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高效纤维素降解菌的选育与利用秸秆生产酒精的初步研究的开题报告一、研究背景及意义秸秆是农业生产中产生的一种广泛存在的废弃物。
每年全球生产的秸秆数量巨大，仅中国就超过10亿吨，其中大部分都被随意处理或者直接丢弃，造成了资源的巨大浪费。
利用秸秆制作酒精是一种有效的处理方法，能够将废弃物转化为资源，缓解能源短缺和环境污染问题。
酒精是一种重要的有机原料和清洁燃料，在工业生产、医药、化妆品等领域有广泛的应用。
目前，国内外已有很多研究团队开始关注利用秸秆生产酒精的方法，其中以生物法最受关注。
生物法利用高效降解秸秆纤维素的微生物菌株为基础，通过发酵裂解秸秆纤维素，释放出葡萄糖和木糖等可发酵的糖分，再利用酵母发酵产生酒精。
选择合适的高效降解秸秆纤维素的微生物菌株是秸秆生产酒精过程中的关键步骤。
本研究旨在通过筛选和鉴定固定菌株，建立秸秆纤维素降解菌株库，为生产高效的秸秆发酵酒精提供技术支持。
二、研究目的本研究的目的为：（1）通过分离与筛选出适宜的高效降解秸秆纤维素的微生物菌株；（2）建立秸秆纤维素降解菌株库，为秸秆生产酒精提供基础；（3）对可利用的菌株进行鉴定，并研究其生长与代谢特性；（4）对利用菌株发酵生产酒精的过程进行研究，探究发酵技术的优化与提高。
三、研究内容和方法（1）菌株筛选与鉴定通过采集不同来源的微生物样本，分离筛选出高效降解秸秆纤维素的微生物菌株；利用形态学、生物学、生化学等方法对所得菌株进行鉴定与鉴别，并对其功能进行评估。
（2）秸秆纤维素降解菌株库的建立对得到的菌株进行分类、整理和保存，建立起完整的降解菌株库。
（3）菌株生长与代谢研究对菌株的生长与代谢能力进行测试，并分析生长和代谢特性与降解秸秆纤维素能力之间的关系。
（4）利用菌株发酵生产酒精利用所选菌株分别发酵秸秆和纤维素物质，获取发酵产物，并测定其转化率、产率和酒精含量等数据；同时对发酵技术进行优化。
四、研究预期结果（1）成功筛选和鉴定出适宜的高效降解秸秆纤维素的微生物菌株；（2）建立秸秆纤维素降解菌株库，为秸秆生产酒精提供基础；（3）对可利用的菌株进行鉴定，并探究其生长与代谢特性；（4）发酵生产酒精并对发酵技术进行优化，取得预期的研究成果。
燃料乙醇发酵技术研究进展董师章高淑荣李兴东温英新摘要：能源是人类社会赖以生存的基础，是工业文明的保障。
伴随着社会的快速发展，对能源的需求量也在不断增加。
木质纤维素类生物质是地球上储量丰富、分布广泛的可再生资源，主要包括农作物秸秆、林业废弃物、动物排泄物等。
其主要由纤维素（约占干物质重的30%-50%）、半纤维素（20%-40%）和木质素（10%-25%）3大部分组成。
另外，还含有少量的胶体物质。
纤维素和半纤维素都以聚糖形式存在，纤维素主要由六碳糖聚合而成，而半纤维素则主要由戊碳糖聚合形成。
利用木质纤维素类生物质生产燃料乙醇，通常需要经过预处理以打破致密结构，再将聚糖水解转化为单糖，最后利用酿酒酵母将单糖发酵转化为乙醇。
目前，木质纤维素类生物质生产乙醇的全过程包括原料收集和预处理、酶解糖化、发酵及产物分离。
为使纤维乙醇与传统燃料形成相竞争的价格，需要对燃料乙醇整个生产过程进行优化以降低成本。
关键词：燃料乙醇；发酵工艺；基因工程引言生物燃料乙醇主要特性有四个方面：第一，生物燃料乙醇是燃油氧化处理的增氧剂，可使汽油增加内氧燃烧充分，达到节能和环保的目的。
