全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 2期
木质纤维生产燃料乙醇工艺的研究进展
王璀璨 王义强 陈介南 李辉 张振华
(中南林业科技大学生物环境科学与技术研究所,长沙 410004 )
摘 要: 利用丰富而廉价的木质纤维原料代替粮食生产燃料乙醇, 对经济和社会的可持续发展有着重要的意义。以木
质纤维为原料发酵生产燃料乙醇可分为 4种工艺: 分步糖水解化发酵法、同步糖化发酵法、同步糖化共发酵法和直接微生物转
化法。介绍了以上 4种工艺的研究进展, 并对今后进一步研究提出了建议。
关键词: 燃料乙醇 木质纤维 发酵工艺
Research Progress of Technological Processes in
Fuel Ethanol Production from Lignocellulosic B iomass
W ang Cuican W ang Y iqiang Chen J ienan L iHu i Zhang Zhenhua
( Institute of Biological and Environm ental Science& T echnology, Central Sou th University of Forestry and T echnology, Changsha 410004)
Abstrac:t L ignocellu losic b iomass is a cheap, renew ab le, abundantly ava ilab le resource, and its b ioconve rsion to fuel ethano l is
m ean ing ful in the susta ining deve lopm en t o f our so ciety and econom y. Fue l ethano l production from lignocellu losic b iom ass can be d iv id
ed into four techno log ical processes as fo llow s, sepa ra te hydrolysis and ferm enta tion, sim ultaneous sacchar ification and ferm enta tion, sim
u ltaneous sacchar ification and coferm entation, d irect m icrob ial conversion. In this paper, the present status o f four techno log ical proces
ses in fue l ethano l production from lignocellu losic biom ass was system atical summarized, and feasib le suggestions fo r further researches
w ere presented.
Key words: Fuel ethano l L ignoce llu los ic biom ass Ferm entation technology
收稿日期: 20091022
基金项目:国家林业局 948!项目 ( 20064123 ) ,中南林业科技大学研究生科技创新基金 ( 2007sx06)
作者简介:王璀璨,男,硕士研究生,研究方向:生物质能源; Em ai:l w angcu ican2003@ 163. com
通讯作者:王义强,男,博士,教授,长期从事生物质能源的研究; Em a i:l w angy iq iang12@ yahoo. com. cn
随着石油、煤炭等不可再生资源的大量消耗,国
际原油价格的不断攀升, 汽车尾气等有害物质的大
量排放,能源危机和环境污染已经成为影响人类可
持续发展的最大障碍。面对日益增加的危机, 大力
开发新的可再生性资源已经成为人类走可持续发展
道路的前提条件。
