生物質(zhì)轉化燃料乙醇纖維素酶的研究

VoL 28 No. 3石油化工應用第28卷第3期June 2009PETROCHEMICAL INOUSTRY APPLICATION200年6月生物質(zhì)轉化燃料乙醇纖維素酶的研究年曉紅(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油化學(xué)工程系,甘肅蘭州73006摘要:能源是人類(lèi)社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎。隨著(zhù)石油資源的不斷減少和環(huán)境問(wèn)題的不斷惡化,世界各國都在積極尋找解決能源和環(huán)境問(wèn)題的方瀆。其中,以生物質(zhì)為原料的燃料生產(chǎn),已經(jīng)成為一些國家的能源發(fā)展戰略而備受重視。本文通過(guò)對利用纖維素酶水解生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇中纖維素酶的研究,分高提取出高活性的酶制劑降低酶的成本,使以生物質(zhì)為原料的燃料生產(chǎn)實(shí)現規?；?、產(chǎn)業(yè)化。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);燃料乙醇;纖維素酶;研究中圖分類(lèi)號:TQ35101文獻標識碼A文章編號:1673-5285(2009)03-0016-04由于經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展都是建立在能源尤其是化石燃料消耗的基礎之上,所以,人類(lèi)正面臨著(zhù)越來(lái)越沉重的環(huán)境污染和能源耗竭的壓力各個(gè)國家都在積極尋找B/GB應對措施開(kāi)發(fā)和利用生物質(zhì)能源已經(jīng)納入到一些國家的能源發(fā)展戰略中并相繼制定了一系列開(kāi)發(fā)研究計劃CH2OH而燃料乙醇作為可再生清潔能源也日益受到廣泛關(guān)注,是目前全世界科學(xué)家所重視的研究課題之圖1纖維素結構示意圖相對分子質(zhì)量約500002500000,相當于300~以生物質(zhì)為原料轉化燃料乙醇的發(fā)展經(jīng)歷著(zhù)三個(gè)階段。第一階段是以玉米、小麥為原料是發(fā)展燃料乙醇15000個(gè)葡萄糖基。分子式可寫(xiě)作(CHO5)n。不溶于的初始階段。而利用糧食產(chǎn)品或油料作物雖然技術(shù)已水及一般有機溶劑。是植物細胞壁的主要成分纖維素經(jīng)成熟但卻面臨著(zhù)原料供應的問(wèn)題。很顯然僅依靠糧是世界上分布最廣、蘊藏量最豐富的天然有機物也是食作為燃料酒精的原料,并非長(cháng)久之計。第二階段是非最廉價(jià)的可再生資源,占植物界碳含量的%以上棉糧燃料乙醇階段以薯類(lèi)等為原料但是薯類(lèi)也在國家花的纖維素含量接近100,為天然的最純纖維素來(lái)糧食統計范圍內并且薯類(lèi)生產(chǎn)有地域限制因此這源。一般木材中纖維素占40%-50%,還有10%-30%方案也不能完全滿(mǎn)足未來(lái)的需要第三階段是以秸稈等的半纖維素和20%-30%的木質(zhì)素。此外麻麥稈、稻農業(yè)廢棄物為主要原料的纖維素燃料乙醇。進(jìn)入21世草、甘蔗渣等都是纖維素的豐富來(lái)源。纖維質(zhì)中的纖紀各國政府和研究機構開(kāi)始重視利用纖維素酶轉化纖維素,經(jīng)過(guò)生物降解和發(fā)酵過(guò)程可生產(chǎn)燃料乙醇。而且維素物質(zhì)產(chǎn)生葡萄糖進(jìn)而發(fā)酵獲得生物乙醇,以避免對生物質(zhì)能是一種可再生的資源,可滿(mǎn)足人類(lèi)持續發(fā)展糧食作物的大量損耗的研究和開(kāi)發(fā)的需要。