木質(zhì)纖維素為原料的燃料乙醇發(fā)酵技術(shù)研究進(jìn)展

化工進(jìn)展CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2010年第29卷第10期進(jìn)展與述木質(zhì)纖維素為原料的燃料乙醇發(fā)酵技術(shù)研究進(jìn)展崔永強,林燕,華鑫怡,孔海南(上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海200240摘要:介紹了木質(zhì)纖維素的資源組成、結構、利用現狀以及從木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的一般生產(chǎn)工藝,并重點(diǎn)綜逑了預處理、水解、發(fā)酵和蒸餾4個(gè)關(guān)鍵流程工藝及相關(guān)技術(shù),分析了這些工藝中采用的不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及國內外的技術(shù)現狀及動(dòng)向,本文還提出和討論了今后研究方向需要加強的方面,并指出:高產(chǎn)纖維素酶菌株的篩選及馴化、改進(jìn)原料預處理技術(shù)、降低中間產(chǎn)物對纖維素酶活性的抑制作用、現代育種技術(shù)構建耐高溫工程菌等減少成本和提高纖維素生物質(zhì)到乙醇的轉化率技術(shù),將是今后的研究重點(diǎn)發(fā)展方向和業(yè)界正面臨的挑戰關(guān)鍵詞:木質(zhì)纖維素;預處理;水解、發(fā)酵;燃料乙醇中圖分類(lèi)號:TQ9206文獻標志碼:A文章編號:1000-6613(2010)10-1868-09Progress in fuel ethanol production from lignocellulosicbiomassCUI Yongqiang, LIN Yan, HUA Xinyi, KONG Hainan(School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)Abstract: This paper describes the current utilization, composition and structure of lignocellulose andthe general process of fuel ethanol production from lignocellulosic biomass. Key processes includingpretreatment, hydrolysis, fermentation and distillation are discussed. Advantages and disadvantages ofdifferent methods, as well as the present status and developing trends of corresponding technologiesanalyzed. Promising prospects of ethanol production in cost reduction and conversion improvementfrom lignocellulose fermentation are especially introduced. Prospects and challenges are considered tobe the isolation methods of high cellulose-producing microorganisms, advanced pretreatmenttechnologies, ways for overcoming cellulase inhibition and mutagenesis, and molecular techniques forthermophilic or thermotolerant yeastsKey words: lignocellulose; pretreatment; hydrolysis; fermentation; fuel ethanol石油產(chǎn)量的下降、能源需求的增長(cháng)、不穩定的的頒布都意味著(zhù)纖維素燃料乙醇已經(jīng)引起了國際上石油價(jià)格以及縮減溫室氣體的排放等促使人們開(kāi)發(fā)的普遍重視新的能源來(lái)改變現有的能源結構。