然而,世界人口不断增长, 粮食产量整体上供不
应求。以粮食为主发展燃料酒精有 与人争食!之
弊,原料供应很难得到保障,而且价格随粮食市场波
动,不利于可持续发展。木质纤维生物质间接来自
太阳能,是人类可预知的可获得的最充足的燃料原
料来源 [ 1]。有鉴于此, 美国等先进国家已开始将生
物能源研究和开发的战略重心转移到以木质纤维生
产乙醇的方向。对中国这样人多地少、资源环境压
力大、经济迅速发展的大国来说, 积极发展以木质纤
维生物转化乙醇为重点的生物能源技术,同时建立
以能源林业为依托并综合利用大量农业废弃物, 如
农作物秸秆、皮壳等,林业残余物,如锯木屑、刨花、
木材和造纸工业废料等, 城乡垃圾和杂草等低成本
木质纤维资源的原料保障模式, 是全面协调可持续
发展的必然要求。
从木质纤维到乙醇的生物转化过程通常包括木
质纤维素原料预处理,纤维素酶的生产,纤维素的水
解糖化,纤维素水解产物 (己糖 )的发酵和半纤维素
水解产物 (戊糖 )的发酵。根据不同步骤的整合程
度而分为分步糖化发酵、同步糖化发酵、同步糖化共
发酵和微生物直接转化。
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 2期
1 分步水解糖化发酵
分步糖水解化发酵 ( SHF)从木质纤维素化学转
化演变而来,即用酶解替代纤维素的酸解,再进行乙
醇发酵。分步糖化发酵先用纤维素酶水解木质纤维
素,再将酶解产生的糖液作为发酵碳源,纤维素的酶
解和酶解液的发酵分别在不同的反应器中进行 [ 2]。
1974年, M andels等 [ 3]利用绿色木霉 ( T richoder
ma v iride)发酵生产纤维素酶, 酶的添加量为 12
FPU /g, 50∀ 酶解废弃纤维秸秆 (质量分数 5% ), 48
h所产生还原糖的效率最高可以达到 92%。 1980
年, D etroy等 [ 4]利用未处理的稻壳和蔗渣为原料进
行分步水解发酵, 酶的添加量为 10 FPU /g固体物,
50∀ 酶解 72 h, 酶解率低于 10%。 1984年, M es
Hartree等 [ 5 ]研究了未处理的秸秆糖的转化率为
11%;经过 28%乙二胺 55∀ 处理 3 d后的秸秆, 糖
的转化率可达到 60% ;通过水解蒸汽爆破处理的大
麦和小麦秸秆, 糖的转化率分别为 425% 和
216%。 1989年, Spindler等 [ 6]将麦秆经稀酸预处
理,底物浓度为 75% ,当酶添加量从 7 FPU /g增加
到 26 FPU /g,糖的转化率从 33%增加到 60%。
2009年, Abedinifar等 [ 7]利用商业纤维素酶和
葡萄糖苷酶将稻草酶解, 再分别用印度毛霉 (Mu
cor indicus)、米根霉 ( Rhizopus oryzae )和酿酒酵母
(Saccharomyces cerevisiae )发酵转化成乙醇。用稀酸
水解预处理稻草,温度为 45∀ , pH为 50,经过 48 h
酶解,产糖率为 072 g /g,比蒸汽预处理 ( 060 g /g)
和未预处理的稻草 ( 046 g /g)高。当预处理稀酸的
浓度从 20 g /L增加到 50 g /L和 100 g /L,产糖率比
原先低 13%和 16%。在厌氧条件下发酵制取乙醇,
印度毛霉菌发酵的水解产生乙醇为 036- 043 g /
g, 004- 006 g /g丙三醇; 酿酒酵母为 037- 045
g /g乙醇, 005- 007 g /g丙三醇; 并且这两种真菌
不产生其它的代谢物, 发酵时间不超过 25 h。而米
根霉菌主要的副产品为乳酸 005 - 009 g /g,产生
的乙醇为 033- 041 g /g,丙三醇为 003- 004 g /
g。同年, Gupta等 [ 8 ]用酸预处理柔荑牧豆树木片,
然后酶解,利用树干毕赤酵母 (P ichia stip itis)和酿酒
酵母发酵成乙醇。稀 H 2 SO 4 ( 30%, v /v )处理使木
质纤维复合物中的半纤维素水解成戊糖, 同时有其
他的物质生成,如糠醛,羟甲基糠醛, 酚醛塑料和乙
