辑技术改良原料品种，提高其纤维素含量和降低木质素含量，从而提升生物炼制的效率。
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。
木质纤维素生物质精炼技术研究_惠岚峰
木质纤维素生物质精炼技术研究随着世界范围内化石能源的日益枯竭，开发与利用可再生能源成为当务之急．生物质能是唯一能够获得液体、气体和固体燃料的可再生能源，发展和利用生物质能对人类社会的可持续发展意义重大．木质纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源．有资料表明：全世界每年植物体的生成量高达1.55×1011 t干物质，其中纤维素、半纤维素的总量约为8.5×1010t．我国是一个农业大国，若能把大量的农林纤维原料充分利用起来生产生物质能源或作为生物材料，这将有利于改善目前资源紧张、环境恶化的状况，对实现可持续发展具有重要的经济和社会意义．木质纤维素原料由纤维素、半纤维素和木质素三大组分组成．半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，而具有网状结构的木质素，作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素．在生物利用纤维素的过程中，为使微生物更易于利用纤维素，必须对基质进行预处理，以降解木质素的网状结构，提高对纤维素的利用效率．由于木质素及其衍生物对微生物具有抑制作用，降低基质中木质素的含量有利于微生物及纤维素酶对纤维素的利用；对木质纤维素各组分进行充分的利用，也必须首先将原料中的各组分进行分离预处理，所以对于木质纤维素原料进行预处理是很有必要甚至是必需的．生物质精炼主要是指将植物资源中的主要成分(纤维素、半纤维素和木质素)经过一定的处理转化成高附加值的材料、能源和化工产品等. 作为高效、低污染、低能耗的生物技术，生物质精炼将使传统的制浆造纸企业转型成为生物质精炼企业，不光生产纸浆、纸和纸板，还生产生物质材料、化学品、生物能源等．木质纤维原料组分分离意味着木质纤维原料的精制，不是把木质纤维原料仅作为纤维素资源看待，而是把它视为一种多组分物料，将木质纤维原料精制成为具有一定纯度的各种组分，并希望这些组分分别加工成有价值的产品，这也是全新的生物量全利用理念对于木质纤维原料组分分离提出的新要求.天津科技大学刘忠教授及其团队以传统的制浆造纸木质纤维原料为主要研究对象，潜心研究实用的生物质精炼技术，在木质纤维素的纤维素乙醇预处理关键技术、组分分离技术、低温直接液化技术等方面开展了诸多基础性、前瞻性和关键性的研究工作. 他们在木质纤维素原料的蒸汽爆破法预处理、乙醇法预处理技术的研究领域做了大量的工作，并在此基础上提出低温蒸汽爆破–乙醇法的联合预处理技术路线，同时针对不同的木质纤维原料进行了全面的研究，在纤维素乙醇预处理关键技术研究方面取得了显著的成果，并将相关的预处理技术扩展应用在木质纤维素全组分分离精制技术的开发方面；对于木质纤维原料组分清洁高效分离及其机理的研究，研究团队按照“过程清洁、高效分离”的指导原则，以及木质纤维原料(如木材、农林废弃物等)的特点，采用化学、物理以及物理化学等手段有机相结合作为研究主线，根据利用汽爆和乙醇萃取法联合对麦草组分分离的研究结果，提出一条高效可行的木质纤维资源组分分离的工艺过程，并研究了木质纤维原料组分分离过程中组分界面分离过程和官能团转化机制，为进一步完善和解决木质纤维原料主要组分(纤维素、半纤维素和木质素)清洁高效分离的难题积累了大量的研究素材，并在此基础上对纤维素生物质在微观层次有更深入的了解，对清洁高效分离机制有更清楚的认识；刘忠教授团队还利用分级直接液化手段处理农作物废弃物玉米秸秆，通过研究玉米秸秆在预处理分级后直接低温液化的反应机理，探讨了玉米秸秆预处理乙醇木质素的结构特性与液化生物油组分形成的关系，并将利用其液化产物合成新型高分子材料或作为生物能源的来源，这是合理有效利用农业剩余物的新途径. 