第二，生物燃料乙醇具有极好的抗爆性能，调合辛烷值一般在120左右，作为汽油的高辛烷值组份，可以有效提高汽油的抗爆性。
第三，在新标准汽油中，生物燃料乙醇还可以经济有效地降低烯烃、芳烃含量，降低炼油厂的改造费用。
第四，生物燃料乙醇是太阳能的一种表现形式，在自然界这个大系统中，其生产和消费过程可形成无污染和洁净的闭路循环过程，为可循环再生能源。
近年来，生物燃料乙醇生产技术在借鉴国外技术的同时，经过不断的消化、优化及研发，国内生物燃料乙醇的工艺生产技术已经基本成熟，并形成了一批具有自主知识产权的成果。
通过技术创新，实现降本增效，是我国生物燃料乙醇行业不断发展壮大、有效应对国内外市场冲击的最重要途径之一。
生物燃料乙醇生产过程中，发酵强度是考核发酵产业的一个重要指标，浓醪发酵技术被认为是发展发酵工业有效途径之一，成熟醪中高乙醇含量不仅是一个重要的技术经济指标，也是体现发酵技术是否先进的重要标志。
木材水解酒精的微生物发酵工艺研究引言木材水解酒精是一种利用微生物发酵木质纤维素产生酒精的过程。
木质纤维素是一种主要成分为纤维素的有机物质，广泛存在于植物细胞壁中。
利用微生物进行木质纤维素水解酒精的发酵工艺，不仅可以有效利用植物资源，而且对于替代传统能源具有重要意义。
本文将重点研究木材水解酒精的微生物发酵工艺，探讨其应用潜力及相关技术。
1. 木材水解酒精的微生物发酵过程木材水解酒精的微生物发酵过程是一种将木材中的纤维素和木质素降解为可溶性糖和其他中间产物的过程，然后利用微生物将这些可溶性糖转化为酒精的过程。
常用的微生物包括酵母菌和细菌等。
1.1 木材水解过程木材水解过程包括物理处理和化学处理两个步骤。
物理处理主要通过高温蒸汽和高压对木材进行预处理，破坏木质纤维素的晶体结构。
化学处理主要是利用酸、碱等化学试剂对木材进行预处理，使纤维素部分水解为可溶性糖。
这些可溶性糖是后续微生物发酵过程的基础。
1.2 微生物发酵过程微生物发酵过程是将前述步骤得到的可溶性糖经过微生物菌种发酵成酒精的过程。
常用的微生物菌种包括酵母菌（如酿酒酵母）和乙醇菌等。
这些微生物菌种能够将可溶性糖通过发酵过程转化为酒精，并且在此过程中产生能源（如ATP）和其他副产物（如二氧化碳）。
2. 木材水解酒精微生物发酵工艺的优势木材水解酒精微生物发酵工艺与传统的纤维素酒精发酵工艺相比具有以下几个优势：2.1 资源可持续利用木材水解酒精微生物发酵工艺可以利用廉价的植物资源，如废弃木材、农业废料等，实现资源的可持续利用。
相比传统的纤维素酒精发酵工艺，木材水解酒精工艺可以减少对粮食等有限资源的需求，具有更好的可持续性。
2.2 生产成本低木材作为一种广泛存在的植物资源，成本较低，能够大规模生产，从而降低了生产成本。
此外，木材水解酒精微生物发酵工艺可以充分利用废弃物及农业废料，避免了资源的浪费。
因此，相比传统的纤维素酒精发酵工艺，木材水解酒精工艺具有更低的生产成本。
木质纤维素乙醇的进展如果液体化石燃料被可再生和可持续的替代品所取代,由木质纤维素生产的的生物燃料的使用将是不可避免的。
乙醇是全球使用最多的生物燃料,丰富的纤维素原料使生物原料的生产具有很大的前景,而且这种前景很具有吸引力。
由于其韧性会导致工艺过程复杂并且成本昂贵,但是也有乐观的理由。
新的纤维素水解酶的工程体系,改造戊糖发酵建设中的耐受抑制剂的酵母菌株并结合最优一体化过程。
在试点工厂测试这些新改进的机会为大型机组铺平了道路。
本文总结了在这一领域的最新进展,包括在中试规模中的验证,以及在这种生产途径中队经济和环境的影响。