酸。酸与亚硫酸钠 ( 50%, w /v ) 和亚氯酸钠
( 30% , w /v ), 预处理底物脱木质素程度为 932%。
酶的添加量为 30 FPU /g的滤纸酶和 90 IU /g的
葡萄糖苷酶, 在 50∀ 时, 纤维类物质的酶解糖化
效率最高。用树干毕赤酵母和酿酒酵母发酵酸解和
酶解的底物, 分别包括 1824 g /L和 3747 g /L 的
还原糖,可分别产生 713 g /L和 1852 g /L的乙醇,
相应的产率为 039 g /g和 049 g /g。
在纤维素酶解过程中, 纤维二糖的积累会抑制
内切和外切葡聚糖酶,葡萄糖的积累对于 葡萄糖
苷酶的催化也有一定的抑制作用, 因此纤维素的浓
度无法提高,这样导致酶解糖化效率不高,从而影响
后续的发酵乙醇得率 [ 9]。
2 同步糖化发酵
同步糖化发酵 ( SSF)使酶解与发酵合二为一,
酶解产生的糖不断被发酵利用, 消除了纤维素酶受
葡萄糖和纤维二糖终产物抑制,提高了糖化效率,并
降低了酶制剂的用量 [ 10]。在工艺上采用同步糖化
发酵,简化了设备, 同时缩短了发酵周期,提高了生
产效率。同步糖化发酵是目前木质纤维素生物转化
乙醇研究中运用最多的一种方法。由于纤维素水解
和乙醇发酵所需的酶系通常来自不同的微生物, 最
适反应条件各不相同。酶解温度一般为 45- 50∀ ,
发酵温度为 30- 35∀ ; 酶解最适 pH 一般为 45 -
55,而发酵 pH一般为中性。
1998年, Kr ishna等 [ 11]利用里氏木霉 (Trichoder
ma reesei)QM 9414的复合纤维素酶和酿酒酵母 NR
RLY132同步糖化发酵预处理的甘蔗叶生产燃料
乙醇。在 50∀ 和 pH 为 45的条件下, 底物经碱性
过氧化氢处理且其浓度为 25%时, 使用里氏木霉
QM 9414制备的纤维素酶 ( 40 FPU /g底物 ), 酶解
48 h,糖的转化率为 92%。
2002年, Go lias等 [ 12]利用克雷伯氏菌 (K lebsiel
la oxy toca) P2重组体同步糖化发酵 100 g /L微晶纤
维素可产生 33 g /L乙醇,略低于理论值 36 g /L。在
等温条件下将克雷伯氏菌 P2重组体与巴斯德酵母
( Saccharomyces pastorianus)或运动发酵单胞菌 (Zy
momonasmobilis)共培养, 可提高纤维素酶的利用
率。在相同的接种密度下, 共培养体系比任何一种
纯培养体系发酵产生的乙醇更多, 速度更快。克雷
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2010年第 2期 王璀璨等 :木质纤维生产燃料乙醇工艺的研究进展
伯氏菌 P2重组体在共培养的早期阶段起主导作用,
而后期的乙醇产量则主要取决于更多的耐乙醇菌
系。这些菌系的突变可提高克雷伯氏菌 P2重组体
的乙醇耐受性,提高其在纤维素同步糖化发酵中的
效用。
2006年, A lkasraw i等 [ 13]研究了普通面包酵母
( B aker# s yeast)、酿酒酵母 TMB3000同步糖化共发
酵蒸汽爆破软木片制备燃料乙醇。当不溶性底物浓
度分别为 3%、5%和 8%的情况下,乙醇产量在理论
值的 85%以上, 仅仅只有面包酵母在 8%不溶性底
物浓度情况下, 最后产率小于 65%。同年, Karim i
等 [ 14]研究了印度毛霉 (Mucor indicus),米根霉 (Rhi
zopus oryzae)和酿酒酵母 ( Saccharomyces cerevisiae )
同步糖化发酵经稀酸水解预处理德稻草秸秆生产乙
醇,并以纯纤维素,微晶纤维素作为参照。分别进行
了需氧和厌氧的同步糖化发酵试验,当温度为 38∀ ,
固体底物浓度为 50 g / L,添加 15或 30 FPU /g的滤
纸酶。所有的菌株均能通过同步糖化发酵预处理过
的稻草秸秆得到 40% - 74%的最大理论乙醇产量。
米根霉发酵最大的乙醇产量为 74%, 其次是印度毛
霉,添加 15 FPU /g的滤纸酶可得到 68%的乙醇产
