纤维素生物能源转化利用现状的分析研究

・　７８　国土与自然资源研究　ＴＥＲ／ＭＴＯＫＹ＆ＮＡＴＵＩ　Ｌ　ｔｋＥＳＯＵＲＣＥＳ　ＳＴＵＤＹ　２０１０　ＮＯ．４　

文章编号：１００３—７８５３（２０１０）０４—００７８—０３　中图分类号：ＴＫ６　

纤维素生物能源转化利用现状的分析研究　文献标识码：Ｂ　

盂明（中国药科大学，江苏，南京，邮编：２１１１９８）　摘要：本文综述了现阶段纤维素生物能源转化利用的现状，阐明了纤维素生物能源利用过程中存在的基本问题。对纤维素转化为乙醇　燃料过程中的预处理技术、纤维素酶技术、发酵乙醇和转化过程集成等环节的研发现状、存在问题、技术难点和研究方向等做了比较详　细的论述。　关键词：纤维素：纤维素酶：生物能源　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　ｂｉｏ—ｅｎｅｒｇｙ　ＭＥＮＧ　Ｙｕｅ（Ｃｈｉｎａ　Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇ　ＳＵ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｚｉｐ：２１　ｌ　１９８）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃ　ｂｉｏｍａｓｓ　ｅｎｅｒｇｙ．ｅｘｐｌａｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｂｉｏ－ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ　ｅｅＵｕｌｏｓｅ　ｂｉｏ－ｅｎｅｒｇｙ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅ　ｏｂｓｔａｃｌｅｓ，ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　ｅｎｚｙｍｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｔｈａｎｏｌ　ａｎｄ　ｉｎｔｅ－　ｇｒａｆｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｒｅａｃｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ；ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ；ｂｉｏ－ｅｎｅｒｇｙ　