引言从可再生的木质纤维素资源转化成液体运输燃料具有独特的和可取的特点:安全的供应来源,避免与用于粮食和饲料生产的土地相冲突,降低化石燃料的输入成本。
虽然从森林和农作物残留物,或者专用纤维素作物生产的生物乙醇提供了这些优点,但是它的发展仍然受到经济和技术上的障碍。
木质纤维素生产生物乙醇的传统工艺主要包括四个步骤:(1预处理—打破木质纤维素基质的结构。
(2酶的水解—用纤维素水解酶将纤维素分解成葡萄糖。
(3发酵—通常使用酵母菌株将葡萄糖代谢成乙醇。
(4蒸馏—精馏—脱水—分离和纯化乙醇来满足燃料规格。
在世界各地,有很多研发项目在寻求克服扔存在的障碍来达到商业化的目的。
主要在美国的一些设施,包括试点和师范设施。
正在处理的主要障碍有:预处理的选择和优化,降低酶水解的成本,将糖(包括戊糖转化成乙醇达到最大化,过程放大和一体化来减少对能源和水的需求,木质素副产物的表征和估价,最后,使用具有代表性的和可靠地数据来进行成本估算,以及对环境和经济影响的侧测定。
传统方法是使用里氏木霉的纤维素水解酶和酵母菌酵母菌株,除了寻求改进这种传统工艺的方法,课选择的新的方案也在调查,例如,利用嗜热酶、重组生产乙醇的菌株和综合生物加工。
本文重点综述四个步骤的过程,强调通过一个欧洲研究项目的框架内进行的努力的最新进展:尼罗河(木质纤维素乙醇的新进展项目。
玉米秸秆发酵生产燃料酒精研究现状及前景摘要玉米秸秆是一种丰富的再生资源，主要由纤维素、半纤维素、木质素组成。
经过预处理、水解、发酵可生产酒精。
预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法及生物处理法；水解主要有酸水解法和酶水解法；发酵主要有直接发酵法、间接发酵法、同步糖化发酵法等。
介绍了玉米秸秆生产乙醇的关键技术进展情况。
关键词秸秆；酒精；预处理；研究进展酒精是一种重要的工业原料，广泛应用于食品，化工、医药等领域，而且可以部分或全部替代汽油，具有安全、清洁、可再生等优点。
传统的酒精生产主要以糖蜜、薯类、谷物为原料发酵而成。
近年来，随着人口增长和经济的发展以及可利用耕地面积的减少使得酒精生产成本日趋增高，利用丰富、廉价的玉米秸秆为原料生产酒精已成为必然趋势。
我国是一个农业大国，各种纤维素原料资源非常丰富，仅玉米秸秆年产量大约2亿吨。
目前，玉米秸秆除了少部分被利用外，大部分以堆积、焚烧等形式直接倾入环境，极大地污染了环境，也是一种资源浪费。
如果将玉米秸秆经过预处理后水解，其所含的纤维素和半纤维素可分解成糖，经发酵可转化为酒精，转热效率可达30％以上。
这样不但缓解人类所面临的食物短缺，环境污染、资源危机等一系列问题，而且还能实现人类的可持续发展，因而近年来玉米秸秆成为生物能源领域的研究热点。
1玉米秸秆简介玉米秸秆主要由植物细胞壁组成，基本成分为纤维素、半纤维素和木质素等。
木质素将纤维素和半纤维素层层包围。
纤维素是一种直链多糖，多个分子平行排列成丝状不溶性微小纤维，半纤维素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成，木质素是以苯丙烷及衍生物为基本单位组成的高分子芳香族化合物。
其中，木质素是一种燃料，半纤维素可水解为五碳糖，而纤维素水解为六碳糖比较困难。
2玉米秸秆预处理由于玉米秸秆结构复杂，不仅纤维素、半纤维素被木质素包裹，而且半纤维素部分共价和木质素结合，同时纤维素具有高度有序晶体结构。
