木质纤维素稀酸水解糖液乙醇发酵研究进展

以木质纤维素为原料生产燃料乙醇,首先要对原料进行预处理得到可发酵糖,在稀酸水解木质纤维素得到的糖液中,除含有葡萄糖、木糖等六碳糖和五碳糖外,根据水解温度、酸浓度和时间的不同,还含有不同浓度的发酵抑制剂。因此,在研究木质纤维素稀酸水解糖液的乙醇发酵中,对代谢木糖成乙醇的菌种的研究、对耐/代谢发酵抑制剂微生物的研究、对稀酸水解糖液的脱毒方法的研究以及对稀酸水解糖液不同发酵方式的乙醇发酵研究等非常重要。重点介绍了以上几个方面近几年研究的进展。     

产业新动力——纤维素酶的研究与应用

纤维素酶（Cellulase）是把纤维素降解成葡萄糖、由多个酶协同作用的多酶体系,广泛存在于细菌、真菌和动植物细胞中,部分微生物体内有复杂的纤维素水解系统,可以有效地水解纤维素。目前微生物纤维素酶的研究较为集中,并已广泛应用于生物乙醇生产、食品加工提纯、酿造工业发酵、纺织后整理和饲料加工等多个领域。     

木质纤维素原料酶水解产乙醇工艺的研究进展

木质纤维素原料预处理后,经水解、发酵等过程,可生产乙醇作为清洁燃料,这大大提高了农业和林业废弃物的利用率,减轻了环境污染,并为经济的可持续发展提供了保证。目前木质纤维素酶水解因其具有明显优势而受到重视,被普遍研究和采用。综述了近年来木质纤维素原料的预处理方法、酶与水解技术、发酵工艺以及发酵耦合分离技术的最新研究成果。     

利用木糖-葡萄糖为原料产乙醇酵母的筛选、鉴定及发酵试验

建立筛选利用木糖为碳源产乙醇酵母模型,获得一株适合利用木质纤维素为原料产乙醇的酵母菌株。样品经麦芽汁培养基培养后,以木糖为唯一碳源的筛选培养基初筛,再以重铬酸钾显色法复筛。通过生理生化和26D1/D2区对筛选得到的菌株进行分析和鉴定,该菌初步鉴定为Pichia caribbica。经过筛选得到的菌株Y2-3以木糖（40g/L）为唯一碳源发酵时：生物量为23.5g/L,木糖利用率为94.7 %,乙醇终产量为4.57 g/L;以混合糖（葡萄糖40 g/L,木糖20 g/L）发酵时：生物量为28.6 g/L,木糖利用率为94.2 %,葡萄糖利用率为95.6%,乙醇终产量为20.6 g/L。Pichia caribbica是可以转化木糖及木糖-葡萄糖混合糖为乙醇的酵母菌株,为利用木质纤维素发酵乙醇的进一步研究奠定了基础。     

木质纤维素预处理技术研究进展

详细评述了木质纤维素的预处理工艺研究进展,特别是浓酸低温水解-酸回收工艺、稀酸二阶段水解工艺、金属离子在稀酸水解过程中的助催化作用以及水蒸汽爆裂、氨纤维爆裂、CO2爆裂、酶催化水解等方法的研究进展情况。木质纤维素原料预处理技术发展为发酵生产乙醇技术的研究开发奠定了坚实基础。     

酿酒酵母纤维素乙醇统合加工(CBP)的策略及研究进展

木质纤维素乙醇的统合生物加工过程(Consolidated bioprocessing,CBP)是将纤维素酶和半纤维素酶生产、纤维素水解和乙醇发酵过程组合或部分组合,通过一种微生物完成。统合生物加工过程有利于降低生物转化过程的成本,越来越受到研究者的普遍关注。酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae是传统的乙醇发酵菌株。介绍了影响外源基因在酿酒酵母中表达水平的因素,纤维素酶和半纤维素酶在酿酒酵母中表达研究进展及利用酿酒酵母统合加工纤维素乙醇的策略。     

野葛地上部分用于生产燃料乙醇相关的各项成分检测与分析

通过测定野葛地上部分不同生长年限不同部位的纤维素、木质素、半纤维素、可溶性总糖含量.为合理开发葛属植物资源,如生产燃料乙醇等提供依据.分别采用酸解法利用FIWE 3/6纤维素测定仪测量野葛地上部分不同部位的纤维素、木质素含量,盐酸水解法测定半纤维素含量,蒽酮比色法测定可溶性总糖含量.采用稻草和象草为对照.结果显示,野葛两年以上生藤茎中纤维素、木质素、可溶性总糖含量最高,分别为27.89%、23.43%和31.63%.两年以上生整株中半纤维素含量最高,为10.71%.相对于稻草和象草,野葛地上部分的可溶性糖含量很高.因此可利用两年以上生藤茎或整个地上部分为原料生产燃料乙醇,对全面开发利用野葛资源有积极的意义.     

