纤维素酶在乙醇工业中的生产应用及其生产现状

纤维素酶在乙醇工业中的生产应用及其生产现状

摘要：纤维素是世界上最丰富的生物资源，纤维素经过转化为乙醇，可以从根本上解决目前的能源危机，而纤维素酶在这一转化过程中起着关键的作用。本文论述了纤维素酶的分类、结构及作用机制，纤维素酶的研究现状、工业生产及展望。

关键词：纤维素酶；纤维素；乙醇工业；生物能源

中图分类号：TQ925.9 X382

1.引言

植物通过光合作用,生产地球上最丰富、最廉价的纤维素资源,有资料表明,全世界每年的植物体生成1500亿吨干物质,其中纤维素及半纤维素的总量为850亿吨[1]。随着能源危机的加剧，各国政府都在寻找石油等不可再生能源的替代物，而研究发现，纤维素转化成糖类，在转化清洁能源乙醇是可行的，其前景十分诱人。但当前实现这一转化的技术瓶颈是纤维素酶的工业化生产成本过高。因此降低纤维素酶工业化生产成本就成了世界各国科学家研究的重要课题之一。

2. 纤维素酶的分类及作用机理

2.2.纤维素酶的分类

纤维素结构的复杂性决定了任何单一种酶都难以有效地降解它,需要一个复杂的酶体系共同作用。早在1950年,Reese 等人就提出了C1-Cx概念, 经过30多年来的研究,特别是近年来蛋白质分离及纯化技术的不断改进,分离得到的纤维素酶越来越多,每种酶作用的机理越来越明确。现已确认纤维素酶主要分为3大类:内切-1,4葡聚糖酶,即 endoglucanase,EC 3.2.1.4,简称内切酶,又称 Cx 酶,来自真菌中的简称EG ,来自细菌的简称Cen;外切β-1,4 葡聚糖水解酶,即exo-1,4-D -glucanase,EC3.2.1.9l, 即外切型葡聚糖酶,也称C1酶、外切酶,来自真菌的简称CBH ,来自细菌的简称Cex;β-葡萄糖苷酶,即 1,4-glucosidase,EC 3.2.1.21,简称βG ,也称纤维二糖酶。

2.3.作用机理

虽然对纤维素酶的作用机制没有完全搞清,但就目前研究所得其大致过程为：C1酶主要作用于天然纤维素，使之转变为非结晶的纤维素。CＸ酶又分为CＸ1酶和CＸ2酶两种。C Ｘ1酶是一种内断型纤维素酶，它从水合非结晶纤维素分子内部作用于β-（1，4)糖苷键，生成纤维糊精与纤维二糖。CＸ2酶是一种外断型纤维素酶，它从水合性纤维素分子的非还原端作用于β-（1，4)糖背键，逐步切断β-(1,4)糖节键生成葡萄糖。纤维二糖酶则作用于

纤维二糖，生成葡萄糖。再由葡萄糖发酵生成乙醇，发酵工艺我国在酿酒工艺已经积累了丰富的经验，已无技术性瓶颈。

3. 纤维素酶生产工艺

3.1固体发酵法[2-3]

固体发酵法是以玉米、稻草等植物秸杆为主要原料，投资少，工艺简单，产品价格低廉。然而固体发酵法存在着根本上的缺陷，不可能像液体发酵那样随着规模的扩大，成本大幅度下降。以秸杆为原料的固体发酵法生产的纤维素酶很难提取、精制。目前生产厂家只能采用直接干燥粉碎得到固体酶制剂或用水浸泡后压滤得到液体酶制剂，产品外观粗糙，成品质量不稳定，杂质含量高。劳动强度大、生产效率低，易污染杂菌。国内外对木霉纤维素酶的研究较多，但木霉一方面毒性嫌疑大，使之应用受到限制;另一方面普遍存在着a-葡萄糖昔酶活力偏低的缺陷，致使纤维二糖积累，影响了酶解效率。有人采用在木霉纤维素酶中添加曲霉的件葡萄糖昔酶，提高了纤维素酶的降解能力。

3.2液体发酵法[4-5]