研究工作为提高农作物玉米秸秆木质素大分子直接液化过程中的转化效率、开发直接液化清洁高效能源化利用新技术提供了研究基础与理论指导.近年来，刘忠教授及其团队主持了5项国家自然科学基金、4项省部级研究课题，在这些基金的资助下，围绕木质纤维原料组分的高效率分离和利用的核心课题，在生物质精炼思想的指导下，完成了多项生物质精炼技术的研究工作，共发表了SCI论文20篇，这些研究为我国的农林木质生物质资源的充分利用奠定了重要的科学基础，对持续健康地开发利用自然资源具有重要意义.供稿：造纸学院惠岚峰。
木质纤维素资源的生物炼制技术进展与展望
全部利用， 产品（ 燃料、大宗化学品和精细化学品、药 品、饲 料 、塑 料 等 ） 多 元 化 ， 形 成 生 物 质 炼 制 巨 型 行 业， 部分替代不可再生的一次性矿产资源， 初步实现 以碳水化合物为基础的经济社会可持续发展。
（ 本文为节选， 全文请见论文集）
作者介绍 曲音波教授， 山东大学生命科学学院院长， 微生物 技术国家重点实验室主任， 兼任中国微生物学会副理 事长。主要研究方向： 可再生资源的微生物转化技术。 主持了 ２０ 余项国家 或 省 部 级 以 上 科 研 项 目 ， 与 同 事 合 作 发 表 研 究 论 文 ２００ 余 篇 ， 其 中 ＳＣＩ 刊 物 ５４ 篇 ， 出 版 著作 ８ 部。选育出的青霉纤维素酶抗降解物阻遏突变 株 ， 已 用 于 生 产 工 业 用 酶 ； 开 发 出 多 种 生 产 酒 精 、菌 体 蛋白饲料和绿色制浆造纸的新工艺。获得国家科技进 步二等奖等省部级以上科研奖励 ９ 项， 发明专利 ５ 项。
二、能源资源作物发展重点— ——纤维质转化 ○目前主要原料： 谷物、糖类、油脂 ○长期发展目标： 植物纤维资源 近期— ——工业纤维废渣 中期— ——农林残余物质 长期— ——能源资源作物 １、秸秆发酵乙醇的主要难题 ○原料分散－ － － 集运增加成本 ○组分复杂－ － － 必先预加处理 ○多酶体系－ － － 效率急待提高 ○戊糖难用－ － － 酵母先要改造 ２、木质纤维素原料组分的分离方法 可分离纤维素资源组分的物理、化学方法： 辐 射 处 理 、粉 碎 、高 压 热 水 、有 机 溶 剂 、稀 酸 、低 温 浓 酸、酸催 化 的 蒸 汽 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。 ○稀酸预处理技术 ○蒸汽爆碎技术 ○低温氨爆处理 ３、纤维资源生物炼制的核心技术－ 糖平台 （ １） 纤维素酶的生产和纤维素水解 ○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， 是纤维素酶的生产效率低， 成本 较高。 ○在目前产酶技术条件下， 生产 １ 加仑乙醇需 用纤维素酶的生产费用约为 ３０～５０ 美分。这就影响 了纤维素资源的工业使用。 ○目前的研究目标是将纤维素酶成本减少到
木质纤维素“糖平台”的生物炼制与绿色化学
台”预 处 理 的 重 要 途 径。早 在 90 年 代,就 有 研 究
素的降解。真菌 中 的 漆 酶 在 木 材、造 纸 工 业 等 领
域都有广泛的应 用,对 于 木 材 有 一 定 的 脱 木 素 能
力。Rod
r
i
gue等 利 用 白 腐 真 菌 分 泌 的 胞 外 酶 液
降解麦秆中的木 质 素,通 过 打 破 木 质 素 结 构 屏 障
r
s
a
t
i
l
ePe
r
ox
i
da
s
e,VP)等。 此 外,一 些 和
自由基氧化反应相关的小分子多肽或天然介体等
辅助物质 也 涉 及 木 质 素 的 协 同 降 解 作 用 [12]。 那