玉米芯半纤维素水解液的制备及成分测定

木质纤维素原料是自然界中含量丰富的可再生资源,可在水解糖化后被微生物发酵生产乙醇等有用产品。将玉米芯等木质纤维素类农业废料用稀硫酸水解糖化过程中,受反应条件的影响,水解液中除生成可发酵的单糖外还会产生一些可能对后续乙醇发酵微生物有抑制作用的副产物。本课题采用正交试验优化了制备玉米芯半纤维素水解液的工艺参数,并确立了水解液中的五种主要副产物。     

纤维素乙醇工程化探讨

出于对能源安全、大气污染的担忧以及促进农村经济发展的考虑,世界许多国家使用乙醇作为含氧添加剂或交通运输燃料来替代汽油。纤维素乙醇生产原料丰富,且具有明显的低碳排放特性而备受关注。随着全球范围内几套大型纤维素乙醇示范装置的相继试车,工程化问题将得到解决,并有望在2015-2016年完成装置的经济性考核,逐步进入商业化阶段。为避免原料"与人争粮,与粮争地",1代燃料乙醇将逐步向2代纤维素乙醇过渡。本文在综述近期国内外纤维素乙醇产业化概况的基础上,从化学工程和生物工程的角度对预处理、酶制剂及酶解工艺、戊糖/己糖共发酵菌株及工艺、装备等几个方面的技术进展进行剖析,讨论了工程化遇到的主要问题,探讨了我国纤维素乙醇技术的发展方向。     

木薯纤维素乙醇发酵的纤维素酶成本评价

木薯中的纤维素成分约占木薯干重的10％(W/W).文中以木薯燃料乙醇生产的木薯纤维素酒渣为原料,从纤维素酶成本角度评估了三种利用木薯纤维素组分发酵生产乙醇的方法,包括木薯纤维素酒渣的直接糖化和乙醇发酵、木薯纤维素酒渣预处理后的糖化与乙醇发酵、木薯乙醇发酵中同步淀粉与纤维素糖化以及乙醇发酵.结果表明,前两种方法的纤维素利用效率不高,酶成本分别达到13602、11659元/吨乙醇.第三种方法,即在木薯乙醇发酵过程同时加入糖化酶和纤维素酶,进行同步淀粉与纤维素糖化,进而进行乙醇发酵,木薯纤维素乙醇的收益最高.发酵结束时的乙醇浓度从101.5g/L提高到107.0g/L,纤维素酶成本为3 589元/吨乙醇.此方法利用木薯纤维素与木薯淀粉同时进行,不会带来额外的设备及操作投入,酶成本低于产品乙醇价格,可实现盈利,因此第三种方法为木薯纤维用于乙醇发酵的最适方法,本研究结果将为木薯乙醇产业深度利用木薯纤维提供依据.     

纤维素酶的糖基化

木质纤维素价格低廉,供应充足,且未得到充分开发利用。把纤维素降解成葡萄糖,进而生产纤维素乙醇的技术已经进入商业应用阶段。提高纤维素酶的活性,有利于充分利用自然界中大量存在的木质纤维素,开发生物质资源,以缓解能源危机。糖基化修饰对纤维素酶的活性、稳定性以及其他性质有着重要的影响。因此,对纤维素酶糖基化的了解,以及合理地改善糖基化修饰,可以极大地提高木质纤维素降解速率,有利于工业上液体燃料的生产。     

纤维素降解产物对Kluyveromyces marxianus 1727共发酵葡萄糖和木糖的影响

研究纤维素酸水解产生的4种副产物乙酸、甲酸、糠醛、5-羟甲基糠醛及发酵产物乙醇对Kluyveromyces marxianus 1727共发酵葡萄糖和木糖的影响。结果表明:5.0 g/L乙酸和1.0 g/L甲酸对葡萄糖和木糖共发酵具有明显的抑制作用;1.0 g/L糠醛和5-羟甲基糠醛基本不影响K.marxianus 1727发酵葡萄糖,且能够被K.marxianus1727转化为毒性相对较低的物质。由于5-羟甲基糠醛的转化速率慢,对K.marxianus 1727发酵木糖的抑制程度大于糠醛。乙醇对K.marxianus 1727发酵木糖具有抑制作用,当乙醇质量浓度大于20 g/L时,生物量及木糖利用率约是对照的44%和70%。     

