纤维素生物能源转化利用现状的分析研究孟玥（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-energyMENG Yue （China Pharmaceutical University,Jiang su Nanjing Zip:211198）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 cellulose 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 -gration of the fermentation reactions.Key words:cellulose;cellulose;bio-energy国土与自然资源研究·78·TERRITORY &NATURAL RESOURCES STUDY2010No.4文章编号：1003-7853(2010）04-0078-03中图分类号：TK6文献标识码：B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[1][2]。

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[3]。

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℃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100°C 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糖的离子液体加水。

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。

[4]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-β-D葡聚糖苷酶或纤维二糖水解酶（CBH，EC3.2.1.91），内切1,4-β-D葡聚糖苷酶（EG，EC3.2.1.21）和β-葡萄糖苷酶（β-G，EC3.2.1.21）。

2.1纤维素酶的协同作用2.1.1酶解机理外切酶可以水解纤维素结晶区，（CBHⅠ）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；β-D葡聚糖苷酶则主要水解纤维二糖和可溶性纤维寡糖，最终将纤维素转化为可利用的葡萄糖[5]。

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β-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(Aspergillus sp.)以及腐质霉（Hu-micola 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、RutC30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[5]。

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Aspergillus niger的内切葡聚糖酶A为酶域，以来自Cellulomonas fimi的内切葡聚糖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。

2.3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。