纤维素乙醇的研究进展 胡梦龙
主要内容 难 题 5 背 景 1 现 状 2 实现方式 3 研究内容 4
一、背景 能源的需求量越来越大， 对外依存度也越来越高； 环境污染日益加重，节能减排任重道远； 利用粮食生产能源，撼动粮食安全。 使非粮燃料乙醇工业化势在必行 非粮燃料乙醇 3
二、现状 杜邦，杰能科 诺维信 、 中粮、中 石化2009年 河南天冠承担 3000t/年秸秆 纤维乙醇 新疆大面积 生产纤维素 乙醇 山东大学曲音 波在纤维素酶 解方面成绩 显著 中国市场 纤维素乙醇 我国对纤维素乙醇的发展很支持：根据国务院对外公布的《可再生能源中长期发展规划》，国家在2020年前将投资2万亿元，并且政府将采取五大措施力保《规划》任务的实现，国内外企业近年来纷纷上马了纤维素乙醇项目。 4
二、现状 中国每年在农业生产中的废弃物达7亿吨。据2009年麦肯锡所作的一份报告，如果通过农业废弃物制备纤维素乙醇，到2020年能够为中国替代3100万吨汽油，使中国对进口原油的依赖下降10％，同时能减少9000万吨二氧化碳排放。
二、现状 美国 日本 巴西 瑞士 德国 丹麦 加拿大 美国在燃料乙醇的生产上仍然是世界乙 醇生产的领头羊。美国加州大学Berkeley分校采用 的流程是纤维素水解与发酵同步进行的研究；美国 建成了可处理1t/d纤维废料的中试车间，年 产纯乙醇2亿升，乙醇产率为27.7％ 。 1973年世界石油危机后，就 实施了“国家乙醇生产计划”，主要依靠 本国丰富的甘蔗资源，积极发展燃料乙醇产 业，目前已经发展320多家燃料乙醇生产企业。 1400万t／a的乙醇生产规模。 加拿大的生物技术公司，在渥太华开设了 以麦秸为原料的3．2万加仑／a纤维素乙醇厂，采用 稀酸结合蒸汽气爆预处理，随后用纤维素 酶水解，分离后的液体进行木糖和葡萄糖联合发 酵，经评估，其生产成本比谷物 乙醇高出30％～50％。 德国鲁奇公司与卡尔斯鲁 厄研究中心合作建设以纤维素 为原料制取生物燃料的中试装 置。该装置每年可转化约20万吨 干燥木质纤维素原料，产 能约13.4万t/a。 日本将纤维素乙醇纳入国 家能源发展的重要产业之一， 在举国体制下，政府、学界和 产业界全力推进其技术研发和成果 产业化进程。迅速提高了其 在纤维素乙醇领域研发水 平，大幅度降低了生 产成本。 瑞士Syngenta公司等企业合 作开发一系列与纤维素乙醇有关 的新型酶制剂。这些酶可将 经过预处理的纤维素转 化为混合糖。 丹麦诺维信公司推 出酶制剂产品 诺纤力赛力二代 使纤维素乙醇的 生产成本降低 80％。 6
使用微生物或微生物群进行纤维素和半纤维素的分解． 然后发酵所有生成的糖．整个生产过程都在同一个反 应器内完成，从而通过简化工艺来降低成本。 三、实现方式 化学法：高温、高压、极端酸碱度。高能耗、高污染、高毒性、不经济。 诺维信从自然界中存在的各种腐生真菌中，将分解纤维素的酶分离出来，找出其对应基因。用蛋白质工程改造酶的适应性，构建复合酶系。经改造好的基因转入表达（蛋白）能力出色的生物工程菌株中去，使酶高表达。 寻找新酶 条件温和。成本高。 优化工艺 “一步法（CBP）”： 使用微生物或微生物群进行纤维素和半纤维素的分解． 然后发酵所有生成的糖．整个生产过程都在同一个反 应器内完成，从而通过简化工艺来降低成本。
四、研究内容 利用混合微生物分解纤维素产乙醇 碳源：微晶纤维素 菌株：绿色木霉、黑曲霉、米黑毛霉、酿酒酵母 方式：混合培养 乙醇产量大大增加,为2.09g/L，纤维素转化率为36.8%。是绿色木霉与酿酒酵母混合发酵产乙醇的量的14倍。 利用混合微生物分解纤维素产乙醇 碳源：微晶纤维素 菌株：绿色木霉、黑曲霉、米黑毛霉、酿酒酵母 方式：混合培养 Mix：绿色木霉、根霉、黑曲霉混合培养 Ma： 绿色木霉培养7天后灭活接入酵母厌氧培养 1b： 黑曲霉单独培养第5天时加入米黑毛霉，第7 天时加入酵母有氧培养
经黑曲霉（1a）分解后的底物在1637 cm-1吸收峰增强，此峰为吸附水的吸收峰，说明纤维素吸水润涨，水分子进入纤维素内部，吸附水增多。而经根霉（11c），绿色木（ma）分解后的底物在此处的吸收峰分别减弱。 经根霉（11c）、黑曲霉（1a）、绿色木霉（ma）、混合菌（mix）分解后的底物在990 cm-1处的吸收峰消失，纤维素和半纤维素的C-O键断裂。 绿色木霉（mb）分解结束后的底物在2900 cm-1 吸收峰不存在，说明纤维素分子间氢键断裂 Mix：绿色木霉、根霉、黑曲霉混合培养 Ma：绿色木霉培养7天后 灭活接入酵母厌氧培养 Mb：绿色木霉培养7天后不灭活接入酵母有氧培养 1a： 黑曲霉培养7天后灭活接入酵母厌氧培养 11c：根霉培养7天后不灭活接入酵母厌氧培养
电镜分析
五、难题 混合菌发酵纤维素产乙醇的瓶颈问题是菌种之间的相互作用： 如何使微生物之间的协同作用达到最优，拮抗作用达到最弱，使纤维素酶活最高，酵母等可利用发酵糖最多。混合菌的相互作用机理的研究也是比较困难的。
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