酿酒酵母戊糖转运蛋白及C6/C5共代谢菌株的研究进展

充分利用木质纤维素中的糖分是提高以此类生物质为原料生产二代燃料乙醇经济盈利性的基本要求,也是实现其他生物基化学品规模化生产的基础。传统的乙醇生产微生物酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae具有独特的生产性能及内在优势,是备受关注的底盘细胞,但其不能有效地利用戊糖。利用代谢工程、合成生物学策略,对二代燃料乙醇生产专用酿酒酵母的精准构制持续研究了30余年,已明显改善了其对木糖/葡萄糖的乙醇共发酵能力。近年来关注点集中在早期忽略的限速步骤即糖转运环节的研究上,以期实现不同糖分各行其道、高效专一性转运蛋白各行其责的二代燃料乙醇生产特种酿酒酵母所需的糖转运理想状态。文中主要综述了酿酒酵母戊糖转运蛋白的研究进展,及酿酒酵母的木糖和L-阿拉伯糖代谢工程的研究现状。     

青贮对柳枝稷制取燃料乙醇转化过程的影响

青贮是一种传统的生物质原料保存方法,广泛应用于纤维素乙醇炼制领域尚需要考察其对原料品质和下游乙醇转化过程的影响。文中以秋季(初、中和末)收割的柳枝稷为原料,通过青贮、高温水热(LHW)预处理、纤维素酶水解和同步糖化与发酵(SSF)实验对上述问题予以回答。结果显示,秋季初收割的柳枝稷以不同湿度青贮后pH均小于4.0,干重损失小于2%,各主要成分与青贮前相比无明显变化;LHW预处理中青贮样品半纤维素水解率普遍高于未贮存样品,但青贮同样使原料获得了更高的发酵抑制物产生水平;青贮柳枝稷葡萄糖、木糖和半乳糖产量(预处理+酶水解)高于未贮存柳枝稷;经过168 h的SSF,青贮样品乙醇浓度为12.1 g/L,未贮存的秋季初、秋季中和秋季末柳枝稷为底物的浓度分别为10.3 g/L、9.7 g/L和10.6 g/L。综上,青贮有助于提高柳枝稷LHW预处理效率、酶水解率和乙醇产量。     

ZeaChem投资3400万美元建设纤维素乙醇厂

ZeaChem公司是美国较早开始发展下一代生物燃料的企业。2009年1月7日,该公司宣布将投入3400万美元开发纤维素乙醇燃料,并将于今年在俄勒冈州建设年产约570万L乙醇的生产厂。     

Raven公司在美国密西西比州将建纤维素乙醇装置

Raven生物燃料国际公司宣布将在美国密西西比州Gulf Opportunity Zone（GOZone）园区开发建设纤维素乙醇生物炼油厂。该生物炼油厂使用的原料来自当地的木屑和木质废弃物。乙酸计划生产量为12490．5万L／a,预计生产8万m3／a燃料级乙醇和4．5万m3／a特种有机化学品和木质素。     

鸡尾酒δ整合策略构建表达三类纤维素酶的酿酒酵母工程菌株及初步评价

木质纤维素乙醇具有替代化石燃料的潜力,其生产过程包括生物质预处理、纤维素酶生产、水解和发酵等多个步骤。将纤维素酶生产、水解和发酵组合在一起的统合生物加工过程（consolidated bioprocessing,CBP）由于能降低水解和发酵成本而具有应用于纤维素乙醇生产的潜力,该技术的关键是构建能有效降解纤维素的工程菌株,而构建表达纤维素酶的酿酒酵母即是其中一种选择。采用鸡尾酒多拷贝δ整合的策略将7种纤维素酶基因（Trichoderma reesei cbh1、cbh2和egl2,Aspergillus aculeatus cbh1、egl1和bgl1）表达盒整合至酿酒酵母W303-1A染色体上,经4轮整合筛选得到菌株LA1、LA2、LA3和LA4。对这4个菌株进行纤维素酶活性测定,结果表明从LA1到LA3各种纤维素酶活性呈递增趋势,而LA4的酶活性与LA3的酶活水平相当。对菌株LA3进行酸碱预处理玉米芯料的发酵评价,结果表明：①在外加商品化纤维素酶的情况下,与对照菌株W303-1A和AADY相比,LA3能有效利用纤维素料发酵产醇;②与分步整合的菌株W3相比,发酵性能更优;③培养基中的营养成分影响菌株发酵性能。这些结果表明,鸡尾酒δ整合是一种有效的构建酿酒酵母CBP菌株的方法。     