进入２１世纪以来，人类在能源、资源与环境等诸方面都面　临着非常严峻的问题。纤维素是将可再生碳水化合物蓄积得最　丰富的一种物质，怎样把纤维素转变成高效的能源，成为新能源　研究中的一个重要方向。有关纤维素生物转化的研究已有百年　历史，但至今纤维素乙醇产业仍没有形成ｉｌｌｌ２］。　纤维素乙醇生产的工艺过程是首先采用有效的预处理技术　打破由纤维素，半纤维素和木质纤维素等高分子相互结合形成　的天然屏障。然后利用纤维素酶将预处理后的木质纤维素降解　成可发酵性的单糖，再通过微生物将可发酵性单糖转化成乙醇　等液体燃料　。　１预处理技术　预处理技术是松弛、软化纤维结构使之变成酶可以处理的　状态的“事先准备”技术。其作用是改变或去除其物化结构和组　成的障碍，实现原料组分分离定向转化，更有利于微生物或者酶　对原料中纤维素和半纤维素进行充分的降解和低分子化。　１．１预处理方法　对木质纤维素的预处理方法主要包括物理法、化学法、物理　化学法和生物法。常用的物理方法包括机械粉碎、蒸汽爆碎、微　波辐射和超声波预处理等；物理化学法包括蒸汽爆破和氨纤维　爆破法：化学法一般采用酸、碱、次氯酸钠、臭氧等试剂进行预处　理，其中以ＮａＯＨ和稀酸预处理研究较多；生物法是用白腐菌　产生的木质素分解酶类和氢键酶。　１．１．１碱处理　具有标志性意义的研究成果发表于２００２年，丹麦Ｒｉｓｅ国　家实验室研究人员利用碱湿氧化法（水、碳酸钠、氧气、高温高　压）处理小麦秸秆取得了良好的效果，纤维素回收率达９６％，酶　解转化率为葡萄糖的产率为６７％。这一成果的后续研究包括预　处理过程作中对催化生成乙醇的微生物抑制，以及对半纤维素　的继续处理方法。　１．１．２稀酸预处理　稀酸预处理纤维原料的研究很早就已经展开，后续研究的　方向之一是对预处理产物的酶解研究。已证实了利用纤维二糖　酶可以有效提高稀酸预处理的参数，并进一步发展了稀酸预处理　后的酶解模型。　酶解模型的进一步研究有两条主线：一是进一步发展成软木　的同步糖化发酵模型，并由此用于研究纤维素水解过程中的乙醇　和纤维二糖酶的抑制作用。另一条主线是，稀酸预处理改进为　ＳＯ２蒸汽两步处理，两段式处理工艺可以使半纤维素和纤维素分　别在不同条件下得到水解，其效果比直接处理效益好。　１．１．３蒸汽爆破技术　蒸汽爆破技术将汽爆与溶剂（乙醇、离子液体、甘油等）萃取　组合，实现原料化学水平组分分离。形成了秸秆中半纤维素定向　转化为低聚木糖（或木糖醇）、纤维素定向酶解发酵、木质素分离　纯化的秸秆高值转化路线。　将汽爆与湿法超细粉碎组合，实现原料纤维组织和非纤维组　织的分离，形成了纤维组织定向酶解发酵、非纤维组织定向热化　学转化乙酰丙酸等的高值转化。　１．１．４离子液体的特殊溶剂　离子液体是１００￣（２以下的较低温度也能维持液体状态的盐。　离子液体的分子结构非常复杂，一般分子量都很大，多是具有碳　氢化合物侧链的有机物。２００２年美国阿拉巴马大学的Ｒｏｂｉｎ　Ｄ．　Ｒｏｇｅｒ教授首次报告了在１００ｏＣ左右能够溶解纤维素的离子液　体的研究。后来又有在常温下溶解纤维素的研究成果，还知道了　将酶溶解在离子液体中能够使酶发挥活性的事实。还发现将纤维　素和纤维素酶同时溶解，能够实现常温下纤维素的酶糖化。　溶解纤维素的离子液虽然具有在常温下溶解纤维素的优良　特性，但所有的都是亲水性的，这就是难点所在，关键在于要向溶　解了糟的离子液体加水。离子液体如果是疏水性的，就会像水和　油那样物理分离。如果糖的水溶解度大于其离子液体溶解性，那　么糖就会从离子液体向水相转移。这样一来，就能顺利地将糖从　离子液体分离出来。　对疏水性离子液的开发，将是未来攻克的主要技术。这不仅　可以提高纤维素糖化效率，从离子液体的重复利用的观点看也是　非常重要。纤维素变成糖后，将糖从离子液体分离后，离子液体可　以再次作为纤维素的溶剂使用。直接关系到降低成本的问题。１４３　孟明纤维岽生物能源转化利用现状的分析研究　・　７９　・　１．２影响预处效果的主要因素　影响预处效果的主要因素是木质纤维素原料的结构及其不　均一性。　木质纤维素原料主要由纤维素、半纤维素、木质素构成，其　中纤维素由结晶相与非结晶相相互交错形成的，其非结晶相的　大部分葡萄糖环上的羟基基团处于游离状态；而结晶相纤维素　中大量的羟基基团形成了庞大的氢键，这些氢键构成巨大的氢　键网络，直接导致了致密的聚集态晶体结构的形成，这也是天然　纤维素难于水解的重要原因。另外这些主要组分的分布、含量、　物理化学性质等都随原料的来源、种类不同而存在显著差异，这　种组成的不均一性是限制秸秆的高值化利用的关键。　２纤维素酶及其生产　纤维素酶可分为外切１，４一Ｂ—Ｄ葡聚糖苷酶或纤维二糖水　解酶（ＣＢＨ，ＥＣ３．２．１．９１），内切１，４一Ｂ—Ｄ葡聚糖苷酶（ＥＧ，　ＥＣ３．２．１．２１）和Ｂ一葡萄糖苷酶（Ｂ－Ｇ，ＥＣ３．２．１．２１）。　２．１纤维素酶的协同作用　２１．１酶解机理　外切酶可以水解纤维素结晶区，（ＣＢＨ　Ｉ）从纤维素的还原　端，（ＣＢＨＩＩ）从非还原端开始持续水解，释放纤维二糖；内切葡　聚糖酶主要作用于纤维素中的非结晶区，随机水解纤维素链中　的糖苷键，把纤维素长链切断，转化成为大量不同聚合度的纤维　素短链，使得纤维素聚合度降低，可供外切酶作用的纤维素链末　端数增加；Ｂ—Ｄ葡聚糖苷酶则主要水解纤维二糖和可溶性纤维　寡搪，最终将纤维素转化为可利用的葡萄糖ｉｓ］。　