除了風(fēng)能、太陽(yáng)纖維素燃料乙醇的原料主要為木質(zhì)纖維素類(lèi)能、潮汐能等潔凈能源,生物質(zhì)能源由于自身的優(yōu)勢,受到人們的重視。由于“第一代生物質(zhì)能收稿日?、峰為日,n1nn26。源”的生產(chǎn)消耗了大量的農產(chǎn)品,并可能造成糧金中國煤化工o5)及污染控制與賽源化研食安全問(wèn)題,因此近年來(lái)“第二代生物質(zhì)能源”CN MHGO2)資助項目r:水強(1987~),男,幀上砑究生。聯(lián)系人:林燕纖維素燃料乙醇,受到了越來(lái)越多關(guān)注,美國副教授,生物質(zhì)能源化利用研究,電話(huà)021547454;Ema制定的長(cháng)期“30×30”目標以及歐盟一系列法律 linyan00 sjtu.edu.c永強等:木質(zhì)纖維素為原料的燃料乙醇發(fā)酵技術(shù)研究進(jìn)展1869·生物質(zhì),主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。木表1纖維素、半纖維素、木質(zhì)素在常見(jiàn)農作物及質(zhì)纖維素的原料豐富,植物每年通過(guò)光合作用可產(chǎn)廢棄物的含量1生髙達1550億噸纖維素類(lèi)物質(zhì),而每年用于工業(yè)過(guò)農業(yè)廢棄物纖維素%半纖維素%木質(zhì)素%程或燃燒的纖維素僅占2%左右,具有很大利用空硬木于間。我國在2004年開(kāi)始試點(diǎn)推廣在汽油中添加乙軟木干醇,但當時(shí)的大部分乙醇產(chǎn)自玉米、高粱和甘蔗,堅果殼原料價(jià)格和來(lái)源受到限制,因此非糧纖維素乙醇的玉米芯前景十分廣闊。研究木質(zhì)纖維素燃料乙醇對解決能源短缺、環(huán)境污染、氣候變暖等問(wèn)題具有非常重牧草35~5010~30大的意義。麥稈20~2515~20稻草桿1木質(zhì)纖維素15~20木質(zhì)纖維素主要由纖維素(40%~50%)、半纖分類(lèi)垃圾維素(25%~35%)和木質(zhì)素(15%~20%)構成,5~20如圖1所示5。纖維素是一種有1000~10000個(gè)葡百慕大沿海牧草萄糖單體以β-1,4糖苷鍵連接的直鏈多糖,多個(gè)分柳枝草30~50子平行緊密排列成絲狀不溶性微小纖維,其基本組固體牛糞16~4.7I4~3.32.7~57成單位是纖維二糖,它是地球上最豐富的聚合體;半纖維素是一類(lèi)高度分支的雜多糖,糖殘基有己糖初始廢水懸浮物8~1524~29(如D半乳糖、L半乳糖等)、戊糖(D-木糖、L阿拉伯糖)和糖醛酸,半纖維素的組成依原料的不5518~30同而有所差別;木質(zhì)素不是由碳水化合物組成,而化學(xué)漿廢紙60~7010~20是由苯內烷結構單元組成的近似球狀的高聚體,對水解纖維素起到屏障作用向天然纖維素材料的結構性質(zhì)非常復雜,木聚糖使其難以直接被生物降解。同時(shí),不同生物質(zhì)的是植物半纖維素的主要成分,其主鏈常以氫鍵形式纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量差別也很大,其在與纖維素的纖維絲相連,而側鏈通過(guò)阿魏酸或醛酸常見(jiàn)的農作物及廢棄物中的含量如表1所示,因此與木質(zhì)素相連,形成難降解的纖維素/半纖維素木針對不同來(lái)源生物質(zhì)的木質(zhì)纖維素乙醇發(fā)酵研究也質(zhì)素聚合體。半纖維素和木質(zhì)素通過(guò)共價(jià)鍵聯(lián)結是一個(gè)挑戰成網(wǎng)絡(luò )結構,纖維素鑲嵌其中(如圖1)。