同時(shí),它也是一種潔凈的能源,纖維素能源植物在生長(cháng)的過(guò)程中都能大量地吸收CO2,使用生物質(zhì)1纖維素轉化燃料乙醇技術(shù)能源不但不會(huì )造成對環(huán)境的危害,反而有利于改善環(huán)境11纖維素的結構及特點(diǎn)12纖維素轉化燃料乙醇技術(shù)纖維素( cellulose)是一種多糖物質(zhì)每個(gè)纖維素大維素在常溫下不發(fā)生水解,高溫下水解也很緩分子是由n個(gè)葡萄糖?；?葡萄糖酐),彼此以1-4甙慢。只有在催化劑的作用下,纖維素的水解反應才顯著(zhù)鍵(氧橋)聯(lián)結而形成的。如圖所示進(jìn)行,中國煤化工健素酶。因此利用CNMHG·收稿日期:200804作者簡(jiǎn)介:年曉紅,女(1967-),遼寧大連,蘭州石化技術(shù)學(xué)院講師,主要從事工業(yè)分析、環(huán)境工程的教學(xué)及研究第3期牟曉紅生物質(zhì)轉化燃料乙醇纖維素酶的研究纖維素轉化生產(chǎn)燃料乙醇的主要工藝為:①預處理工有的兩家能夠生產(chǎn)纖維素水解酶的公司之一。諾維信藝即通過(guò)各種方法,如氣爆法濕氧化法稀酸法或幾公司與美國能源部合作將制造纖維素乙醇中的酶制劑種方法的組合破壞秸稈中的纖維素半纖維素與木質(zhì)成本由2001年的每4546L3725元降低到2004年的素的結構,使之松散亦可使半纖維素水解②水解工224元,2005年又降低到每4546Ll35元。中國中糧集藝即通過(guò)酶法或酸法把上述物質(zhì)中的纖維素、半纖維團生產(chǎn)一噸燃料乙醇需向諾維信支付大概2000元購買(mǎi)素水解成六碳糖和五碳糖;③發(fā)酵工藝選用特殊的共生物酶盡管這個(gè)價(jià)格只相當于諾維信給其它燃料乙醇酵菌種對上述六碳糖和五碳糖進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)酒精。生廠(chǎng)商的1/5,但仍然太高了。所以只有掌握核心技術(shù)其主要的化學(xué)方程式為研制出價(jià)格低到可以實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的纖維素酶才有可能( CoHIdosn+nH4O→催化劑→ nAsH2O在纖維素生產(chǎn)生物乙醇這一未來(lái)市場(chǎng)勝出。CH2O6→催化劑→2C2HOH+2C02↑21纖維素酶纖維素水解過(guò)程可以采用酸水解和酶水解來(lái)實(shí)現。纖維素酶是一種復合酶屬生物催化劑是水解纖維在酸水解工藝中可以使用鹽酸或硫酸按照使用酸的素以獲取葡萄糖的套復雜的酶系,它是由大約14000濃度不同可以進(jìn)一步分為濃酸水解和稀酸水解。但是濃個(gè)葡萄糖殘基通過(guò)bet-14糖苷鍵連接而咸的線(xiàn)性聚合酸腐蝕性強,而且從經(jīng)濟方面考慮必須回收濃酸增加了物其基本重復單位為纖維二糖。一般將其分為三類(lèi):工藝的復雜程度;而稀酸水解容易產(chǎn)生大量副產(chǎn)物。所1內切β-葡聚糖酶(EG),所有纖維素分解菌均以,一直以來(lái)酸水解法存在著(zhù)工藝復雜能耗高,產(chǎn)品色能產(chǎn)生此酶,這些酶作用于纖維素分子內部的非結晶澤深以及污染環(huán)境等負面問(wèn)題。同酸法水解工藝相比,區,能在纖維素分子內部任意切開(kāi)β-1,4糖苷鍵產(chǎn)酶法水解具有反應條件溫和、不生成有毒降解產(chǎn)物、糖生帶非還原性末端的小分子纖維素。得率高和設備投資低等優(yōu)點(diǎn)。但是,以纖維素酶轉化纖2外切β葡聚糖酶或稱(chēng)纖維二糖水解酶(CBH)維素生產(chǎn)燃料乙醇也存在著(zhù)諸多的障礙。此酶廣泛存在于絲狀真菌,可降解晶體纖維素將短鏈13纖維素酶轉化纖維素生產(chǎn)燃料乙醇存在的問(wèn)題的非還原性末端纖維二糖殘基逐個(gè)切下,釋放出纖維131原料的季節性和分散性的難題玉米稈、小麥二糖分子。稈、稻草等怎樣收割運輸存儲都是一個(gè)大問(wèn)題。經(jīng)測3阝葡萄糖苷酶或稱(chēng)纖維二糖酶(BG),此酶廣泛算1畝地才能收集到1噸秸稈,一個(gè)農民一天收兩畝存在于微生物中,將纖維二糖及其它低分子纖維糊精地玉米稈需要4060元的費用。這是一個(gè)系統工程,包分解為葡萄糖分子。