联合生物加工工艺生产乙醇的展望.doc

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1、联合生物加工工艺生产乙醇的展望翁海波*王志强敬蔚然(1郑州大学生物工程系郑州450001)摘要利用生物能源转化技术生产乙醇能缓解非再生化石能源日渐枯竭带来的能源压力。来源广泛的纤维素将是很有潜力的生产乙醇原料。然而由于各种原因，当前乙醇生产成本较高，乙醇生产难以规模化。本文介绍的联合生物加工技术，一体化程度高，能有效降低生产成本，未来发展前景必定很广阔。关键词生物能源转化;联合生物加工;纤维素PerspectivesfortheproductionofbioethanolusingconsolidatedbioprocessingAbsractTheethanolproductio

2、ncanlesseningenergypressurebybioenergyconversionwiththegraduallyexhaustionofnon-renewablefossilenergytoday.Cellulosewillbeverypotentialrawinethanolproductionbecauseofextensivesourcesandlowerprice.Thecostofpracticalproductionishightodaydutoallkindsofreasons,whicharealsothereasonswhytheethanolpr

3、oductioncannotbeapplicableinfactory.Theprocessesconsolidatedbioprocessing(CBP)–featuringcellulaseproduction,cellulosehydrolysisandfermentationinonestep–isanalternativeapproachwithoutstandingpotential.Keywordsbioenergyconversion;consolidatedbioprocessing;cellulose1介绍能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着世界人口

4、的增加以及各国工业化水平的提升，整个社会对能源的需求量与日俱增。应用生物能源转化技术可将生物质转变为清洁能源，能缓解石油、天然气等不可再生化石能源日渐枯竭带来的能源压力。目前生物转化使用的原料是玉米等粮食作物，但是这些原料的大量使用会影响到粮食安全，所以秸秆、麸皮、锯木粉等农业、工业废弃物等含有大量的木质纤维素，将是很有潜力的乙醇发酵原料。另外，生物燃料的生产过程中，纤维素的预处理和纤维素酶的生产成本较高[1,2]。因此减少预处理，增强纤维素酶的活性，提高发酵产物的产量和纯度，减少中间环节也是降低生产成本的途径。联合生物加工（consolidatedbioprocessing，CB

5、P）不包括纤维素酶的生产和分离过程，而是把糖化和发酵结合到由微生物介导的一个反应体系中，因此与其它工艺过程相比较,底物和原料的消耗相对较低，一体化程度较高[3]。本文主要讨论CBP的概念，可行性和策略，以及真菌的应用和发展前景。2CBP的可行性和必要性应用联合生物加工是可行的。有关热纤梭菌利用纤维素的研究为CBP可行性提供了实验证据。生理学研究和14Ｃ标记的纤维素实验说明，生长于纤维素上的微生物的生物能量效益取决于胞内低聚糖摄取过程中β-糖苷键磷酸解的效率,并且这些效益超过了纤维素合成的生物能量成本[3，4]。这些研究为纤维素分解菌在纤维素上快速生长提供了实验依据和理论依据。以酶-

6、微生物复合体存在比纤维素酶复合体单独存在时纤维素酶的作用效率要高。在厌氧菌中，酶-微生物复合体的协同作用在降解纤维素时处于中心地位。然而，以产纤维素酶为特征的工业生产中却不添加活体纤维素裂解菌。应用以酶-微生物复合体为作用特征的CBP工艺将是必要的，是未来的研究方向。3CBP的策略应用联合生物加工的关键是构建出能完成多个生化反应过程的酶系统，使纤维素原料通过一个工艺环节就转变为能源产品。一些细菌和真菌具有CBP所需要的特性，所以改造现有的微生物已成为研究的热点。以基因重组等为代表的生物工程技术已经使这种设想成为现实，并为设计出更完善的CBP酶系统提供了可能。对相关的微生物改造主要有

7、以下三个策略。3.1天然策略天然策略是将本身可产生纤维素酶的微生物，尤其是厌氧微生物进行改造，使其适应CBP生产的要求。这种策略关键在于，提高对乙醇的耐受力，减少副产物的生成，导入新的代谢基因将糖化产物全部或者大部分进行发酵，从而产出高浓度的乙醇。有研究者对耐乙醇嗜热菌株的进行了筛选和改造[5]，所得的菌株能在60g/L的乙醇浓度下生长，乙醇耐受性能满足CBP工艺的要求。另外，对嗜热菌和大肠杆菌来说，副产物如有机酸及其盐抑制作用更强，缺少有机酸将会使乙醇的浓度显著升高