纖維素不2木質(zhì)纖維素產(chǎn)乙醇工藝僅被半纖維素和木質(zhì)素所包裹,且其本身也存在著(zhù)高度結晶性和木質(zhì)化,阻礙了酶與纖維素的接觸木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇過(guò)程可以分為兩步:木質(zhì)纖維素原料經(jīng)過(guò)水解處理轉變成相應糖類(lèi);糖木質(zhì)素纖維素類(lèi)發(fā)酵轉變?yōu)橐掖?。一般微生物發(fā)酵法制備乙醇產(chǎn)品含4個(gè)流程:預處理、酶解、發(fā)酵以及回收目前發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的方式主要有:異步糖化發(fā)酵法( separate hydrolysis and fermentation,SHF)、同步糖化發(fā)酵( simultaneous saccharification andfermentation,SSF)、聯(lián)合生物加工( consolidated紅維素中國煤化工整體流程如圖2所示CNMHG結構蛋白異步糖化發(fā)酵(SHF)中酶解和發(fā)酵分別在兩圖1木質(zhì)纖維素結構圖個(gè)反應器中進(jìn)行,pH值和溫度都可以調到酶解及發(fā)化工進(jìn)展2010年第29卷生物質(zhì)六碳糖發(fā)酵碳糖發(fā)酵預處理糖化六碳糖和五碳發(fā)釋E蒸餾、脫水酶+糖化六碳糖和五碳糖發(fā)停|cP圖2異步糖化發(fā)酵(SHF)、同步糖化發(fā)酵(SF)、聯(lián)合生物加工(CBP)生物制乙醇流程圖酵的最佳狀態(tài),并在發(fā)酵過(guò)程中循環(huán)利用發(fā)酵菌體分解、酸或堿水解、氧化脫木質(zhì)素、有機溶劑;生細胞,但其最大的缺點(diǎn)是在預處理過(guò)程中生成的纖物法有主要用棕色、白色或軟腐菌來(lái)降解肥料的半維二糖和葡萄糖抑制了纖維素酶的活性2-1。最纖維素和木質(zhì)素。具體見(jiàn)表2。預處理方法主要近,研究者對纖維素生物質(zhì)轉化成燃料乙醇的關(guān)注是降低原料的損失,提高后續水解過(guò)程糖得率,主要集中在同步糖化發(fā)酵(SSF)和聯(lián)合生物加工般纖維素乙醇發(fā)酵過(guò)程中預處理過(guò)程是成本比較高(CBP)上。同步糖化發(fā)酵(SSF)很大程度減的步驟,所以也是目前研究和生產(chǎn)應用當中比較關(guān)少了纖維二糖、葡萄糖等酶解產(chǎn)物對該酶的抑制作注的一個(gè)方面。用,從而提高了生產(chǎn)效率,節約了成本。據佔算,在眾多預處理方法中,一般使用蒸汽爆破、水可以減少大于20%的投資成本;但是,SSF必須在熱預處理和濕式氧化處理木質(zhì)纖維素。其中,采用最佳水解和發(fā)酵溫度上做一個(gè)折中,更重要的是,蒸汽爆破法雖然可以達到很好的預處理效果3,但發(fā)酵菌種不能回收重復利用。聯(lián)合生物加工蒸汽爆破法預處理木質(zhì)纖維原料存在一些問(wèn)題,還(CBP)在一個(gè)反應器中聯(lián)合了酶生產(chǎn)、水解、五不完全具備工業(yè)化推廣的條件國。濕式氧化處理雖碳糖發(fā)酵和六碳糖發(fā)酵4種生物轉化過(guò)程,由于將然能耗少,但資金成本非常高。水熱預處理被認生產(chǎn)纖維素酶的過(guò)程包括在整體工藝中,從而降低為是最有潛力應用于商業(yè)化大規模的秸稈預處理了底物和原料的消耗以及纖維素酶的成本,使工業(yè)因為這種處理方法不需要添加額外的化學(xué)物質(zhì)或氧規模的工藝生產(chǎn)成為可能:盡管天然微生物難以具化劑。此外,為了使木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)資源生有CBP要求的所有功能,但仍然有許多微生物,如產(chǎn)乙醇盡快實(shí)現工業(yè)化,盡量降低能耗及成本,生細菌和真菌,擁有部分所需功能,目前在發(fā)展適合產(chǎn)出高附加值的木質(zhì)素產(chǎn)品,探索并建立有效的CBP要求的基因工程菌株方面的研究主要集中在預處理模型用來(lái)選擇、設計以及優(yōu)化預處理工藝也對釀酒酵母( Saccharomyces cerevisiae)的基因重組是提高預處理的效果的一個(gè)途徑n技術(shù)中122水解21預處理盡管預處理能夠得到一部分單糖,但大部分還生物質(zhì)的預處理主要包括對纖維素、半纖維素是以不能直接供菌體發(fā)酵的多糖分子存在,因此水和木質(zhì)素組分的粉碎、溶解、水解和分離1。