但是在分解晶體纖維素時(shí)任何括收購—打捆——運輸等流程。種酶都不能單獨完成水解過(guò)程,只有三種酶共同存132酶解成本過(guò)高,生產(chǎn)效率偏低目前使用的纖在并協(xié)同作用才能將品體纖維素水解為葡萄糖。進(jìn)而維素酶的比活力較低單位原料用酶量很大酶解效率轉化為燃料乙醇。低,產(chǎn)酶和酶解技術(shù)都需要改進(jìn)。為了滿(mǎn)足競爭的需22纖維素酶菌種選育要生產(chǎn)每4.546L乙醇的纖維素酶的成本應該不超過(guò)菌種選育是纖維素酶生產(chǎn)的基礎性工作,細菌和053元。但在目前產(chǎn)酶技術(shù)條件下,生產(chǎn)4546L乙醇真菌產(chǎn)生的纖維素酶均可以水解纖維素物質(zhì)。這些微需用纖維素酶的生產(chǎn)費用約為224元-373元。生物有好氧的,有厭氧的;有嗜溫的、有嗜熱的。1.3.3發(fā)酵工藝中缺乏經(jīng)濟可行的五碳糖發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)生能分解纖維素的細菌如纖維粘菌、熱纖梭菌纖維素酶水解纖維素制造乙醇的另一個(gè)問(wèn)題是如何利及纖維桿菌等亦能分泌纖維素酶。用植物纖維原料中的戊糖(約占20%-30%)。既選用所有能分解晶體纖維素的真菌,均能或多或少的什么特殊的共酵菌種對上述六碳糖和五碳糖進(jìn)行發(fā)分泌纖維素酶所以纖維素酶的真菌性來(lái)源非常廣泛。酵,而纖維素酶的成本過(guò)高,是纖維素生產(chǎn)燃料乙醇例如:土壤中的微生物種類(lèi)的數量巨大地球上近的一個(gè)急需解決的重大技術(shù)瓶頸它嚴重制約了生物40%-6%的纖維素被土壤中某些微生物所分解,因制燃料工業(yè)經(jīng)濟有效的大規模工業(yè)化生產(chǎn)。此,可以從+壇中獲得纖維素酶的菌種。召中國煤化工約3-8cm的土壤層2纖維素酶的開(kāi)發(fā)和研究中取村CNMHG剛果紅染色法分離(涂布平板)生理生化鑒別反應等過(guò)程。即從土壤中分諾維信是全球最大的酶制劑生產(chǎn)商,是世界上僅離出纖維素酶高的細菌該菌應為革蘭氏陽(yáng)性菌體成石油化工應用200年第28卷桿狀有芽孢。象因此如將幾類(lèi)菌混合在一起發(fā)酵,尋求使它們均能纖維素酶菌菌種易退化,退化后其產(chǎn)酶力明顯降大量分泌纖維素酶的發(fā)酵條件和方法,就可以生產(chǎn)出低其原因可能有3個(gè)方面菌種長(cháng)時(shí)間低溫斜面保藏,優(yōu)質(zhì)高效的混合纖維素酶8會(huì )在分生孢子上長(cháng)出次生菌絲而次生菌絲所形成的分24酶提取、分離純化生孢子生命力弱這可能是菌種退化的主要原因;經(jīng)誘纖維素酶的組分大多為糖蛋白,工業(yè)上用于生產(chǎn)變篩選的菌種發(fā)生回復突變;自然負突變;另外選擇合纖維素酶的粗酶制劑常采用酒精沉淀法、丹寧沉淀法適的菌種保藏方法如用土壤或砂子作為載體的干燥保和離心噴霧干燥等方法。但在纖維素酶分析研究上主藏法可減緩菌種退化速度。此外提供良好的環(huán)境條件、要采用一系列蛋白質(zhì)分離純化技術(shù)如分級沉淀、色譜定期純化菌種亦是防止菌種退化的主要措施。法電泳法等。目前,對粗酶的提取大多采用硫酸銨分雖然一般是從自然界分離篩選具有產(chǎn)生目標產(chǎn)物級沉淀法;對酶活力的測定國際上一般采用 Horikoshi能力的菌種但這樣獲得的菌種的生產(chǎn)能力往往較低,方法;對蛋白質(zhì)的測定按考馬斯亮藍(Bdo法還原生理生化特性不一定能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求,還需要進(jìn)行大糖的測定采用3,5一二硝基水楊酸(DNs)法。量的誘變選育進(jìn)一步提高其生產(chǎn)能力,改善性能;也例如:高效液相色譜(HPLC),又稱(chēng)為高速或高壓可以對現有的生產(chǎn)菌種進(jìn)行改造,即經(jīng)誘變育種,選育液相色譜,其分離或純化各種化合物的原理基本上與出符合實(shí)際生產(chǎn)需要的菌株普通的液相層析相似。