２．１．２三种纤维素酶协同作用　单一的酶系组分不能独立完成对天然木质纤维素底物的最　终降解，把天然木质纤维素底物降解为葡萄糖等单糖，必须在几　类纤维素酶酶系组分的共同作用下完成。　例如：在预处理过的纤维素原料中，特别是半纤维素与木质　素。对于纤维素的酶解有很强的抵制作用。因此向酶混合物中添　加一些所谓的”辅助酶”就可能补偿纤维素酶的不足。　ＡｌｅｘＢｅｒｌｉｎ等的实验结果表明在纤维素酶中添加部分木聚　糖酶，果胶酶和Ｂ—Ｇ，在酶解酸处理过的玉米秸秆时，达到同样　的酶解效果可以使总酶蛋白的量下降５０％。　再如：从新鲜玉米秸秆中分离得到了与纤维素酶有协同作　用的细胞壁蛋白Ｚｅａ　ｈ。蛋白Ｚｅａ　ｈ没有糖苷水解酶活性，但对　滤纸和汽爆秸秆的酶解具有促进作用。　２．１纤维素酶菌种选育　工业生产的纤维素酶主要有真菌产生。如木霉（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍ　ａｓｐ．）、青霉（Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍ　ｓｐ．）、曲霉（ＡｓｐｅｒｇｉＵｕｓ　ｓｐ．）以及腐质霉（Ｈｕ—　ｍｉｃｏｈ　ｓｐ．）等。其中最著名的是Ｔ．ｒｅｅｓｅｉ，它产生的纤维素酶具有　酶谱全、活力高的特点。２０世纪６０年代以来，科学家对野生菌　株Ｔ．ｒｅｅｓｅｉ　ＱＭ６ａ进行了大量的筛选育种工作，筛选到能够产生　较高的内切型和外切型葡聚糖酶活力的ＱＭ９４１４、Ｐ，．ｕｔＣ３０和　ＭＣＧ７７。是目前生产酸性纤维素酶的主要菌种。腐质酶是中性　纤维素酶的重要生产菌种；黑曲霉产生的纤维素酶可以用于食　品工业；青霉除了产生大量的纤维素酶外还可以产生较高的葡　聚糖苷酶，可以弥补木霉产生葡萄糖苷酶不足的的缺点。细菌和　放线菌也能够产纤维素酶，它们产生的纤维素酶往往有耐碱耐　热的特点。细菌产生的纤维素酶除了传统的内切、外切纤维素酶　外，还可分泌纤维小体（ｃｅｌｌｕｌｏｓｏｍｅ）并分泌到胞外。纤维小体由多　种纤维素酶和半纤维素酶组成，具有较高的水解纤维素的能力，　在纤维素废弃物的处理上有很大的应用潜力　。　２．２纤维素蛋白质复合化　日本东北大学大学院工学研究课的梅津光央准教授人工制　造出了“超纤维素酶”。所谓“超纤维素酶”是以Ｓｔｅｐｔｏｍｙｃｅｓ　ａｖｉ—　ｄｉｎｉｉ为来源的链霉抗生素蛋白（ｓｔｒｅｐｔｏａｂｉｄｉｎ）为核，并使合成蛋白　质集结在核上制造出来。梅津准教授以来源于Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕ￣ｎｉｇｅｒ的　内切葡聚糖酶Ａ为酶域。以来自Ｃｅｌｌｕｌｏｍｏｎａｓ　ｆｉｍｉ的内切葡聚塘　酶为结合域构建出转基因大肠杆菌。每个酶的ｃ端都连接一段与　生物素结合（生物素标签）的特殊多肽。因为生物素的存在，各域　都能与链霉抗生素蛋白核紧密合在一起。以磷硼酸化的纤维素为　底物，改变酶域与结合域的比例，进行超纤维素酶的作用实验，结　果观察到超纤维素酶的活性是单个酶域的７倍。梅津教授作为超　纤维素酶的发展版，进一步确立了使多个蛋白质结合在金属粒子　上的技术，据说使用金属粒子，能够长时间的继续糖化。如果采用　磁性的金属粒子，那么酶的回收就容易进行。酶的反复利用成为　可能。　Ｚ　３纤维素酶的生产方法　纤维素酶的生产方法一般有液态发酵和固体发酵两种。固态　发酵可节水节能。目前研究的较多。　中科院过程研究所提出了气相双动态固态发酵的新过程，此　过程没有加入机械搅拌，而仅对固态发酵过程的气相状态进行控　制，一方面气压处于上升和下降的脉动中；另一方面反应器的气　相也处于流动中，改善了固态发酵过程的热量传递与氧传递，促　进了菌体的生长和代谢。实现纯种培养。　近年来，许多科学家提出了采用现场生产（Ｏｎ—ｓｉｔｅ　ｐｒｏｄｕｃ—　ｄｏｎ）的方式来降低纤维素乙醇生产中的纤维素酶成本的办法，即　采用在乙醇工厂中建立纤维素酶车间的方式，先以工厂中预处理　之后的一部分木质纤维素为原料进行有氧的产酶发酵，当酶活达　到峰值或各酶组分处于最佳组合肘，不经任何处理，直接将含酶　的粗发酵液与新的纤维素原料混合，进入水解产糖或同步糖化发　酵的后续工艺。该工艺的优点在于生产出的粗酶液不需要分离、　储藏和运输等不必要的高昂成本，而将粗酶液直接用于下游工　艺。由于产酶发酵液中的纤维类成分与酶蛋白有一定的吸附作　用，直接使用粗酶液可避免相应分离造成的损失，有研究表明，未　经过加工的粗酶液和酶制剂商品相比．有更高的酶水解效率。【ｑ　２４现存在问题　纤维素酶和某些其他蛋白的协同作用机理尚不十分明确，推　测可能存在两种机制：一种是某些蛋白提高了纤维素酶的稳定　性。减少了纤维素酶的失活。另一种是某些蛋白的添加增加了纤　维素酶和基质反应的几率。纤维素酶和其他蛋白协同作用的机理　研究可以为减少纤维素酶用量、提高木质纤维素酶解效率、改良　纤维素酶性能提供重要的理论依据。　３．纤维素生物转化过程集成　３．１转化工艺　３．１．１分步糖化发酵工艺（ＳＨＦ）　分步糖化发酵工艺是酶解和发酵分步进行。其优点是发酵