因此必须经过预处理，使得纤维素、半纤维素、木质素分离开，切断它们的氢键，破坏晶体结构，降低聚合度。
吉林化工学院生物与食品工程学院 文献综述 以纤维素为原料生产燃料乙醇
学生学号： 学生姓名： 朱晨阳 专业班级： 生物技术1101 指导教师： 葛雅琨
吉 林 化 工 学 院 Jilin Institute of Chemical Technology － 0 －
摘要： 介绍了纤维素的基本特征，重点阐述了纤维素发酵生产酒精工艺中的发酵工艺的技术特点，综述了美国、加拿大、日本、瑞典、巴西、中国在利用纤维素原料生产乙醇方面的发展现状，并且对纤维素发酵生产酒精的前景进行了展望。
关键词：纤维素；酒精；水解；发酵
1引言 酒精被誉为可再生绿色能源燃料，由于其燃烧污染小、容易运输和贮藏，在价格上酒精也可与汽油相竞争。因此，酒精成为最有可能取代石油的新能源，具有巨大的开发前景[1]。 目前生产燃料酒精是以玉米为原料，但原料成本占总成本的70％～80％。纤维素是地球上最丰富、最廉价可再生资源。据资料表明，植物通过光合作用使光能以生物能形式固定下来，其生成量每年高达50×109t干物质，这些能量相当于目前为止世界能耗总量的10倍，且这些生物能年复一年通过自然界物质循环生成，是永远不会枯竭可再生资源。它们主要来源于农业废弃物，如麦草、玉米秸秆、甘蔗渣等；工业废弃物，如制浆和造纸厂的纤维渣、锯末等；林业废弃物；城市废弃物，如废纸、包装纸等。这些资源中有大部分是以纤维素、半纤维素形式存在，因此研究开发纤维素转化技术，将秸秆、蔗渣、废纸、垃圾纤维等纤维素类物质高效转化为糖，进一步发酵成酒精，对开发新能源，保护环境，具有非常重要现实意义[2～4]。 2 国内外研究现状 2.1 国内研究现状 中国科学院早在1980年就在广州召开了“全国纤维素化学学术会议”，把开发利用纤维素资源作为动力燃料提上了议事日程。我国在“十五”规划中制定了发展燃料乙醇的规划，规划中分三步走，其中的第三步就是利用植物秸秆、稻壳等纤维素生产燃料乙 吉林化工学院生物与食品工程学院文献综述 - 1 - 醇，并全面推广。《变性燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划》专门对代表燃料乙醇发展方向的纤维素燃料乙醇技术做出规划，“十一五”期间要投入几十亿元财政资金扶持纤维素乙醇工业化生产的发展，并在税费方面实行减免。 2006年9月，河南天冠年产3000t的纤维乙醇项目在河南镇平县奠基，天冠称这是国内首条千吨级纤维乙醇产业化试验生产线。几乎同时，山东泽生生物科技公司宣布他们首创秸秆无污染爆破技术，并在固态菌种发酵方面做出突破，将建成年产3000t的纤维素乙醇示范工程。2006年10月，上海天之冠可再生能源有限公司与华东理工大学也合作完成纤维素生产燃料乙醇的中试，并尝试建造年产5000t的生产线。 厦门大学能源研究院研究“纤维素生物质发酵制燃料酒精”。已建立了纤维素生物质分解系统，分离到一批具有较强分解能力的产纤维素酶菌株，通过诱变筛选到高活力的突变株，其活性比出发菌株提高50%。开发了曲霉培养、曲酶制备、秸秆降解的成套工艺技术，利用曲酶对甘蔗渣和稻草粉进行分解，甘蔗渣的糖化率可达40%，稻草秸秆的糖化率可达45%，获得了一批具有较高产酒精能力的酵母，分别以秸秆和甘蔗渣为原料发酵产酒精，其中秸秆制酒精得率可达8%，甘蔗渣制酒精得率大于7%。 