但高效液相色譜具有靈敏、快23菌種發(fā)酵培養及產(chǎn)酶活力的檢測速、分辨率高及重復性好等特點(diǎn),不僅適用于很多不易纖維素酶一般都是通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)的。目前所用菌種揮發(fā)、難熱分解物質(zhì)(如蛋白質(zhì)、氨基酸及其衍生物、核主要是綠色木霉、李氏木霉、根霉、青霉、反芻動(dòng)物(瘤酸激素、單糖、寡糖等)的定性和定量分析,而且也適胃細菌、真菌)嗜纖細菌產(chǎn)黃單孢菌側孢菌等其中用于上述物質(zhì)的制備和分離特別是近10年來(lái)出現了綠色木霉應用最廣。纖維素酶是一類(lèi)胞外酶從培養物幾種與HPLC相近的快速蛋白液相色譜(FC)低壓濾液中很容易得到,它又屬于誘導酶在誘導物存在下液相色譜(LPLC)和中壓液相色譜(MPLC),其中FPLC才能大量產(chǎn)生。許多不溶性纖維素可溶性纖維素衍生能在惰性環(huán)境下,以極快的速度通過(guò)成百上千次層析物、一些低聚糖及某些單糖和二糖均可作為誘導物。研把復雜的混合物分開(kāi)如果連續進(jìn)樣,短時(shí)間內能制備究發(fā)現在分批培養物發(fā)酵過(guò)程中起初pH值最好是出大量的欲純化物質(zhì)。自然下降到30-35,再加以控制以防止pH降低消耗另外,為了在生產(chǎn)中有利于酶的回收和再利用應纖維素后自然上升,這樣有利于酶的大量分泌。連續培采用纖維素酶的固定化。其優(yōu)點(diǎn)主要表現在:養時(shí)保持pH-50可提高酶產(chǎn)量因為低pH會(huì )抑制菌1酶與產(chǎn)物易于分開(kāi)因而可以回收再利用;的生長(cháng)。影響纖維素酶產(chǎn)量和活力的因素很多,除菌2在一定程度上可以改善酶的操作性能和穩定性;種pH外還有培養溫度、水分、基質(zhì)、培養時(shí)間等。這3可以多次反復使用和連續操作降低生產(chǎn)成本;些因素不是孤立的,而是相互聯(lián)系的。酶不混入產(chǎn)物,可以精簡(jiǎn)分離工序等。例如:以某綠色木霉作為纖維素酶的生產(chǎn)菌株,采用液體發(fā)酵對篩選菌株進(jìn)行濾紙酶活性、脫脂棉酶活3結論性、CMC酶活性、β-葡萄糖苷酶活性測定,篩選出1株產(chǎn)纖維素酶活性較高的菌株。通過(guò)單因素實(shí)驗和正交纖維素酶的研究實(shí)驗主要從菌株選育、菌種發(fā)酵實(shí)驗確定該菌株搖瓶發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶的最佳培養基和培養和產(chǎn)酶活力的檢測以及酶提取分離純化三方面最佳培養條件。結果表明最適的產(chǎn)酶條件為以玉米人手。通過(guò)實(shí)驗得到能大量生產(chǎn)高活力纖維素降解酶秸粉(爆破)為碳源以0%(NH)04為氮源。pH為系的發(fā)酵用菌,并通過(guò)篩選、修飾基因改造等分離新50,接種量4%-6%,搖床轉速150mmin,發(fā)酵培養溫度的產(chǎn)酶菌種提高酶的產(chǎn)量和活力以降低產(chǎn)酶成本;28℃-32℃,培養時(shí)間72h-96h。酶作用的最適條件為:改進(jìn)酶的回收利用;改變天然纖維素酶的結構,以提高溫度45℃-50℃,pH4.5-50;在45℃左右,pH35-60比其酶作V凵中國煤化工工業(yè)和市場(chǎng)潛力的較穩定。纖維素酶活力可達到1256/mL新酶CNMH⑤趨勢之一。也是解另外,在研究中擬采用混合微生物發(fā)酵法。因為不決利用纖維素酶水解生物質(zhì)原料轉化燃料乙醇中成本同真菌的纖維素酶系在各組分均衡性方面有互補的現過(guò)高的一個(gè)重要手段。并在一定程度上解決纖維素生第3期年曉紅等生物質(zhì)轉化燃料乙醇纖維素酶的研究產(chǎn)燃料乙醇的主要技術(shù)問(wèn)題。使之能夠符合大規模,工郵學(xué)財余曉斌周洪湯蕾,正交旋特組合設計優(yōu)化纖堆素業(yè)化的生物乙醇生產(chǎn)圍。