液体发酵生产工艺过程是将玉米秸杆粉碎至20目以下后进行灭菌处理，送发酵釜内发酵，同时加人纤维素酶菌种，发酵时间约为70h,温度控制低于60`C，采用净化后的无菌空气从釜底通人进行物料的气流搅拌，发酵完的物料经压滤机压滤、超滤浓缩、喷雾干燥、制得纤维素酶产品。其工艺流程如下:

液体发酵法动力消耗大，设备要求高，但原料利用率高，生产条件易控制，产量高，劳动强度小，产品质量稳定。液体深层发酵的方法具有培养条件容易控制，不易染菌，生产效率高等特点。纤维素酶活力的测定方法很多，CMC糖化力法在研究和实际生产中应用比较普遍[6]”。

4. 国内外纤维素酶研究情况

4.1.国外研究现状

纤维素酶发现较早, 1906年Seillier在蜗牛的消化液中发现纤维素酶,能分解天然纤维素,1933年Grassman等研究了一种真菌的纤维素酶系,分辨出2个组分, 20世纪40-50年代,对产生纤维素酶的微生物进行了大量的分离筛选,建立起较为完整的分离筛选方法。20世纪60年代后,由于分离技术的发展推动了纤维素酶的分离纯化工作,加快了纤维素酶组分

作用方式及诱导作用的研究进展,并且实现了纤维素酶制剂的工业化生产,在应用上取得了一定的成绩。20世纪70年代有些学者提出了纤维素酶的作用必须是多种酶协同作用,才能表现出很强的活性,并提取了这种协同作用的3种酶。目前,世界酶制剂工业发展很快。在世界上只有少数发达国家达到工业化生产条件,如美国的Miles公司年产2000t，丹麦的NOVO 公司年产5750t，荷兰的Cist-Brocade公司年产3870他t,据统计1999年,世界各国纤维素酶产量总和为29893t,而需求量则为45000-50000t[7]。

4.2国内研究现状

我国纤维素酶的研究开始于20世纪60年代初,几十年来,北京、上海、成都、无锡、广东、山东、沈阳等地的大专院校科研院所进行了纤维素酶的研究工作,选育出一批纤维素酶菌种。如1968年北京选育出一批纤维素酶菌种；1970年后中国科学院上海植物生理研究所等单位利用诱变方法获得了产酶能力较高的变异株,并进行了生产试验；1975年广东省微生物研究所分离筛选出纤维素酶产生菌株———长梗木霉；20世纪90年代中国科学院微生物研究所获得一株突变株康宁木霉CP88329。20世纪80年代中期上海就生产出纤维素酶。20世纪90年代初黑龙江省海林市万力达集团公司首条年产2000t纤维素酶生产线投产,我国成为世界继美国、日本、丹麦之后第4个能生产纤维素酶的国家。目前,国内关于纤维素酶的特性、作用机理、培养条件、应用试验等方面的报道文献较多[8]。但到目前为止，我国真正形成生产规模的酶制剂只有α-淀粉酶、糖化酶和碱性蛋白酶等3-4个产品,规模生产纤维素酶至今仍未解决,形成不了大批量生产,满足不了市场的需要。因此,丹麦诺和诺德公司（现在的诺维信公司）的酶制剂产品占领了我国的大约50%市场,使进口纤维素酶的售价昂贵。据悉，纤维素生物技术是中国科学院过程工程研究生化工程国家重点实验室的重点研究方向。该所的陈洪章研究员的项目组开展了以秸秆组分分离、纤维素酶固态发酵、秸秆纤维素高浓度发酵分离酒精耦合过程等关键技术的研究，目前已在秸秆酶解发酵燃料乙醇关键技术上取得重大的突破。据统计,我国工业酶制剂销售额只占全世界酶制剂销售额的4%,而淀粉加工工业用酶却占我国整个酶制剂的80%以上。这就充分说明,我国纤维素酶制剂工业潜力很大,且亟待大力研究开发新酶种、新用途、新产品。

5.纤维素酶在乙醇工业应用现状

纤维素乙醇生产有三大转化途径:一种是热化学路线(气化，高温分解)，一种是生化路线，还有一种是纯粹的化学转化，称之为稀酸水解。生化路线是利用特殊的酶分解纤维素释放糖，而化学路线则依靠酸水解木质纤维生物质，水解产物再经发酵生成乙醇。热化学路线和纯粹化学路线转化过程中都有环境污染物产生，因而都不是长久之计。而生化路线的纤维