預處解是發(fā)酵前必要的步驟。水解主要是將纖維素、半理的主要目的是降低纖維素的分子質(zhì)量,打開(kāi)其密纖維素多糖轉變成可發(fā)酵的單糖(六碳糖和五碳集的晶狀結構,以利于進(jìn)一步的分解和轉化向。根糖),圖3為木質(zhì)纖維素的水解簡(jiǎn)圖。據原料性狀的不同采取不同的預處理方法,一般包中國煤化工糖的組成是葡萄括物理方法、物理化學(xué)法、化學(xué)法、生物法4類(lèi)。糖、伯糖,其中約物理方法有機械粉碎、熱分解;物理化學(xué)法有蒸汽為六硤糖,n為丑碳概,兀刀利用木質(zhì)纖維素原爆破、CO2爆破法、氨纖維爆裂;化學(xué)方法有臭氧料中的木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,能使乙醇的產(chǎn)量在原有第10期崔永強等:木質(zhì)纖維素為原料的燃料乙醇發(fā)酵技術(shù)研究進(jìn)展·1871·表2各種預處理方法的比較預處理方法原料條件效果參考文獻蒸汽爆破小麥秸稈09%HSO4預浸液,180℃,10min300g糖/g小麥秸秤白楊(硬木),含水率0~73%217MPa,112~165℃,10~60min理論值的(145±23)%超臨界二氧化碳白楊(硬木),含水率73%217MPa,165℃,30min理論值的(847±26)%南方松(軟木)含水率0~283MPa,112~165℃,10~60min理論值的(128±27)%南方松(軟木)含水率73%21.7MPa,165℃,30min理論值的(273±38)%AFEy百慕達草,含水率60%100℃,30min理論值的948%22]kg干物質(zhì))濕氧法稻堯185℃,05MPa,15min纖維素問(wèn)收率67%,89%的木質(zhì)素去除70%[23]的半纖維素溶解堿性(NaCO3)煙草秸稈和桔皮廢物195℃,12MPa,l5min纖維素回收率約90%[24濕氧法昊氧法小麥秸稈,含水率20%,粒27%臭氧,空氣臭氧流速60Lh酶解產(chǎn)量886%125]徑<1黑麥秸稈含水率40%,粒徑3%臭氧,空氣臭氧流速90Lh,20%酶解產(chǎn)量57%3~5mm的NaOH潤濕稀酸法云杉(軟木)<042mm180℃,30min,1%硫酸溶液總糖回收率567%6云杉(軟木)<042mm180℃,30min,1%硫酸和18gL總糖回收率87%Na2SO3溶液有機溶劑法加利福尼亞松丙酬水(體積比1:1),195℃,5min,理論值的995%pH值20堿性過(guò)氧化氫法大麥精稈(100g)25%HO2pH115,35℃,24h總糖歌為理論值4%,即604mgg竹材長(cháng)5~8cm,寬3~5cm1%H2O2和1%NaOH溶液,90℃,60六碳糖及總還原糖產(chǎn)量分別為399和129568mg/g千竹材小麥秸稈粒徑<5mm綜合最佳條件:188℃,40min半纖維素水解得糖率43.6%,酶解產(chǎn)量是理論值的798%84℃,24min(披半纖維素得到糖半纖維素水解糖回收率71.2%考慮)214℃.27min(酶解產(chǎn)量考慮)酶水解率是理論值的906%生物預處理法玉米纖維,含水率68%褐腐真菌( Gloeophyllum traben)懸玉米纖維生物降解34%浮培養,2周褐腐真菌固態(tài)發(fā)酵實(shí)驗,緩沖厭氧培11%的玉米纖維變成還原糖,最終乙醇產(chǎn)量養,混入酵母菌40g100g玉米纖維揭腐真蔭固態(tài)發(fā)酵實(shí)驗,緩沖厭氧培11%的玉米纖維變成還原糖,最終乙醇產(chǎn)量養,無(wú)酵母菌33gl00g玉米纖維堿性水解法柳枝稷(<2mm)50℃,24h,010gCa(OH)yg原材葡萄糖、木糖、總還原糖產(chǎn)量分別為2396,[32】料,沖洗濃度100mL水g原材料272,4334mg/g原材料木質(zhì)纖維素y●纖維素半纖素GGGGG Gal Man x Ara中國煤化工圖3木質(zhì)纖維素成分水解CNMHG箭頭代表水解(黑箭頭代表生成單糖可以直接被發(fā)酵利用),G為葡萄糖,Ga為半乳糖,Man為甘露糖,X為木糖,An為阿拉伯糖,heL為鼠李糖,L為海藻糖,糖醛酸187化工進(jìn)展200年第29卷基礎上增加25%菌的預處理,纖維素與木質(zhì)素的比值從27分別221物化水解調高到了59和46,證明了對木質(zhì)素的高選擇性物化水解主要是原材料經(jīng)過(guò)物化作用形成一降解4。