纤维素乙醇提取工艺的优化和改良

纤维素生物酒精生产关键技术简要分析李 明　姚 珺　翁 伟　吴 彬　吴 畏湖南农业大学工学院摘　要：全球气候变暖和自然资源的枯竭，纤维素生物酒精研究是热点之一。

纤维素生物质作为生产生物酒 精的原料，转化技术难度大，尚不成熟。

该文主要对纤维素生物质生物酒精生产过程进行了分析， 提出有待解决的问题，并讨论关键技术。

得出生物质机械化收集方式能有效保证生物质原料的数量 和减少原料成本；通过基因工程途径构建生产纤维素酶提高酶适应性和活性，加快水解效率和增强 耐热性能；开发节能精馏装置和注重转化后废物利用。

农业工程、生物化学、基因工程等多学科的 综合发展将实现纤维素生物酒精工业化。

关键词：生物能源，生物酒精，生物质，纤维素，生产过程 0　引　言 由于温室气温排放导致全球气温变暖，自然石化资源短缺，生物能源成为世界上研究热点。

中国是世界上消耗石油第二的国家，大约占全世界总量的6%[1]。

国际能源中心（IEA）估计中国到2030年每天消耗1.4×107桶汽油；随着汽车工业的发展和普及，2020年，汽车的使用量从2004年大约2.4×107台增加到90-140×107台，运输所需的能源从现在比例约33%发展到57%左右，每天的所需量从目前的1.6×107桶到5.0×107桶。

因此，到2030年，温室排放气体将增长至7.14Gt/年[2]。

对石油的需求导致中国更加依赖进口石油，2030年，75%的石油将依靠进口[2]。

因此，中国面临能源需求、国家能源安全和环境污染的挑战。

中国作为发展中发展最快，世界上人口最多的国家，在经济快速发展和国际地位大幅提升的基础，应该发挥其主导作用，制定研究政策和目标，开发利用可持续“中性碳”能源，其中包括生物酒精的生产和使用[3]。

纤维素生物质转化成生物酒精是世界上生物能源发展的热点研究之一[4-8]。

纤维素生物质主要包括农业残渣（水稻、玉米等秸秆）、森林残渣（树枝、锯末）、废弃物（废纸）、草本植物（芦竹）和木质植物（麻疯树、杨树），资源非常丰富，中国仅秸秆一年约有8.4 亿吨[9]，林木废弃物约2亿吨[10]；到2030年，每年农作物残渣量达5.53EJ；森林残渣达0.9EJ（3/4来自木材加工，1/4来自森林残枝残叶）；加上生物质能源种植（每公顷平均产量15吨干，10%的土地可以作为种植面积[10]），统计计算，每年可以提供约23EJ的能源，相当于6000亿升的石油。