一株葡萄糖和木糖共发酵高效产乙醇重组运动发酵单胞菌的性能评价

木糖是木质纤维素原料水解液中的第二大组分,木糖和葡萄糖的充分利用是有经济性地生产纤维素乙醇的关键。通过基因克隆手段构建了一株可以高效利用木糖产乙醇的重组运动发酵单胞菌Zymomonas mobilis TSH01,并进行了利用单糖溶液、混合糖溶液及玉米秸秆水解液发酵产乙醇效率的研究。结果表明,利用单一葡萄糖或单一木糖溶液发酵时,当糖浓度为8%、发酵72 h后,糖利用率分别为100%和98.9%,乙醇代谢收率分别为87.8%和78.3%;利用8%葡萄糖和8%木糖的混合溶液发酵时,72 h后,葡萄糖和木糖的利用率分别为98.5%和97.4%,乙醇代谢收率为94.9%。利用含3.2%葡萄糖和3.5%木糖的玉米秸秆水解液发酵72 h后,葡萄糖和木糖的利用率分别为100%和92.3%,乙醇代谢收率为91.5%。此外,磷酸二氢钾对发酵过程中木糖利用率以及乙醇收率的提高有明显促进作用。     

纤维质原料预处理技术

随着石油资源的大量消耗和逐步枯竭,寻找可再生性的替代能源,特别是新的液态燃料,已成为维持人类社会可持续发展的紧迫任务。在可再生性替代能源——生物能源领域发展力度最大的品种是燃料乙醇。但是越来越多的人们已经认识到,随着世界人口的增长,用淀粉和糖类生产燃料和化工产品的发展将受到很大的限制。只有粮食、食糖生产过剩的国家,才能将大量以粮食和食糖作为原料生产的乙醇用作汽车燃料。而植物光合作用产物的绝大部分为植物的枝、干、叶等木质纤维素类,是纤维素、半纤维素和木质素等聚合物的复合物,其中纤维素和半纤维素都可以被转化成乙醇,理论得率可以同粮食相仿（大于400L／t）。因而,即使像美国那样粮食和土地资源非常丰富的国家,目前也十分重视利用植物纤维原料生产乙醇技术的研究。 近年来,纤维素乙醇技术发展较快,突破了一些关键技术的瓶颈,取得了一些进展。为此,我们特别邀请由山东大学微生物技术国家重点实验室主任曲音波教授领衔的团队,围绕纤维素乙醇生产相关技术,分别就纤维质原料预处理技术、纤维素酶生产技术等进展进行连载,希望更多的读者增加对纤维素乙醇技术的了解。[编者按]     

纤维素乙醇统合加工过程中的酵母多酶共展示体系研究进展

利用统合生物加工过程(Consolidated bioprocessing,CBP)生产纤维素乙醇是目前国内外的研究热点。CBP需要一种“集成化”微生物,既能生产水解木质纤维素的多种酶类又能利用水解木质纤维素产生的糖类发酵产乙醇。以酿酒酵母表面展示技术为依托,建立CBP菌株多酶共展示体系的研究主要分为以下两个方向：一是直接将纤维素酶展示在细胞表面,即非复合型纤维素酶体系;另一种是通过表面展示纤维小体(Cellulosome)将纤维素酶间接地锚定在细胞表面,即复合型纤维素酶体系,本文主要从以上两个方向阐述了近几年对于纤维素乙醇生物统合加工过程的研究进展。因纤维小体对纤维素的降解能力比非复合型纤维素酶体系更强,所以其在酿酒酵母细胞表面的组装研究受到越来越多的关注,为了更深入透彻地了解纤维小体的酵母展示技术,文中对纤维小体的结构与功能及其在纤维素乙醇发酵中的应用研究进行重点论述,并对该领域的发展方向进行展望。