部分單糖,主要發(fā)生在預處理階段,同時(shí)會(huì )有抑制其次,半纖維素的降解能夠暴露出更多的纖維物生成。木質(zhì)纖維原料經(jīng)稀酸預處理后可得半纖維素與纖維素酶的結合,從而加快纖維素的水解過(guò)程素水解液,水解液中主要含有木糖、葡萄糖和少量然而半纖維素的快速有效降解需要很多酶的協(xié)同作的其它糖,另外還含有一些乙酸、糠醛和羥甲基糠用。在木質(zhì)纖維素的降解方面,半纖維素酶的商業(yè)醛等發(fā)酵抑制物啊。一些來(lái)自木質(zhì)素降解的芳香化發(fā)展不如纖維素酶迅速,因為目前商業(yè)開(kāi)發(fā)主要集合物,來(lái)自糖降解的呋喃衍生物和一些脂肪酸被認中在經(jīng)稀酸處理后的生物質(zhì),而這些生物質(zhì)中的半為是處理纖維物質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的阻礙物,為了將這纖維素在糖化之前已經(jīng)被去除;但是,隨著(zhù)無(wú)酸預影響降至最小,人們做了很多研究8,包括物理處理方法的發(fā)展,生物質(zhì)的半纖維素并沒(méi)有變化,脫毒法、化學(xué)脫毒法、生物脫毒法和綜合脫毒法4。因此半纖維素酶的重要性日益凸顯。B14木聚水解過(guò)程中應注意使纖維素和半纖維素轉變成更多糖,作為半纖維素最多的組分,是主要由P-14木的可發(fā)酵糖類(lèi),盡量減少對纖維素酶起抑制作用的吡喇糖苷鏈接成,部分木吡喃糖苷被乙酰、葡萄降解產(chǎn)物的形成。羅鵬等在反應體系中添加糖醛酸和阿拉伯糖側鏈代替。木聚糖先被內切βTwen20表面活性劑,阻止了木質(zhì)素對纖維素酶的木聚糖酶(EC3.2l.8)水解成低聚木糖,然后低聚無(wú)效吸附,使得體系的乙醇產(chǎn)量濃度提高了14%,木糖冉被βD木糖苷酶(EC32.1.37)水解成D反應時(shí)間縮短了12h木糖。木聚糖結構比纖維素復雜,且需幾種具有222酶水解不同特異性的酶才能完全水解,許多微生物有可以纖維素的水解由3種酶的協(xié)同作用來(lái)完成,首完全降解木聚糖的酶系如青莓菌( Penicilliun先由內切-14葡聚糖酶(EG,EC31.4)來(lái)攻擊 capsulatum)和( Talaromyces),但木聚糖的多糖不纖維素的非結晶部分,為纖維素酶產(chǎn)生還原和非還形成類(lèi)似纖維素的品狀結構,因此相對來(lái)說(shuō)木聚糖原端;纖維二糖水解酶(CBH,EC32.191)通過(guò)更容易被酶水解還原和非還原端催化釋放出纖維二糖,纖維二糖很為了驗證非糧生物質(zhì)產(chǎn)乙醇的效果,美國能源快就被β葡萄糖苷酶(BG,EC3.2.1.21)分裂成兩部(DOE)提供高達3.85億美元資金資助6個(gè)纖個(gè)葡萄糖酶生產(chǎn)的高成本被認為是纖維乙醇維素乙醇示范工廠(chǎng),采用了不同的水解工藝:酸商業(yè)化的主要瓶頸邸,因此提高木質(zhì)纖維原料酶水解和酶解兩步水解,一步濃酸水解以及使用氣化解效率與降低酶水解成本一直是由木質(zhì)纖維原料生生物質(zhì)并從合成氣中獲得乙醇工藝。其中最為產(chǎn)燃料乙醇的研究重點(diǎn)。相關(guān)研究主要集中在以下成功的 logen公司使用的酶解工藝流程為:粉碎幾方面。