226(1):415-421.[23]牛佰慧，刘婵婵，刘均洪.生物活性多肽的研究及在食品工业中的应用[J].乳业科学与技术，2008（3）：146-148.[24]ZHOU Z D,LIM T M.Roles of Glutathione(GSH)in Dopamine(DA)Oxidation Studied by Improved Tandem HPLC Plus ESI-MS[J].Neu－rochem Res,2009,34(2):316-326.[25]KEREN O P,SILBERSTEIN T,BURG A,et al.Oxidative stress as de-termined by glutathione（GSH）concentrations in venous cord blood in elective cesarean delivery versus uncomplicated vaginal delivery[J].Arch Gynecol Obstet,2007,276(1):43-46.[26]唐良艳，于兰，季金林.生物活性肽———白蛋白多肽[J].食品工业科技，2008，29（5）：301-303.[27]DONG S,ZENG M,WANG D,et al.Antioxidant and biochemicalproperties of protein hydrolysates prepared from Silver carp(Hypoph thalmichthys molitrix)[J].Food Chem,2008,107:1485-1493.[28]李琳，赵谋明.鳙鱼蛋白酶解液清除自由基的研究[J].水产科学，2005，24（10）：15-18.[29]柳小军，刘国琴，李琳.小麦源生物活性肽研究进展及其应用[J].农产品加工：学刊，2009（3）：81-85.[30]徐静波，张建友，孙培龙，等.乳蛋白源生物活性肽的研究现状[J].中国酿造，2007（7）：8-11.[31]许云禄，杨丽娟，刘广芬.舟山眼镜蛇毒细胞毒素的分离纯化及其体外抗肿瘤活性[J].中国生化药物杂志，2003，24（3）：127-130.[32]Strohmaier K,Franze R,Adam KH.Location and characterization of theantigenic portion of the FMDr immunizing protein[J].J Gen Virol, 1982,59:295-306.[33]赵慧，王坚成，罗春蕾，等.多肽GRGDS修饰的紫杉醇长循环靶向脂质体的体外评价[J].中国新药杂志，2008，17（23）：2034-2038. [34]郭海艳，周文达.精子肽的固相合成及其在免疫性不孕诊断中的应用研究[J].现代检验医学杂志，2008，23（2）：66-68.[35]IWANIAK A,MINKIEWICZ P.Proteins as the source of physiologicallyand functionally active peptides[J].Technol Aliment,2007,6(3):5-15.[36]吴建中，赵谋明，宁正祥.食品中的生物活性多肽[J].食品与发酵工业，2002，28（11）：46-50.[37]何永水.生物活性肽及其在军用功能性食品中应用展望[J].解放军预防医学杂志，2007，25（6）：457-459.[38]赵喜红，何小维，罗志刚.抗菌肽的生物活性、作用机制及应用研究进展[J].中国酿造，2007（4）：1-5.自1910年首次利用木材经酸水解生产纤维素乙醇以来，纤维素乙醇作为一种清洁的可再生燃料，具有抗爆性能好、燃烧完全、尾气排放量少等优点，因而成为国内外竞相研究的热点。

2018年第37卷第8期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·3119·化 工 进展纤维素乙醇生产重组酿酒酵母菌株的构建与优化研究进展唐瑞琪1，熊亮2，程诚2，赵心清1，白凤武1（1上海交通大学生命科学技术学院，上海 200240；2大连理工大学生命科学与技术学院，辽宁 大连 116023）摘要：寻找化石能源的替代品以及开发和利用生物能源已引起国内外研究者的广泛关注。

提高酿酒酵母利用来源广泛、贮存丰富的农林废弃物等木质纤维素原料生产燃料乙醇的效率是生物能源的重要研究内容，但是，重组酿酒酵母木糖发酵性能低是限制纤维素乙醇经济性的关键问题。

本文总结了酿酒酵母中木糖代谢途径的构建和优化以及木糖转运对木糖利用的影响，分析了重组酵母利用纤维素水解液进行乙醇发酵的研究现状，并对进一步提高重组酿酒酵母纤维素乙醇生产效率的研究趋势进行了展望。

目前国内外已经构建了可有效利用木糖产乙醇的重组酵母，但对其木糖代谢机制的研究还尚未深入，限制了重组菌株的定向改造。

此外，目前缺少在纤维素生物质水解液发酵实际应用过程中对重组菌株的评价。

因此，加强重组酵母菌株对木糖利用相关代谢调控机理的分析，注重多种抑制物对菌株发酵性能的影响，结合真实底物纤维素乙醇发酵过程进行重组菌株的构建和优化，从而进一步提高纤维素乙醇生产的经济性，是未来菌株构建的重要研究方向。