量。用印度毛霉和酿酒酵母进行同步糖化发酵分别
相当于 117mg /g和 90 mg /g葡萄糖的预处理秸秆,
甘油是主要的副产物, 而米根霉在厌氧条件下发酵
相当于 60mg /g葡萄糖的预处理秸秆的主要副产物
主要是乳酸。
2007年, L inde等 [ 15]研究了酿酒酵母同步糖化
共发酵用硫酸预处理过的蒸汽爆破大麦秸秆生产燃
料乙醇。当大麦秸秆的水不溶性固体含量为 5% ,
酶的添加量为 20 FPU /g, 酵母接种量为 5g /L的条
件下同步糖化发酵, 最高乙醇产量达到理论值的
82%。增加水不溶性固体含量并降低酶添加量都会
使乙醇产量降低。然而, 在预处理过的麦草秸秆水
解物中添加酵母, 水不溶性固体含量可从 5%增至
75%,酵母接种量可从 5 g /L降至 2 g /L,乙醇产量
同样可达到理论值的 80%。同年, hgren等 [ 16]蒸
汽预处理玉米秸秆生产乙醇,比较同步糖化发酵法
和分步糖化发酵两种不同的工艺。试验中酶用量为
10 FPU /g,在同步糖化发酵中酿酒酵母浓度为 1 g /
L,预处理过的玉米秸秆浓度为 8%。 SSF的乙醇产
量比 SHF高 13%。以未处理的原料为底物, 用 SSF
发酵法,没有抑制物质比有抑制物质存在时的乙醇
产量低;相反, 用 SHF发酵法, 存在抑制物时乙醇产
量低。当没有抑制物质时, SHF的乙醇产量比有抑
制物质时 SSF的乙醇产量低。
2008年, Chen等 [ 17 ]研究了碱性过氧化物和蒸
汽爆破耦合对麦草秸秆进行预处理。在复杂的预处
理之后,麦草中的纤维素组分含量从 315%增加到
672%。在经过复杂的碱性爆破处理和简单蒸汽爆
破的麦草秸秆水解物中, 葡萄糖含量分别为 1109
g /L和 678 g /L。同步糖化发酵的最适条件为 40∀
和 120 h,纤维素酶的添加量为 40 FPU /g, 酿酒酵母
接种量为 10% ( v /v), 底物浓度 167% (w /v )。在
最适条件下,经过复杂预处理的同步糖化发酵乙醇
产量达到 515 g /L,达到了总产量的 811%。同年,
Shen等 [ 18]从扣囊复膜孢酵母 (Saccharomycop sis f ibu
lig era )克隆出一种名为 BGL1的 葡萄糖苷酶编码
基因,并融入酿酒酵母 NAN27菌株的染色体 rDNA
培育出酿酒酵母 NAN227。与没有可探测放射性的
母菌株相比,酿酒酵母 NAN 227中 葡萄糖苷酶具
有 102 IU /mg蛋白质的特殊放射性。摇瓶中纤维
二糖被用来作为唯一碳源, 在 48 h后, 酿酒酵母
NAN227消耗 62 g /L纤维二糖, 生产 33 g /L乙
醇, 产率为 0532 g /g。母菌株 NAN27只消耗 192
g /L纤维二糖并且没有乙醇产出。同步糖化发酵稀
酸预处理玉米芯, 酿酒酵母 NAN227在 72 h产出
20 g /L乙醇。用母菌株 NAN27发酵, 额外加入 20
IU /g的 葡萄糖苷酶得到相似的产量。同年, M ar
ques等 [ 19]利用回收的造纸废渣通过同步糖化发酵
( SSF)或分步糖化发酵 ( SHF)转化成乙醇。在酶解
阶段用的是添加商业纤维素酶并实现了 100%的糖
化效率。用树干毕赤酵母 ( P ichia stip itis) CBS5573
发酵产乙醇, SHF具有较高的转化率, 相应的乙醇
浓度为 196 g /L, 但是需要 179 h。而 SSF在接种后
48 h就能发酵完, 乙醇产量为 186 g /L。同年,
O lofsson等 [ 20]利用一株重组的木糖发酵酿酒酵母菌
TMB340, 在有氧条件下, 发酵气爆预处理麦草秸秆
同步糖化发酵制备燃料乙醇。研究表明, 在 34∀
时, 补料发酵乙醇产率为 71% ,明显优于分批发酵
工艺的 59% ,在不溶性木质纤维为 7%时,乙醇产量
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 2期
接近 80%。
2009年, L i等 [ 21 ]利用酿酒酵母同步糖化发酵
用磷酸 丙酮处理狗牙根、芦苇和油菜籽进行乙醇生