清华大学核能与新能源技术研究院承担了国家科技支撑计划项目，“生物质高效降解专用微生物筛选与构建技术研究”和“木质纤维素生产功能糖产品及其综合利用”。 上海华东理工大学能源化工系，承担国家863 项目的“农林废弃物制取燃料乙醇技术”研究，已进入工业性试验阶段。 江南大学生物工程系实验室以玉米芯先浓酸后稀酸水解得糖率为8l%，石灰中和后，接种酵母发酵生产乙醇[4]。 山东大学承担的“酶解植物纤维工业废渣生产乙醇工艺技术”项目，开发成功木糖—乙醇联产工艺，实现了生物质资源的综合利用。 中国科学院过程工程研究所和山东泽生生物科技有限公司共同承担的秸秆酶解发酵燃料乙醇新技术及其产业化示范工程，于2006 年8 月底在山东东平通过了中科院组织的项目鉴定。 中国农业科学院麻类研究所和陕西师范大学等单位合作开展的麻类等纤维质预处理、糖化液酵解生成燃料乙醇研究，已取得重大突破。 西南大学也开展了纤维素酶生产技术、天然废物利用策略等研究。
2.2 国外研究现状 美国在纤维素发酵生产燃料酒精的研究、生产和应用方面都处于世界的前列。1996 年，美国可再生资源实验室（NREL） 研究开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，由美国哈斯科尔工业集团公司建立了一个1MW稻壳发电示范工程，年处理稻壳1.2×104t，年发电量800×104kW，年产酒精2500t。 － 2 －
美国Purdue 大学可再生能源实验室利用基因工程发现了可将五碳糖转化为酒精的转基因酶，使技术难度极大的“五碳糖发酵制酒精技术”获得重大突破。 美国能源部1999年提出计划，到2015年把燃料乙醇的成本降低36%，并拟定了开发方向：研发转基因技术，使产纤维素酶酵母的活性比现有水平提高10倍以上；完善同步糖化发酵法（SSF）和并行糖化共发酵法（SS-CF，即糖化和五碳糖、六碳糖共发酵）的技术；选育纤维素直接发酵菌种，用以开发直接发酵法（DMC）。美国极力宣传乙醇燃料的优点，鼓励利用锯末、草类和废弃枝叶等农业废物提取纤维乙醇燃料的技术研发，希望在6年内纤维乙醇实现商业化。美国能源部宣布，将安排2.5亿美元用于研究开发纤维素乙醇技术。 加拿大利用纤维素原料生产燃料酒精工业一直处于世界领先地位。加拿大的Iogen 公司，利用从遗传工程真菌所制成的纤维素酶有效地使纤维素水解为葡萄糖和其他糖类，然后采用酿酒酵母使葡萄糖发酵为酒精。Iogen 能源公司拥有一套2230 万美元的示范设备，用于植物纤维素原料转化生产酒精，每年可使1.2×104～1.5×104t 麦秸转化成300×104～400×104L的燃料酒精。 日本政府积极促进纤维素制乙醇技术的发展，建立了较完善的与纤维素燃料乙醇相关的研发体系，对生产过程中的一些关键性的、尚不够成熟的工艺组织了专门的研究机构进行专题研究。主要包括：纤维素的前处理、糖化和发酵技术开发、纤维素酶育种、乙醇膜脱水技术，发酵液中乙醇的膜分离等技术的开发[8]。目前日本已经完成了从720kg蔗渣中制取200L酒精的中试。 巴西，酒精工业是国民经济支柱，完全由政府所控制。巴西政府一方面制定政策限制石油消费，另一方面则开辟大量土地种植糖蔗，利用榨汁后蔗渣发酵生产燃料酒精。生产酒精主要用于配制汽油醇（GASOHOL），酒精含量最高为20%。到目前为止，巴西所产汽车90%采用酒精燃料发动机，全国有50%以上的交通工具使用酒精燃料。巴西从20 世纪8O 年代开发的用甘蔗渣生产酒精的技术居世界领先地位，并已在多个国家注册了专利。巴西Dedini S/A IndU strias de Base 基础工业公司对被称为Dedini 快速水解法的先进技术拥有专有权。 瑞典提出，2020年之后利用纤维素生产的燃料乙醇全部替代石油燃料，彻底摆脱对石油的依赖。 3 纤维素的基本特征