关键词：生物燃料；木质纤维素类生物质；乙醇发酵；酿酒酵母；代谢工程中图分类号：Q939.97 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）08–3119–10 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1977Progress of research on construction and optimization of recombinantSaccharomyces cerevisiae strains for cellulosic ethanol productionTANG Ruiqi 1, XIONG Liang 2, CHENG Cheng 2, ZHAO Xinqing 1, BAI Fengwu 1（1School of Life Sciences and Biotechnology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2School of LifeScience and Biotechnology, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning, China ）Abstract: The increasing challenges on gradual depletion of fossil fuel and global warming are driving the development of alternative fuels and utilization of bioenergy. Production of fuel ethanol from lignocellulosic feedstocks including a variety of agricultural and forestry residues has received increasing interests in recent years. Saccharomyces cerevisiae is the most commonly used microbial organism for ethanol production. However, it cannot efficiently assimilate xylose, which is the most abundant pentose in lignocellulosic hydrolysates. Therefore, construction and optimization of xylose utilizing S. cerevisiae is of great importance for improving economic cellulosic ethanol production. The construction and optimization of recombinant S. cerevisiae strains by integrating xylose utilization pathway, and the effect of xylose transport on xylose assimilation were summarized. Furthermore, the current status of cellulosic ethanol production using the recombinant S. cerevisiae strains was discussed, and further prospects on improvement of production efficiency of cellulosic ethanol was provided. Currently, the yield of ethanol from xylose by the recombinant strains has been improved significantly.程改造工作。

纤维素制取乙醇技术1引言能源和环境问题是实现可持续发展所必须解决的问题。

从长远看液体燃料短缺将是困扰人类发展的大问题。

在此背景下，生物质作为唯一可转化为液体燃料的可再生资源，正日益受到重视。

所以生物质制液体燃料的技术很有发展前途，这中间又以生物质制燃料乙醇技术备受关注。

现有工业化燃料乙醇生产均以糖或粮食为原料[1，2]，其优点是工艺成熟，但是产量受原料的限制，难以长期满足能源需求；从长远考虑，以纤维素(包括农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾等)为原料生产燃料乙醇，可能是解决原料来源和进行规模化生产的主要途径之一。

我国有发展纤维素制乙醇的有利条件，每年仅农作物秸秆就有7亿多吨(干重)[3]，而我国粮食资源并不丰富，因此将农林废弃物转化为燃料乙醇，形成产业化利用，非常适合我国的国情，从能源安全角度上看也是十分有利的，而且可消除由焚烧秸秆造成的环境问题。

2纤维素制取乙醇基本原理[4]纤维素废弃物的主要有机成分包括半纤维素、纤维素和木质素3部分。

前二者都能被水解为单糖，单糖再经发酵生成乙醇，而木质素不能被水解，且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解。

半纤维素是由不同多聚糖构成的混合物，聚合度较低，也无晶体结构，故较易水解。

半纤维素水解产物主要是木糖，还包括少量的阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖，含量因原料不同而不同。