的原料先在溫度為200~250℃含05%~1%硫酸首先,由于木質(zhì)素及木質(zhì)素相關(guān)化合物對纖維的高壓蒸汽中進(jìn)行預處理,停留時(shí)間小于1min,素酶有不可逆的吸附作用,進(jìn)而對葡聚糖的水解有之后迅速降壓;經(jīng)過(guò)預處理的總含固率為15%~抑制作用,因此木質(zhì)素的降解問(wèn)題是提髙酶水解效20%的原料漿液進(jìn)入水解罐進(jìn)行酶解,用堿將漿率所不可冋避的問(wèn)題。自然界中能降解木質(zhì)素并產(chǎn)液調到pH=5,并維持在50℃,木霉纖維素酶生酶類(lèi)的生物只占少數,主要為真菌、細菌。而( Trichoderma cellulase)酶液以100L/t纖維素的對木質(zhì)素能進(jìn)行最有效降解的微生物是依賴(lài)木質(zhì)素流量加入到水解罐,水解5~7天,最終纖維素到降解酶系的白腐真菌( white-rot fungi),此酶系主葡萄糖的轉化率達到80%~95%9。國內的河南要包括:木質(zhì)素過(guò)氧化物酶( lignin peroxidase,南陽(yáng)天冠集團以及黑龍江肇東的華潤酒精廠(chǎng)等工LP)、錳過(guò)氧化物酶( manganese-dependent也Ⅵ山中國煤化工卜,瑞典的sekbperoxidase,MnP)以及漆酶( laccase)咧。Dias公司CNMHG第一階段在0.7%等研究了擔子菌綱的兩種白腐真菌Euc1和 Irpex H2SO、190℃、停留時(shí)間3mn條件下,最大程度acteus對木質(zhì)素的降解,結果顯示,經(jīng)過(guò)這兩種真水解半纖維素:第二階段在04%H2SO4、215℃、第10期崔永強等:木質(zhì)纖維素為原料的燃料乙醇發(fā)酵技術(shù)研究進(jìn)展1873·停留時(shí)間3min條件下,有效的降解了纖維素223發(fā)酵在中國,上海華東理工大學(xué)也利用兩階段稀酸水解發(fā)酵是將由預處理和水解產(chǎn)物中的五碳糖和工藝在上海奉賢區建造了可以從農作物年產(chǎn)600t六碳糖等糖類(lèi)發(fā)酵生成乙醇及其副產(chǎn)物的過(guò)程。常乙醇的工廠(chǎng)咧。見(jiàn)的發(fā)酵菌種及其特性如表3所示表3常見(jiàn)的發(fā)酵菌種及其特性菌種利用糖類(lèi)醇產(chǎn)量g臼g葡萄糖)醇產(chǎn)率gLh)1乙醇耐受性%生長(cháng)條件參考文獻zymomonas mobilis細菌六碳糖、蔗糖厭氧Clastridium thermocellum細菌六碳糖、五碳糖3.5厭氧Thermoanae robacter mathranii細菌六碳糖、五碳糖020~035高溫、中性、厭氧1ing酵母六碳糖、蔗糖040~045中酵母六碳糖、木糖微最需氧Pachysolen tannophilus酵母六碳糖、木糖032中溫、酸性酵母六碳糖、木糖0411中溫、酸性、厭氧從表3中可以看出,釀酒酵母(S. cerevisiae)[聊」[A具有單位葡萄糖產(chǎn)量高,乙醇耐受性好的優(yōu)點(diǎn),據木糖還原酶NADH報道,釀酒酵母可以在完全缺氧的條件下,可耐受木糖還原酶NAD°濃度為150gL的乙醇;另外,釀酒酵母還具備可在中溫、酸性和厭氧的條件下進(jìn)行發(fā)酵等優(yōu)點(diǎn)木糖醇木糖醇除此,發(fā)酵過(guò)程中的副產(chǎn)物少,不易被細菌和病毒木糖醉脫氫N(xiāo)AD木糖醇/2NAD污染,且相關(guān)工業(yè)技術(shù)成熟例等方面也使得釀酒酵酶(XDH) JL9NADH酶(XDH)NADH母成為乙醇發(fā)酵工藝中的首選菌種之一,然而酸酒木酬糖酵母不能直接利用五碳糖,同時(shí)會(huì )對發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇進(jìn)行重吸收,這些會(huì )降低乙醇產(chǎn)率的缺點(diǎn)也限圖4木糖發(fā)酵過(guò)程制了其在乙醇發(fā)酵中的進(jìn)一步應用。為了能夠提高乙醇的產(chǎn)率,除了發(fā)酵傳統的六 NADPH兩種輔助因子的XR,其中輔酶因子NADH碳糖外,對五碳糖的發(fā)酵利用是提高原料利用率及可以保持胞內氧化還原平衡,不會(huì )造成木糖醇的積乙醇得率的可選途徑之一。