么,能否基于白腐 菌 的 胞 外 木 质 素 降 解 系 统 的 研
究构建高效木质 素 复 合 降 解 酶 系,实 现 木 质 素 的
用;(
3)选择性裂解木质素中 的 C
-O 键,造 成 木 质
素严重的和不可 逆 转 的 高 度 缩 合,缩 合 后 的 木 质
素更难以被化学解聚;(
4)理化预处理过程中会产
生糠醛、
5
-羟甲基糠醛等物质,这些物质对后期单
糖发酵 有 抑 制 作 用 [7]。 而 生 物 预 处 理 具 有 能 耗
低、成 本 低、反 应 条 件 温 和、环 境 友 好 以 及 预 处 理
素和半纤维素缠 绕 包 裹 在 一 起,形 成 了 木 质 纤 维
素的酶水解糖化抗性屏障。因此要想将木质纤维
木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素
素高效酶解糖化,不 仅 仅 是 针 对 纤 维 素 这 单 一 组
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实验名称：木质纤维素生物炼制一、摘要生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料。
根据近来研究开发的不同情况，生物炼制分为木质纤维素炼制、全谷物炼制和绿色炼制。
本实验属木质纤维素炼制，这是利用自然界中干燥的原材料如含纤维素的生物质和废弃物作原料进行的生物炼制。
生物炼制大幅扩展可再生植物基原材料的应用，使其成为环境可持续发展的化学和能源经济转变的手段。
纤维素生物转化燃料乙醇对解决当前世界能源危机、粮食短缺和环境污染等问题具有重要意义，已成为当前研究的热点。
二、实验目的、原理2.1实验目的本课程的目的是在生物反应器工程国家重点实验室生物炼制微型工厂公共平台实验室通过进行以类似工厂化的木质纤维素生物炼制流程操作，以玉米秸秆为起始原料经过典型的生物炼制过程生产燃料乙醇。
通过对玉米秸秆的预处理和预处理效果评价以及玉米芯残渣的酶解制糖过程，使学生理解生物炼制工程的基本原理在科学研究和工业生产上的应用，掌握生物炼制工程的基本实验流程和技能，学会正确使用生物炼制专用仪器，观察记录实验数据，并对实验结果进行分析讨论。
2.2实验原理高温稀酸预处理原理：玉米秸秆主要由大分子聚合物纤维素、半纤维素和木质素组成，而且在长期进化过程中演化出了对周围环境、生物酶、病虫害等具有极强生物抵抗性的致密结构。
在高温的酸性环境中，可以促使半纤维素快速降解，破坏木质素的结构和纤维素的晶体结构，提高玉米秸秆中纤维素的酶解转化率。
预处理效果评价及玉米芯残渣糖化原理：在纤维素酶的作用下，将预处理后玉米秸秆中的纤维素/玉米芯残渣中的纤维素组分酶解生成葡萄糖。
三、实验材料、方法3.1原材料与纤维素酶原料：含有木质纤维素的生物质样品：外地产农作物玉米秸秆，用烘箱烘干后备用，采用稀释硫酸进行预处理。
试剂：已知酶活的纤维素酶(20FPU/g)，beta-葡萄糖苷酶(30CBU/ml)，柠檬酸缓冲液：0.1mol/L，3.5%的稀硫酸，调节pH至4.8。
3.2主要实验仪器与设备3.2.1预处理反应器电动直联秸秆粉碎机9FZ-35，山东省泰安泰峰农牧机械厂；耐强酸搪瓷反应釜100L，山东省淄博太极集团；酶解-发酵罐RTY-MS-100L，江苏省镇江日泰生物工程设备有限公司；板框压滤机SHF150，浙江海宁过滤设备有限公司；高压蒸汽灭菌锅YXQ-LS-18SI，上海博迅实业有限公司；紫外/可见分光光度计UV751GD，上海分析仪器总厂。
3.2.250L糖化反应器固定化糖化酶反应器，其设有反应室、恒温层、分离观察塔、产物出口、支座、反应底物输送控制器，反应室底部设有喷射送液器，其由底盘和喷射管组成，喷射管上分别设有不同指向的喷射嘴，各喷射管和反应底物输送控制器的相应流量计相连，并受其控制。