产。当底物中纤维素含量较低为 3%时, 进行单批
模式同步糖化发酵, 96 h后产出 16 g /L乙醇。当底
物中纤维素含量较高 ( 10%来自狗牙根和芦苇, 5%
来自油菜籽 ) ,进行单批模式同步糖化发酵, 乙醇产
率超过 93%。分批补料模式同步糖化发酵进一步
提高了乙醇产率。当水不溶性固体含量提高到
36%时,在 38∀ 下,控制酵母菌的浓度进行发酵,乙
醇产量达到 56 g /L。结果表明,预处理过的材料可
作为好的生物乙醇生产原料, 并且磷酸丙酮预处理
可有效提高乙醇总产率。同年, Zhao和 X ia[ 22]利用
重组酿酒酵母菌株 ZU10同步糖化发酵碱预处理的
玉米秸秆生产乙醇。由于里氏木霉生产纤的维素酶
中纤维二糖酶活性低, 在酶解过程中导致纤维二糖
积累。在同步糖化发酵体系中补充纤维二糖酶大大
降低纤维素水解中由于纤维二糖积累带来的反馈抑
制,从而提高了乙醇产量。同步糖化发酵前进行 12
h的酶法预水解 ( 50∀ 条件下 )对于乙醇总产量有积
极的影响。从碱性预处理玉米芯中得到的葡萄糖和
木糖可以被重组的酿酒酵母菌株 ZU10有效地进行
共发酵。在 33∀ 条件下, 底物浓度为 80 g /L, 添加
20 FPU /g滤纸酶和 10 IU /g的纤维二糖酶, 得到了
278 g /L乙醇, 相当于 0350 g /g的碳水化合物作
为底物的乙醇总产量。
但此工艺存在的主要问题是酶解与乙醇发酵的
最适温度不一致,为了两者兼顾, SSF采用的温度一
般为 37- 38∀ 。这种方法相应的要求纤维素酶生
产成本和周期的降低, 能同时发酵五碳糖和六碳糖
的转基因酵母,优化的预处理手段以及连续工艺的
开发和使用。
3 同步糖化共发酵
随着基因工程技术的发展和应用,构建了能同
时发酵戊糖和己糖的工程菌,如大肠杆菌 K011[ 23 ] ,
使戊糖和己糖在同一反应器中发酵成为可能, 从而
实现了同步糖化共发酵 ( SSCF)。同步糖化共发酵
在同步糖化发酵的基础上,进一步简化了设备,缩短
了发酵周期,因而该工艺的研究越来越多。
酿酒酵母 LNHST,它的染色体组里携带着毕氏
酵母菌的可编码木糖分解代谢的基因。 1997年,
Toon等 [ 24]利用这种菌株连续发酵纯糖在 48 h内
有稳定的乙醇产量, 可达到理论产值的 704%。中
试规模中用预处理玉米芯进一步研究证实这种菌株
在 SSCF过程中的功能特性, 即尽管高水平的代谢
抑制剂的存在下, 4 d内仍可转化 784%的葡萄糖
和 516%的木糖。
1998年, Law ford和 Rousseau[ 25]以硬木水解产
物为原料,利用重组运动单胞菌 (Zymom onasmobil
is) 39676: pZB4L同步糖化共发酵制取燃料乙醇。
控制发酵液中乙酸含量为 075% , 大约 2 /3的木糖
经过 48 h没有被降解,而增加原始葡萄糖浓度也不
能增加木糖的发酵效率。在这种供给葡萄糖的模式
中, 葡萄糖的供给率为 05 g /h可以刺激水解纤维
素的水解率。而在没有乙酸的情况下,这个供给葡
萄糖的模式并不能抑制木糖的利用。
1999年, M cm illan等 [ 26 ]先将稀酸预处理黄杨
木, 然后利用美国国家能源部研究实验室可发酵木
糖的运动发酵单胞菌的突变体同步糖化共发酵制取
燃料乙醇。发酵过程添加酶量为 12 FPU /g,经 7 d
发酵能够产出多于 3% (w /v )的乙醇, 能获得 54%
的乙醇转化率。当利用 S igma公司生产的滤纸酶活
为 14 FPU /g的纤维素酶时, 乙醇的转化率能达到
65%。同年, Law fo rd和 Rousseau[ 27]利用重组运动
发酵单胞菌 CP4: PZB5分解葡萄糖和木糖同步糖化
共发酵生产燃料乙醇。当葡萄糖和木糖的总浓度为
12% (w /v )时, 控制发酵过程中 pH为 5, 乙醇的最
大浓度为 55% (w /v ) ;当 pH为 575时,乙醇的最
大浓度将大于 6% (w /v ), 转化效率是最大理论效率
的 94% - 96%。
2003年, Te ixeira[ 28]通过预处理混合白杨木和