普通酵母不能将木糖发酵成乙醇，因此五碳糖的发酵成为研究的热点。

纤维素的性质很稳定，只有在催化剂存在下，纤维素的水解反应才能显著地进行。

常用的催化剂是无机酸和纤维素酶，由此分别形成了酸水解和酶水解工艺，其中的酸水解又可分为浓酸水解工艺和稀酸水解工艺。

纤维素经水解可生成葡萄糖，易于发酵成乙醇。

木质素含有丰富的酚羟基、醇羟基、甲氧基和羰基等活性基团，可以发生氧化、还原、磺甲基化、烷氧化和烷基化等改性反应。

通过木质素改性和综合利用，可提取许多高附加值的化学产品，为提高木质纤维素生产燃料乙醇的经济性开辟了新的途径，日益受到科技工作者的重视[5，6]。

目前，我国在经济快速发展的同时，能源短缺和能源消费所引起的问题也成为人们所担忧的问题。

如何能够获得无污染的可再生能源是重中之重。

用生物法制取纤维素乙醇技术，不仅有广泛的原料来源，而且制作过程环保无污染，是最有前景的制作乙醇的方法。

1 纤维素的水解发酵工艺(1)浓酸水解工艺 浓酸水解的原理是将结晶纤维素在较低温度下可以在浓硫酸溶液完全溶解为低聚糖。

然后再在此基础上加水加热并稀释，经过一定的时间就可以水解为单个的葡萄糖了。

浓酸水解有很大的优点，它可以溶解不同的的原料，回收率非常高，溶解速度也非常快。

但是浓酸水解往往条件苛刻，对设备的要求极高，因此造成了成本高。

而且浓酸用完之后一定要做好残余物的回收工作，不然极其容易造成严重的环境污染。

(2)稀酸水解工艺 稀酸水解主要是利用化学反应，它的原理是稀酸溶液中的氢离子是自由的，它可以与纤维素反应，从而破坏纤维素的稳定性，使其与水反应，从而实现纤维素长链的连续解聚，直到纤维素最终分解成为一个一个的葡萄糖单元。