各种不同方向、不同流速的液流使固定化糖化酶载体处于悬浮状态，固定化糖化酶和反应底物接触充分，反应完全，速度快。
3.2.3高效液相色谱高效液相色谱仪可分为“高压输液泵”、“色谱柱”、“进样器”、“检测器”、“馏分收集器”以及“数据获取与处理系统”等部分，以液体为流动相，采用高压输液系统，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱，在柱内各成分被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析。
高效液相色谱仪一般都具备贮液器、高压泵、梯度洗提装置（用双泵）、进样器、色谱柱、检测器、恒温器、记录仪等主要部件。
3.3实验方法3.3.1玉米秸秆的高温稀酸预处理方法预处理的目的是改变天然纤维素的结构，破坏纤维素—木质素—半纤维素之间的连接，降低纤维素的结晶度，脱去木质素，增加原料的疏松性以增加纤维素酶系与纤维素的有效接触，从而提高酶效率。
预处理必须满足以下要求：①促进糖的形成，或提高后续酶水解形成糖的能力；②避免糖的降解或损失；③避免形成副产物阻碍后续水解和发酵过程；④节约成本。
目前木质生物资源的预处理方法有多种，应用研究较多的是化学法、物化法、生物法以及上述方法的综合。
本实验采用化学稀酸水解，这一方法很早以前就已成功运用于木质纤维原料预处理。
稀酸预处理方法主要有两种：一是低固体载荷（底物重量/反应混合物重量5％～10％）、高温（＞160℃）、持续流动；二是高固体载荷（10％～40％）、低温（＜160℃），间歇流动。
稀酸预处理可以高效地促进纤维素水解。
3.3.2预处理后玉米秸秆的效果评价3.3.2.1预处理预处理条件：预浸固液比：2：1，稀硫酸浓度：3.5%，预处理反应器装料量：2kg，预处理温度：185℃，搅拌转速：50r/min，预处理时间：185℃，3min3.3.2.2预处理秸秆的酶解酶解条件：固体含量(A1，%)：5%，纤维素酶用量：15FPU/g，酶解体系：10ml柠檬酸，酶解体系体积(V，L)：20ml，pH值：4.8，温度：50℃，转速：150r/ml，时间：72h酶解开始时体系的葡萄糖浓度C0=0.928g/L，酶解结束时体系的葡萄糖浓度C1=20.497g/L3.3.2.3玉米芯工业残渣的50L反应器酶解实验酶解条件：固体含量(A1，%)：15%，纤维素酶用量：710ml，酶解体系：20FPU/g干料，酶解体系体积(V，L)：31L，pH值：4.8，温度：50℃，转速：100r，时间：48h取样点以及取样体系的葡萄糖浓度：0h：0.423g/L，12h：1.609g/L，24h：1.923g/L，36h：1.973g/L，48h：2.129g/L其中，C1-酶解体系中所加入玉米芯残渣的总质量(g)：12kgA1-酶解体系的固含量(%)：38%C C-玉米芯残渣中的纤维素含量(%)：54%1.111-纤维素转化为葡萄糖的转化系数绘制酶解体系中葡萄糖随时间的变化曲线根据仪器数据，拟合曲线的公式为：y=3.042×10-7x其中：y-葡萄糖浓度，g/L；x-高效液相色谱峰面积时间点A/面积葡萄糖浓度/g/L012354770.422533134124704664 1.608995088245593085 1.91283507365769867 1.973294514486224700 2.1288474表1下图中，竖轴为葡萄糖浓度，g/L；横轴为取样时间点，h3.3.3玉米芯残渣的糖化实验（50L规模）玉米芯残渣糖化原理：在纤维素酶的作用下，将预处理后玉米秸秆中的纤维素/玉米芯残渣中的纤维素组分酶解生成葡萄糖。
同步糖化发酵法(SSF法)：当纤维素生物质作为原料的时候，纤维素酶对于纤维素生物质的水解被水解产物——葡萄糖和纤维二糖所抑制，从而发展了同步糖化发酵法。