木糖作為五碳糖的主要累,是厭氧木糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇的較好途徑如圖4(c)組分,被轉化為木酮糖的形式后才會(huì )被利用并最終然而,根據動(dòng)力學(xué)研究結果,輔酶因子 NADPH發(fā)酵成乙醇。木糖轉化為木酮糖的過(guò)程主要為三類(lèi)與XR的親和力是NADH的兩倍,因此降低胞(如圖4)。在大多細菌中,木糖( Xylose)通過(guò)木內 NADPH的相對水平,以及促進(jìn)NAD+因子的糖異構酶的催化直接轉化成木酮糖[如圖4a);酵再生將是有效利用木糖、減少木糖醇積累所必需母和大多真菌類(lèi)中的轉換主要靠木糖還原酶(XR)的措施之一。和木糖醇脫氫酶(XDH)兩種酶的作用,其中XR目前,國內外許多研究者致力于構建能代謝五以 NADPH為輔酶因子,而XDH以NADH為輔助碳糖和六碳糖的高效產(chǎn)乙醇的基因重組菌:一類(lèi)是因子完成木糖向木酮糖的直接轉化:;與木糖異構酶將釀酒酵母與其它可代謝木糖的酵母進(jìn)行細胞融催化直接轉化不同的是,這兩種輔酶因子在厭氧條合;另一類(lèi)是利用基因工程手段轉化攜帶木糖外源件下產(chǎn)生了中間產(chǎn)物木糖醇,而木糖醇是副產(chǎn)物基因的質(zhì)粒到釀酒酵母當中得到基因工程菌。經(jīng)它的產(chǎn)生將減少最終乙醇的產(chǎn)量,從而使系統的乙過(guò)基中國煤化工糖為基質(zhì)進(jìn)行乙醇得率降低[如圖4):畢赤酵母( Pichia stipitis)醇發(fā)圖CNMH萄糖產(chǎn)乙醇理論是能在厭氧條件下將木糖轉化成乙醇的少數酵母值的95%,并且培養液中沒(méi)有檢測到葡萄糖和其它中的一種,其擁有可以利用NADH和副產(chǎn)物,考慮到在實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中菌體會(huì )利用一部·1874化工010年第29卷分葡萄糖進(jìn)行生長(cháng),實(shí)際其乙醇得率小于100%,菌株的乙醇產(chǎn)率為04g葡萄糖(或02g乙醇/g因此重組菌株的乙醇產(chǎn)率實(shí)際已經(jīng)得到了理想提預處理后干牧草高。此外,馮玉杰等應用篩選出的纖維素降解菌,24回收構建了混合菌群,其糖化效果優(yōu)于單菌株糖化;當蒸餾是一種在工業(yè)范圍內從發(fā)酵液中回收乙纖維素降解菌與酵母菌比例為1:1時(shí),在發(fā)酵36h醇的可選方法。從發(fā)酵液里用蒸餾技術(shù)回收乙醇確后,其最高乙醇產(chǎn)量為16g乙醇/00g秸稈。實(shí)有很多優(yōu)點(diǎn),如回收率高、高濃縮因子、濃度越Hughes等利用表達開(kāi)放閱讀框架(ORFs)基因高經(jīng)濟性越好等。但也有很多缺點(diǎn),如共沸物干擾的單倍體P6~4MATa菌株和表達 Piromyces能量需求髙、高溫操作、濃度越低經(jīng)濟性越差等spE2木糖異構酶(Ⅺ)基因的單倍體PJ694接下來(lái)的分子篩分離步驟需要更多的熱量,增加了MATalpha菌株的配對,得到一種同時(shí)含有這兩種基程序的成本。因此也有一些有效的替代方法如CO2因的二倍體6113酵母菌株。通過(guò)厭氧條件下的木糖(產(chǎn)自發(fā)酵過(guò)程)剝離、全蒸發(fā)過(guò)程、溶劑萃取、培養基的篩選,分離得到9株特異菌株,其中7株膜蒸餾、中空纖維發(fā)酵罐和膜生物反應器等;利能再利用葡萄糖繼續生長(cháng),并且在發(fā)酵麥稈水解液用真空除去乙醇被認為是最有潛力的,與傳統沒(méi)過(guò)程中利用了大部分的葡萄糖和少部分的木糖;當有除去乙醇的系統相比,可以將乙醇產(chǎn)率提高12這7株菌株再引入表達木酮糖激酶基因的額外載倍。常見(jiàn)的乙醇回收和脫水技術(shù)如圖5。