稀酸水解的优点是时间短，比较适合工业化生产，但是由于稀酸水解的产物不彻底，产生的糖会继续分解，影响糖收率。

因此为了减少单糖的分解，一般稀酸水解工艺不可以直接进行，要分为两个步骤。

首先是分解半纤维素，分解条件为低温，产物以木糖为主。

第二个步骤是分解纤维素，分解条件为高温，产物主要是葡萄糖。

这一步的高温条件对设备的要求极高，因此稀酸溶解也不适合大产量的工业化生产。

(3)酶水解工艺 在化学反应中，酶是一种能促进反应进行的活性物质。

在纤维素的酶水解工艺中最不可或缺的物质就是纤维素酶。

纤维素酶并不是单一的一种酶，它是促进纤维素分解为单糖的一类酶的统称。

主要包括内切葡萄糖酶、外切葡萄糖酶和纤维素二糖酶。

在纤维素的水解过程中，这三种酶在不同的阶段发挥着不同的作用。

纤维素的水解需要这三种酶的共同协同作用来完成。

酶水解工艺相对于浓酸水解和稀酸水解工艺而言，因为它所需要的条件(如酸碱度和温度)都比较温和，因此对设备的要求不是很高。

纤维素乙醇生产工艺纤维素乙醇是一种可再生燃料，可通过生物质材料中的纤维素转化而成。

由于纤维素是植物细胞壁的主要成分，因此纤维素乙醇生产工艺主要涉及纤维素的预处理和生物转化两个步骤。

下面将介绍一种常用的纤维素乙醇生产工艺。

首先，纤维素的预处理是将木质纤维素从生物质材料中提取出来。

这可以通过磨碎、纤维化和蒸煮等方式实现。

首先，生物质材料如玉米秸秆或木材被粉碎成小颗粒以增加表面积。

然后，经过纤维化处理，将材料进一步细化为纤维素纤维。

最后，将纤维素纤维置于高温高压环境下进行蒸煮。

这一步骤中的蒸煮过程有助于分解纤维素颗粒和降低纤维素纤维的结晶度，使其更易于生物转化。

接下来是生物转化步骤，主要包括糖化和发酵两个过程。

首先，经过蒸煮的纤维素纤维被糖化成可发酵的糖分子，例如葡萄糖和木糖。

糖化是通过添加酶来实现的，酶可以将纤维素纤维中的糖链断裂为单糖。

这一过程需要在适当的温度和酸碱度下进行。

接下来，将糖溶液进行发酵，转化为乙醇。

发酵是通过添加酵母等微生物来实现的，它们能够利用糖分子进行代谢并产生乙醇和二氧化碳。

发酵过程需要在适当的温度和pH值下进行，并控制好氧气的供应以维持合适的微生物活性。

生物转化过程中还需要进行废物处理，如处理发酵剩余物和废水。

发酵剩余物可以通过压榨和干燥等方式得到固体废物，并可以用作饲料或肥料。

废水则需要经过处理，以达到环境排放标准。

最后，乙醇产物需要经过蒸馏和精炼等步骤进行纯化。

这些步骤包括蒸馏、脱水、分离等操作，可以将乙醇纯度提高到适用于工业和交通领域的要求。

总而言之，纤维素乙醇生产工艺主要包括纤维素预处理和生物转化两个步骤。

通过这些步骤，纤维素可以被转化为可再生的乙醇燃料，并且废物可以得到有效处理，从而实现了可持续发展的目标。

纤维素乙醇作为一种绿色能源，具有巨大的潜力在减少对化石燃料依赖和减少温室气体排放方面发挥重要作用。

生物质纤维素乙醇燃料生产技术开发与应用方案一、实施背景：随着全球能源需求的不断增长和对传统化石燃料的限制，生物质纤维素乙醇作为一种可再生、清洁的燃料逐渐受到关注。