甘蔗渣同步糖化共发酵生产燃料乙醇,从而对过氧
乙酸联合碱性前预处理的有效性进行了评价。利用
运动发酵单胞菌 CP4 /p ZB5,分别采用 6% 的 NaOH
与 15%的过氧乙酸和只用 15%的过氧乙酸预处理
过的原料乙醇理论产率分别为 928% 和 919%。
碱性前预处理可以降低木质纤维素原料的乙酰基,
在降低过氧乙酸的需求中这种处理是很有帮助的。
2006年, K im等 [ 29]研究了一种使用氨水进行预
处理的方法 ( LLARP)处理玉米秸秆同步糖化共发
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2010年第 2期 王璀璨等 :木质纤维生产燃料乙醇工艺的研究进展
酵生产燃料乙醇。此方法不但能够缩短停留时间和
降低能源投入,而且可以完成 59% - 70%的木质素
的去除率且保留 48% - 57%的木聚糖。在 LLARP
处理玉米秸秆的最佳操作下, 当滤纸酶活 ( FPU /g)
分别为 60、15和 75的情况下, 酶促反应率对应为
95%、90%和 86%。LLARP样品在同步糖化共发酵
试验中,使用酿酒酵母 NRELD ( 5) A, 在葡聚糖浓
度为 6% (w /v )时, 乙醇产量是最大理论产量的
84%。当利用重组大肠杆菌 KO11时, 葡聚糖和木
聚糖均可被高效利用, 产出的总乙醇产量为单一用
葡聚糖的最大理论产值的 109%。LLARP的流出物
里存在的低聚木糖不能被纤维素酶高效水解, 其效
率只是消化率的 60%。当处理过的玉米秸秆中有
LLARP的流出物时 SSCF就会受到严重阻碍, 而且
总乙醇产量只有理论值的 56%。同年, hgren
等 [ 30]玉米秸秆浸泡在 3%的 SO 2中蒸汽爆破预处
理,酿酒酵母 TMB3400在 005%底物浓度下同步糖
化共发酵预处理的玉米秸秆,相对于不能发酵五碳
糖的酵母来说,理论产率从 52%提高到 64%。
2007年, K im和 Lee[ 31]研究了在温和的温度下
用氨水浸泡预处理玉米秸秆同步糖化共发酵生产燃
料乙醇。最佳预处理条件是氨水浓度为 15%氨水,
温度为 60∀ ,固液比为 1∃6, 处理时间为 12 h。被处
理过的玉米秸秆保留有 100%的葡聚糖和 85%的木
聚糖, 而木质素则被去除了 62%。在 15个单位的
滤纸酶活 ( FPU /g )条件下, 葡聚糖含量的酶促反应
率也从 17%升高到 85% ,而木聚糖的酶促反应率也
升到了 78%。利用重组大肠杆菌 KO11同步糖化共
发酵对处理过的浓度为 3%的葡聚糖玉米秸秆可生
产出浓度为 192 g /L的乙醇。
氨水预处理法 ( SAA )预处理方法可增加木质纤
维的表面面积、孔隙大小并可提高酶的利用率。
2008年, K im等 [ 32 ]利用 SAA处理大麦壳, 加入 3%
的葡聚糖、4%木聚糖酶和浓度为 15 FPU /g的滤纸
酶,并利用重组大肠杆菌 KO11同步糖化共发酵
( SSCF)生产乙醇。乙醇最终浓度可达 241 g /L,可
达到最大理论产量的 894%。
2009年, Zhang等 [ 33] 利用木糖的酿酒酵母
RWB222和商业纤维素酶,建立一种动力学模型来
预测同步糖化共发酵生产燃料乙醇。这种模型描述
了纤维素和木聚糖的酶促水解反应葡萄糖和木糖的
竞争性吸收。结果表明,葡聚糖和木聚糖的酶促水
解反应是高相关性的, 并且若木糖浓度较低在 SS
CF过程中对酶促水解作用不会有明显的抑制作用。
所产生的乙醇不仅抑制特定的生长率,而且和细胞
死亡相关联。在所有酶促水解反应相关常数里, 纤
维素酶解的比率常数是最大影响因子;而在发酵相
关常量里乙醇产量和乙醇最大容忍量是最大影
响因子。
4 直接微生物转化
直接微生物转化法 ( DMC )是将纤维素酶的生
产、纤维素酶水解糖化和糖的乙醇发酵 3个过程耦
合成一步。因为减少了容器的使用, 所以节约了成
本。然而,由于发酵过程中的副产物的产生以及微
生物的乙醇耐受性比较差,所以乙醇的产量比较低。
在 DMC的研究中,热解糖梭菌被研究得比较多 [ 34]。