體,發(fā)現雖然不能改善利用木糖的厭氧生長(cháng)能力,但提高了對葡萄糖的利用量和乙醇產(chǎn)量,其中3種L醉回收技術(shù)乙醇脫水技術(shù)菌株的乙醇產(chǎn)率達到最高(≥14gL) Alper H等將全局轉錄機制工程( global transcription machinery吸附吸附蒸餾engineering,gTME)應用到釀酒酵母中并通過(guò)程序液液提取液液提取升高葡萄糖和酒精的濃度篩選出了spt15~300變異全蒸發(fā)過(guò)程全蒸發(fā)過(guò)程蒸汽漆透菌種,表現了很好的乙醇耐受性,甚至在酒精體積蒸汽提取分數20%培養液中相對對照表現了很高的細胞存活圖5乙醇回收和脫水技術(shù)6率;同時(shí)乙醇產(chǎn)率相對參照提高了15%,達到了理論值的98%(0.41g/g代表最大理論產(chǎn)量)。劉紅梅等利用gTME得到高效利用木糖并共發(fā)酵木糖和3結論與展望葡萄糖的釀酒酵母重組菌株YPH4993,50g木糖纖維素類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究是和葡萄糖利用率分別達到942%及948%,當木糖個(gè)具有巨大發(fā)展潛力的熱點(diǎn)課題,也得到世界各國和葡萄糖以質(zhì)量比1:1混合發(fā)酵時(shí),木糖和葡萄糖政府的普遍重視,但要實(shí)現纖維素生物質(zhì)轉化燃料利用率分別為917%和859%,并且發(fā)酵后剩余木乙醇的規?；?、產(chǎn)業(yè)化、低成本還需要更多的研究。糖醇含量很低。另外,基因工程菌株大腸桿菌目前,雖然在技術(shù)層面上如利用基因工程獲得工程(E.col)屬KOl及其衍生物在實(shí)驗室乙醇發(fā)酵方菌,開(kāi)發(fā)新技術(shù)等取得了很大進(jìn)步,但仍然存在面得到了廣泛的應用。最近KO被用在了1000L諸多問(wèn)題需要解決。規模用稀酸水解預處理的造房廢木( waste house在現有基礎上,今后的研究方向需要在以下方wood,wHw〕制乙醇的工藝中,結果發(fā)現,在氧面進(jìn)一步加強:高產(chǎn)纖維素酶菌株的篩選及馴化以輸送率( oxygen transfer rate,OTR)為4mmol(Lh)有效降低酶水解的生產(chǎn)成本;改進(jìn)原料預處理技術(shù)時(shí),木糖的利用率為100%,并且發(fā)酵63h后乙醇以提高原料轉化利用率和纖維素酶可作用活性點(diǎn),產(chǎn)率為045gg葡萄糖。而KOl的銜生菌屬如離子液體溶解纖維素來(lái)提高纖維素的水解速度是LY01相對其它菌屬而言,對生物質(zhì)及其水解過(guò)程中近中國煤化工新工藝以降低中間的中間抑制物擁有更高的耐受性,因此提高了其應產(chǎn)物CNMHG同時(shí)對水解產(chǎn)物用性。如在百慕達牧草的乙醇發(fā)酵工藝中,原料經(jīng)中五碳糖、六碳糖的同時(shí)發(fā)酵利用以提高乙醇得率過(guò)熱處理(230℃,2min)后,結果顯示,LYo1降低生產(chǎn)成本,如采用SScF及CBP等工藝;同步第10期崔永強等:木質(zhì)纖維素為原料的燃料乙醇發(fā)酵技術(shù)研究進(jìn)展·1875糖化發(fā)酵過(guò)程中水解與發(fā)酵過(guò)程的耦合問(wèn)題,如通l615-1621I5]劉海臣,錢(qián)甜甜,王玉慧,等.耐高溫酵母利用稻草粉同步糖化過(guò)現代育種技術(shù)構建耐高溫工程菌,或者篩選得到發(fā)酵的初步研究釀酒科技,2007(11):25-28耐高溫乙醇發(fā)酵菌種,或者通過(guò)馴化或誘變來(lái)提高16 Olofsson K, Bertilsson M, Liden g a short review on ssf-An乙醇發(fā)酵菌的發(fā)酵最佳溫度,從而使發(fā)酵過(guò)程的溫interesting process option for ethanol production from lignocellulosic度與纖維素酶糖化的最佳溫度相耦合來(lái)提高同步糖[17] Van Zyl W H, LyndLR, Den Haan R, et al. 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