纤维素广泛存在于各种植物体内，其生命功能为植物的结构多糖，是组成植物细胞壁的主要成分，通常被包埋在果胶质、半纤维素、木质素、伸展蛋白等组成的基质中，起增强细胞抗张强度和机械性能的作用，以抵抗渗透压和支撑植株。不同植物及同种植物不同部位的纤维素含量有很大的差异，植物茎杆纤维素含量丰富，是纤维素的主要来 吉林化工学院生物与食品工程学院文献综述 - 3 - 源。一般来说，纤维素占植物体干质量的比例分别是叶约10%，木材大于50%，麻纤维70%～80%、棉纤维90%～98%[5]。 在植物纤维素原料中，除含有纤维素外，还含有半纤维素、木质素、蛋白、矿物质等植物组织质。其中，半纤维素主要由木糖及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成，木质素则是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物[6～7]。 4 纤维素发酵生产乙醇 4.1直接发酵法 直接发酵法就是以纤维素为原料进行直接发酵，不需要进行酸解或酶解前处理过程。这种工艺设备简单，成本低廉，但酒精产率不高，易产生有机酸等副产物。其难点在于很难找到高效的酒精发酵菌株。另外，为解决该法乙醇产量低、易产生有机酸等副产物的问题，可以采用混合菌直接发酵。例如热纤梭菌能分解纤维素，乙醇产率较低（约50％），热硫化氢梭菌不能利用纤维素，但二者混合发酵，乙醇产率可达70％，并且可将乙醇与乙酸的比值提高10 倍以上[9]。 4.2间接发酵法
间接发酵法先用纤维素酶水解纤维素,酶解得到的糖液进行发酵。此法中乙醇产物的形成受末端产物、低浓度细胞以及基质的抑制。为了克服乙醇产物的抑制,必须不断的从发酵罐中移出乙醇,采取的方法有:减压发酵法、快速发酵法等。对细胞进行循环利用,可以克服细胞浓度低的问题。筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株,以及使菌体分阶段逐步适应高基质浓度,可以克服基质抑制。 4.3 糖化、发酵二段发酵法
先进行纤维素水解，生成葡萄糖；再将葡萄糖作为发酵碳源，进一步发酵生成酒精。酒精产物的形成主要受末端产物抑制，为了提高酒精产率，必须不断地将其从发酵罐中移出。采取方法有减压发酵法、快速发酵法。对细胞进行循环使用，可克服细胞浓度低的问题。筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株，以及使菌体分阶段逐步适应高基质浓度也可克服基质抑制。 4.4同步糖化发酵法(SSF法)
纤维素的酶水解和发酵糖化产生酒精的过程在同一装置内连续进行，这样酶水解的产物葡萄糖因菌体的不断发酵而被利用，消除了因葡萄糖浓度较高而对纤维素酶的反馈抑制作用。 纤维素酶的最适温度为50℃，酵母发酵温度在37～40℃，最终产物乙醇对纤维素酶和微生物的活性、中间产物木糖对水解过程都有抑制作用。解决方法是选用耐热酵母菌或耐热酵母菌与普通酵母菌混合发酵，以解决最适温度差异问题；通过基因工程在酒精发酵菌中引入利用木糖的基因，减弱木糖的抑制作用；采用非等温同步糖化发酵法（NSSF），使2 个阶段保持各自的最适温度，提高酒精产率[10]。