该法是将酶水解和乙醇发酵结合起来，在同一发酵罐中进行，而因发酵罐内的纤维素水解速度进低于葡萄糖消耗速度，从而使葡萄糖的浓度保持很低。
然而乙醇对于纤维素酶的影响也已经在同步糖化发酵法中得到了证实，但是乙醇对于纤维素酶的抑制作用不如纤维二糖和葡萄糖的抑制作用大，所以水解的同时将糖转化成乙醇会为动力学方面创造有利条件，并且会提高纤维素酶的效率。
同步糖化发酵法能获得较高的乙醇得率(达40%)。
这一方法的优点还包括发酵时间短、减少外部微生物污染的危险性及反应介质中可以有乙醇存在和厌氧性条件。
四、结果与讨论4.1玉米秸秆的高温稀酸预处理及评价样1样1`样2样2`空板g33.0736.7433.1225.83空板加湿料g53.0756.7453.1245.83预处理1：预处理反应蒸汽用量W S=W2-W1，预处理反应水用量W W=W2-W0，预处理后秸秆的含水量SC(%)=(烘干前秸秆重量-烘干后秸秆重量)/烘干前重量×100%，其中W0表示预处理后的秸秆重量(g)，W S1=1.13g，W W1=1.80g预处理2：W S2=0.77g，W W2=1.44gS C(%)=51.85%分析：样1和样2预处理后秸秆质量有一定差距，可能是因为两次预处理的实验条件有所不同，如反应器内温度压力不同，此外人为判断存在一定主观性，调节实验设备判断水平不同所导致。
本次实验采用3.5%的稀硫酸对玉米芯进行预处理，纤维素含量的影响因素由高到低依次是：时间>温度>酸浓度>固液比。
戊聚糖去除率的影响因素由高到低依次是：温度>时间>固液比>酸浓度。
木质素去除率的影响因素由高到低依次是：温度>时间>固液比>酸浓度。
综合比较，稀硫酸预处理主要是去除样品中戊聚糖和提高纤维素含量，所以预处理最佳条件为温度185℃，3min。
4.2玉米芯残渣的酶解制糖时间点T/停留时间A/面积H/高度A%H%葡萄糖浓度/g/L08.76612354777113132.35337.4470.422533134 128.767470466427268954.46460.164 1.608995088 248.761559308532505260.588661487 1.91283507368.759576986733839662.87568.86 1.973294514 488.761622470036008856.47563.151 2.1288474酶解产生葡萄糖量和转化率预处理秸秆的可酶解性(%)=(C1-C0)×V/(M1×A1×C C×1.111)×100%=(20.497-0.928)×50÷(12000×0.38×0.54×1.111)×100%=35.77%其中，C1-酶解48h时体系的葡萄糖浓度（g/L）C0-酶解开始时体系的葡萄糖浓度（g/L）V-酶解体系的总体积(L)：50LM1-酶解体系加入预处理秸秆的总质量(g)：12kgA1-酶解体系的固体含量(%)：38%C C-玉米秸秆中的纤维素含量(%)：54%1.111-纤维素转化为葡萄糖的转化系数观察液相色谱图，24h，36h、48h的葡萄糖浓度相比较0h时刻，依次有所递增。
在与其他小组的交流过程中，我们了解到，有一小组发现乳酸的峰面积在24h后有所上升，因此可以推断：发酵罐后期染了乳酸菌，乳酸菌利用分解葡萄糖，产生了乳酸。
生成的葡萄糖作为乳酸菌的营养物质，因而后期葡萄糖减少。
五、思考题：结合所学知识、文献阅读以及预处理试验中观察到的现象，阐述预处理在玉米秸秆生物炼制过程中的重要性乙醇是全球使用最多的生物燃料，含有丰富的纤维素原料使得生物燃料的生产具有很大的前景。
传统的乙醇发酵工业主要以玉米、小麦等粮食淀粉或甘蔗汁为原料，但其原料成本高达总成本的40%。
早些年利用玉米发酵生产乙醇，虽然有利于环境清洁，但是中国地少人多的国情现状，不免引发了『与人畜争粮，与粮食争地』的争议。