1989年, M istry和 Cooney[ 35]利用连续培养细胞
回收系统来提高乙醇生产率和利用热解糖梭菌发酵
木糖的产量。在最优条件下连续培养热解糖梭菌
( C lostrid ium thermosaccharoly ticum )发酵木糖, 乙醇
总产率为 22 g /L /h,比在没有细胞回收和同样的特
定生长率连续培养下大 8倍。同年, Christakopoulos
等 [ 36]发现纤维素酶生产菌株尖孢镰刀菌 ( Fusarium
oxy sporum ) F3可以直接把葡萄糖、木糖、纤维二糖、
纤维素发酵成乙醇。在有氧阶段和厌氧阶段 pH分
别为 55和 6时, 纤维素转化为乙醇浓度分别为
96 g /L和 145 g /L, 相当于理论产量的 892%
和 532%。
1991年, Christakopoulosa等 [ 37]尖孢镰刀菌 F3
发酵碱处理的浓度为 4% (w /v )的稻草,最大乙醇产
量为 0275 g /g, 相当于理论值的 678%。同年,
S ingh和 Kum ar[ 38]发现尖孢镰刀菌属的几个菌株不
仅能转化木糖,而且还能一步将纤维素转化成乙醇。
尖孢镰刀菌发酵生产乙醇的特点相比较于其他生物
是有区别的,这些优点包括纤维素酶的生产和纤维
素的水解、戊糖发酵、糖和乙醇的耐受性较强。主要
的缺点是与酵母相比其转化率低。
1998年, Ran i等 [ 39]利用梭状芽孢杆菌 ( Clostridi
um thermocellum ) SS21和 SS22分别发酵 8 g /L得微
晶纤维素可分别得到 037和 035 g /g(乙醇 /底物 )。
55
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 2期
当底物浓度为 80 g /L的滤纸时, 菌株 SS21把其中的
71 g滤纸转化成 1846 g /L乙醇;菌株 SS22把其中的
754 g滤纸发酵转化成 2036 g /L乙醇。用菌株
SS21和 SS22分别发酵 826 g /L和 873 g /L碱处理
的水稻秸秆,最大产量分别为 2147 g /L和 2357 g /L
乙醇。
1999年, Cho等 [ 40 ]用 Ty1转座子的 序列作为
同源重组的目标序列,将内切葡聚糖酶、外切葡聚糖
酶和 葡萄糖苷酶的外源基因整合到酿酒酵母的
染色体中,这些基因的数量约为 44。这个新的重建
的酿酒酵母 L2612GC成功的表达并分泌纤维素
酶。在含有纤维素的培养基中,纤维素酶的表达水
平、细胞生长和乙醇生产有显著的提高。即使在非
选择培养基中, 这些整合基因的表达在 20世纪 50
代时表达还很好。
2005年, Ba lusu等 [ 41]用梭状芽孢杆菌 (C lostrid
ium celluloly ticum ) SS19厌氧发酵分解纤维素产乙
醇。当培养基中的滤纸、玉米浆、半胱氨酸盐酸盐和
硫酸亚铁的浓度分别是 45, 80, 025, 001 g /L
时,产量为 041 g /g(乙醇 /底物 ) ,产率为 81%。同
年, D esvaux[ 42]研究了梭状芽孢杆菌 ATCC35319,
并这种细菌具有胞外多酶复合体系。在纤维素降
解菌梭菌属中, 大多数的纤维小体基因是大约 26
kb DNA片段, 现在已经有 12个基因被确定。这
12种酶被确认为包括纤维素酶、半纤维素酶和果
胶酶。
5 小结
由于化石燃料将不可避免地耗尽,燃料乙醇作
为理想的替代能源之一受到越来越多的关注。然
而,目前,几乎所有的燃料乙醇都利用粮食原料生产
而来, 绝大多数国家不具有这样的农业基础生产燃
料乙醇,人们不得不把目光转向供应更丰富价格更
低廉的木质纤维素。
木质纤维生物质转化成乙醇需要解决的以下关
键问题:低成本的打破纤维素及半纤维素与木质素
之间紧密结合的去木质素预处理技术; 低成本高活
性纤维素酶的生产技术; 低成本的纤维素与半纤维
素的解聚,释放出糖分子的技术;高效的戊糖和已糖
的混合糖发酵乙醇工艺。
参 考 文 献
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