酶發(fā)罅碳源門(mén)食品與機械,2005,21(3)29-31]孫君社李雪秀芹纖雄素酶高產(chǎn)萬(wàn)株的選育及產(chǎn)酶條件參考文獻的研究門(mén)北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,(2)25-27.[]岳國君武國慶郵小明我國燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)的現狀與展團7] Hidenori Tanaka,, Toshihide Nakamur, Sachio Hayashi亂望化學(xué)進(jìn)展20098:1084-1090Purification and Properties of an Extracellular Endo-1,4-82]李盛賢賈樹(shù)彪顧立文利用纖維原料生產(chǎn)燃桿酒精的研Xylanase from Penicillium citrinum and Characterization of究進(jìn)展門(mén)釀酒2005(3):13-16.the Encoding Genel Journal of Bioscience and Bioengineering,3]宋波,鄧曉皋,施雷霆纖綽酶的研究進(jìn)展印上海環(huán)境科2005,100(6):623-630學(xué),2003,22(7:491-494.8]顧方媛纖維素酶的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢微生物學(xué)雜志,4]佘曉就郵學(xué)財纖維肅酶液體發(fā)酵最佳培養基的確定門(mén)工2008,(1):4547業(yè)微生物2005,35(3):1-5.Biological material transformation fuel ethanolcellulose enzymes researchDeparyment Of Petrochemical Engineering, Lanzhou Petrochemical CollegeOf Technology, Lanzhou 730060, China)Abstract: Energy is an important material basis for human society economic development, With dwindling oilresources and worsening environmental problems, Countries around the world are actively finding solutions to energynd environmental problems. Among them, biomass as raw materials to fuel production, already became somenational the energy developmental strategy to be subject to takes seriously. In this paper, the use of celluloseenzymatic hydrolysis of biomass feedstock in the production of cellulose ethanol fuel research, Isolation of highenzyine acty and reduce the cosof enzyme so that biomass fuels as raw materials to achieve the scale ofproduction and industrialization of.Key word: biological material; fuel ethanol; cellulose enzyme; research更正啟示2009年第2期46頁(yè)作者魏美吉,李天太,楊玲,姚瑞峰《蘇里格氣田溫氣輸送管線(xiàn)析出水變化規律分析》一文,圖2鬍更正為右圖。b由于疏忽給作者及讀者帶來(lái)不便,深表歉意!中國煤化工CNMHG《石油化工應用》雜志社2009年6月25日