纤维素酶发酵

纤维素发酵生产酒精的研究

摘要：以纤维素为原料制取乙醇由于其原料广泛及环保效益良好而被认为是最有前景的生产乙醇燃料的方法之一，以纤维素为原料生产乙醇主要包括水解和发酵两个转化过程。本文介绍了纤维素的来源，纤维素发酵生产乙醇生产过程的工艺技术，纤维素生产乙醇在国内外的应用以及其发展前景。

关键词：纤维素；酒精；发酵

Research of Alcohol Production by Cellulose

Shao Shuangshuang

Abstract: cellulose as raw materials of ethanol due to its wide range of raw materials and environmental benefits is considered to be one of the most promising method for the production of ethanol fuel, cellulose as raw material for ethanol production include the transformation process of hydrolysis and fermentation of two. This article describes the source of cellulose, cellulose fermentation ethanol production process technology, the application of cellulose for ethanol production at home and abroad, and its development prospects.

Keywords: cellulose; alcohol; fermentation

0 引言

近30年来，由于温室效应、石油日渐枯竭等原因，人们日益重视开发可再生能源[1]，燃料乙醇是重要的生物质能源，已有多个国家加大生产力度，如巴西、美国、中国等。现阶段生产燃料乙醇的原料主要有甘蔗、玉米、木薯等燃料作物[2],纤维素降解产生葡萄糖，并可进一步发酵生产酒精等物质，对缓解全球能源危机、保护环境等具有很重要的意义。

1 纤维素的来源

作为地球上最为丰富的天然有机可再生主要，纤维素来源于绿色的陆生、海底植物和动物体内。植物纤维素又根据来源分为棉、木、麻和各种秸秆等种类，是植物纤维细胞壁的主要成分；另外还有一些是来自动物细菌、海底生物和各种动物体内的动物纤维素。我们日常见得生产作物，麻、麦秸、甘蔗、稻草渣等，都是纤维素的丰富来源。

2 纤维素生产酒精的工艺流程

2.1 原料的预处理

预处理的目的是通过破坏木质素和半纤维素，降低纤维素的结晶性，增加其多孔性，使酶制剂与纤维素充分接触，完成酶促反应[3]。

纤维素的与处理技术应达到以下要求：有利于糖化，同时减少酶的用量；避免碳水化合物的降解；避免生成乙酸、糠醛等对发酵起抑制作用的副产品；分离出木质素和半纤维素纯度较高[4].

目前，纤维素原料的预处理方法很多，可分为物理法、化学法、物理

化学相结合及生物法等。

2.2纤维素发酵工艺

酒精工业常采用酿酒酵母或卡尔酵母进行酒精发酵，而酵母的发酵通常是通过EMP途径生成丙酮酸，然后丙酮酸再生成乙醛，在脱氢酶的作用下还原成乙醇。

微生物发酵纤维素类物质生产酒精一般分为3类，一是直接发酵法，利用产纤维素酶的分解菌直接进行发酵纤维素生产酒精，原料不需要进行酸解或酶解预处理。这种方法成本低廉，设备简单，发酵周期短，纤维素的降解率也很高，但是酒精的产出率低；二是间接发酵法，纤维素酶将纤维素分解，然后利用酵母发酵酶解液产生酒精。此种方法在工艺上要分两步进行，糖化液要分离收集；三是同步糖化发酵法，就是纤维素酶解过程和酵母的酒精发酵过程同时进行，这种方法酶水解产物葡萄糖能不断被发酵成酒精，可以解除葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用，提高发酵效率。还有一种方法就是利用酸或碱直接把纤维素原料水解为可以被微生物吸收的糖类，从而进行发酵。

3 纤维素生产酒精的发展现状

近几年来，采用原生质体融合技术来改良纤维素酶生产菌株的研究日益增多。美国在纤维素发酵生产酒精的研究，生产应用方面都处于世界前列。美国国际生物能公司能把秸秆中5碳糖发酵成乙醇的重组大肠杆菌，同时重组大肠杆菌还产生水解秸秆纤维素的纤维素酶[5]美国能源部与诺维信公司合作，在纤维素酶方面有了重大突破，燃料乙醇所需纤维素酶成本从5美元降至50美分[6]。Mascoma公司利用木屑和废纸生产酒精。加拿大在纤维素原料以及纤维素发酵酒精预处理方面处于世界领先地位。日本政府积极促进纤维素发酵生产酒精技术的发展，建立了较为完善的与纤维素生产燃料酒精相关的研发体系，对生产过程中的一些关键性的，尚不成熟的工艺组织了专门的研究机构进行研究，主要包括纤维素的前处理、糖化发酵技术开发，纤维素酶育种、乙醇膜脱水技术，发酵液中乙醇膜的分离等的技术开发[7]。目前我国虽然在纤维素发酵生产酒精研究中取得一定进展，但还是存在几个问题：一是对纤维素酶在纤维素发酵生产酒精中作用机理不够清楚；二是利用菌种生产纤维素酶活力低，成本高。在纤维素发酵生产酒精工艺上还不够成熟，一直没有进入大规模化生产，应加大力度解决以上问题[8]。

目前酒精代替汽油作燃料总费用比汽油高6%-75%，用20%汽油混合燃油的总费用可与纯汽油相竞争，在汽油涨价之前，燃料酒精这个价格丝毫没有竞争力。现在汽油价格上涨，而作为来源的纤维素又是低价、丰富的物质。利用纤维素生产酒精燃料可以缓解石油能源以及粮食的紧张问题。今后，一旦纤维素生产酒精燃料规模化生产，使用成本无疑可以再次降低，酒精燃料也越来越便宜。

4 我国在纤维素发酵酒精中今后规划

(1).以基因工程手段选育高产纤维素酶、木质素酶两种；

(2).进行固体发酵技术的研究，解决当前存在的污染率高和成本高的问题；

(3).进一步研究纤维素原料的预处理、酶水解及水解发酵生产酒精等技术，以有效得降低生产成本。