然而，目前生物质纤维素乙醇生产技术仍面临着诸多挑战，如原料成本高、生产效率低等问题。

因此，开发一种高效、低成本的生物质纤维素乙醇生产技术，具有重要的现实意义和广阔的市场前景。

二、工作原理：生物质纤维素乙醇燃料生产技术的工作原理主要包括生物质预处理、纤维素降解、糖化、发酵和乙醇分离等环节。

首先，通过物理、化学或生物方法对生物质进行预处理，去除其中的非纤维素成分，以提高纤维素降解效率。

然后，利用酶或酸碱等方法将纤维素降解为可发酵的糖类物质。

接下来，将糖化产物进行发酵，利用适当的微生物将糖转化为乙醇。

最后，通过蒸馏等分离技术将乙醇从发酵液中分离出来，得到纯度较高的乙醇产品。

三、实施计划步骤：1. 研究生物质纤维素乙醇生产技术的最新进展和研究成果，明确技术瓶颈和改进方向。

2. 设计并建立生物质预处理、纤维素降解、糖化、发酵和乙醇分离等关键环节的实验室规模试验装置。

3. 优化各环节的操作条件和工艺参数，提高生物质纤维素乙醇生产效率。

4. 进行中试规模的生产实验，验证技术的可行性和稳定性。

5. 在实际工业生产中应用该技术，进行规模化生产，并进行经济效益评估。

四、适用范围：生物质纤维素乙醇生产技术适用于利用各类植物纤维素作为原料，如农作物秸秆、木材废弃物、蔗渣等。

同时，该技术也适用于不同规模的生产，从实验室规模到工业化规模均可实施。

五、创新要点：1. 针对生物质纤维素乙醇生产过程中的瓶颈问题，采用先进的预处理技术，提高纤维素降解效率。

2. 优化发酵过程中的微生物菌种选择和培养条件，提高乙醇产量和发酵效率。

3. 引入高效的分离技术，提高乙醇的纯度和回收率。

六、预期效果：1. 提高生物质纤维素乙醇的生产效率，降低生产成本。

2. 减少对传统化石燃料的依赖，推动可持续发展。

生物质纤维素乙醇燃料生产技术开发与应用方案一、实施背景生物质纤维素乙醇燃料是一种可再生、低碳的替代传统石油燃料的新型能源。

随着全球能源需求的增长和环境问题的日益突出，发展生物质纤维素乙醇燃料生产技术具有重要的战略意义。

然而，目前生物质纤维素乙醇燃料生产技术仍面临着工艺复杂、成本高、产量低等问题，亟需进行技术开发与应用方案的研究。

二、工作原理生物质纤维素乙醇燃料的生产技术主要包括生物质预处理、酶解、发酵和乙醇提取等步骤。

首先，通过生物质预处理，将生物质中的纤维素和半纤维素转化为可溶性糖，提高生物质的可降解性。

然后，利用酶解技术将可溶性糖转化为葡萄糖，进一步提高糖化效率。

接下来，通过发酵过程，利用适当的微生物将葡萄糖转化为乙醇。

最后，采用适当的乙醇提取技术，将乙醇从发酵液中分离出来，得到纯度较高的生物质纤维素乙醇燃料。

三、实施计划步骤1. 研究生物质纤维素乙醇燃料生产技术的前沿进展，分析现有技术的优缺点。

2. 设计生物质预处理的工艺流程，优化预处理条件，提高生物质的可降解性。

3. 选择适当的酶解剂和酶解条件，提高酶解效率。

4. 筛选适合的发酵微生物，优化发酵条件，提高乙醇产率。

5. 选择适当的乙醇提取技术，提高乙醇的纯度和提取率。

6. 进行实验室规模的试验，验证技术的可行性。

7. 进行中试和工业化试验，验证技术的可扩展性和经济性。

四、适用范围生物质纤维素乙醇燃料生产技术适用于各种生物质资源，如秸秆、木材废料、农作物残渣等。

同时，该技术还适用于不同规模的生产，可以在小型、中型和大型生产中应用。

五、创新要点1. 优化生物质预处理工艺，提高生物质的可降解性。

2. 选择高效的酶解剂和酶解条件，提高酶解效率。

3. 筛选高产乙醇的发酵微生物，优化发酵条件，提高乙醇产率。

4. 选择高效的乙醇提取技术，提高乙醇的纯度和提取率。

六、预期效果通过生物质纤维素乙醇燃料生产技术的开发与应用，预期可以实现以下效果：1. 提高生物质纤维素乙醇的产量和纯度。

纤维乙醇的生产工艺及生产进程和所面临的问题木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，据测算年总产量高达1500亿吨，蕴储着巨大的生物质能（6.9×1015千卡）。

我国是一个农业大国，作物秸秆(如稻草、麦秆等)的年产量非常巨大(年产可达7亿吨左右，相当于5亿吨标煤)，据统计，目前的秸秆利用率33%，但经过一定技术处理后利用的仅占2.6%，其余大部分只是作为燃料等直接利用，开发前景非常广阔。

纤维素原料生产乙醇的过程可以分为两步。

第一步，把纤维素水解为可发酵的糖，即糖化。

第二步，将发酵液发酵为乙醇。

1、木质纤维素的降解技术木质纤维素降解可以采用酸水解和酶水解两条不同的技术路线来实现。

（1）酸水解技术纤维素的结构单位的D-葡萄糖，是无分支的链状分子，结构单位之间以糖苷键结合而成长链。

纤维素经水解后可生成葡萄糖。

纤维素分子中的化学键在酸性条件下是不稳定的。

在酸性水溶液中纤维素的化学键断裂，聚合度下降，其完全水解产物是葡萄糖。

纤维素酸水解的发展已经历了较长时间，水解中常用无机盐，可分为浓酸水解和稀酸水解。

（2）酶水解技术同植物纤维酸法水解工艺相比,酶法水解具有反应条件温和、不生成有毒降解产物、糖得率高和设备投资低等优点。

而妨碍木质纤维素资源酶法生物转化技术实用化的主要障碍之一,是纤维素酶的生产效率低、成本较高。

目前使用的纤维素酶的比活力较低,单位原料用酶量很大,酶解效率低,产酶和酶解技术都需要改进。

为了满足竞争的需要，生产每加仑乙醇的纤维素酶的成本应该不超过7 美分。

但在目前产酶技术条件下,生产1加仑乙醇需用纤维素酶的生产费用约为30～50 美分。

要实现纤维素物质到再生能源的转化主要有两点：首先可以寻找适合于工业生产的高比活力的纤维素酶。

细菌和真菌产生的纤维素酶均可以水解木质纤维素物质，细菌和真菌中都存在有复杂的纤维素酶水解系统，虽然其水解微晶纤维素的能力非常强，但是由于其复合物的分子量十分巨大，并且单个组份又不具有水解微晶纤维素的能力，所以人们一直试图从其他物种中寻找更符合工业应用以及更具有应用前景的纤维素酶。