纖維素酶在乙醇工業(yè)中的生產(chǎn)應(yīng)用及其生產(chǎn)現(xiàn)狀

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1、纖維素酶在乙醇工業(yè)中的生產(chǎn)應(yīng)用及其生產(chǎn)現(xiàn)狀摘要：纖維素是世界上最豐富的生物資源，纖維素經(jīng)過轉(zhuǎn)化為乙醇，可以從根本上解決目前的能源危機，而纖維素酶在這一轉(zhuǎn)化過程中起著關(guān)鍵的作用。本文論述了纖維素酶的分類、結(jié)構(gòu)及作用機制，纖維素酶的研究現(xiàn)狀、工業(yè)生產(chǎn)及展望。關(guān)鍵詞：纖維素酶；纖維素；乙醇工業(yè)；生物能源中圖分類號：TQ925.9X3821.引言植物通過光合作用,生產(chǎn)地球上最豐富、最廉價的纖維素資源,有資料表明,全世界每年的植物體生成1500億噸干物質(zhì),其中纖維素及半纖維素的總量為850億噸[1]。隨著能源危機的加劇，各國政府都在尋找石油等不可再生能源的替代物，而研

2、究發(fā)現(xiàn)，纖維素轉(zhuǎn)化成糖類，在轉(zhuǎn)化清潔能源乙醇是可行的，其前景十分誘人。但當(dāng)前實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化的技術(shù)瓶頸是纖維素酶的工業(yè)化生產(chǎn)成本過高。因此降低纖維素酶工業(yè)化生產(chǎn)成本就成了世界各國科學(xué)家研究的重要課題之一。2.纖維素酶的分類及作用機理2.2.纖維素酶的分類纖維素結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了任何單一種酶都難以有效地降解它,需要一個復(fù)雜的酶體系共同作用。早在1950年,Reese等人就提出了C1-Cx概念,經(jīng)過30多年來的研究,特別是近年來蛋白質(zhì)分離及純化技術(shù)的不斷改進,分離得到的纖維素酶越來越多,每種酶作用的機理越來越明確?，F(xiàn)已確認(rèn)纖維素酶主要分為3大類:內(nèi)切-1,4葡聚糖酶

3、,即endoglucanase,EC3.2.1.4,簡稱內(nèi)切酶,又稱Cx酶,來自真菌中的簡稱EG,來自細菌的簡稱Cen;外切β-1,4葡聚糖水解酶,即exo-1,4-D-glucanase,EC3.2.1.9l,即外切型葡聚糖酶,也稱C1酶、外切酶,來自真菌的簡稱CBH,來自細菌的簡稱Cex;β-葡萄糖苷酶,即1,4-glucosidase,EC3.2.1.21,簡稱βG,也稱纖維二糖酶。2.3.作用機理雖然對纖維素酶的作用機制沒有完全搞清,但就目前研究所得其大致過程為：C1酶主要作用于天然纖維素，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙Y(jié)晶的纖維素。CＸ酶又分為CＸ1酶和CＸ2酶兩種

4、。CＸ1酶是一種內(nèi)斷型纖維素酶，它從水合非結(jié)晶纖維素分子內(nèi)部作用于β-（1，4)糖苷鍵，生成纖維糊精與纖維二糖。CＸ2酶是一種外斷型纖維素酶，它從水合性纖維素分子的非還原端作用于β-（1，4)糖背鍵，逐步切斷β-(1,4)糖節(jié)鍵生成葡萄糖。纖維二糖酶則作用于纖維二糖，生成葡萄糖。再由葡萄糖發(fā)酵生成乙醇，發(fā)酵工藝我國在釀酒工藝已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，已無技術(shù)性瓶頸。3.纖維素酶生產(chǎn)工藝3.1固體發(fā)酵法[2-3]固體發(fā)酵法是以玉米、稻草等植物秸桿為主要原料，投資少，工藝簡單，產(chǎn)品價格低廉。然而固體發(fā)酵法存在著根本上的缺陷，不可能像液體發(fā)酵那樣隨著規(guī)模的擴大，成本大

5、幅度下降。以秸桿為原料的固體發(fā)酵法生產(chǎn)的纖維素酶很難提取、精制。目前生產(chǎn)廠家只能采用直接干燥粉碎得到固體酶制劑或用水浸泡后壓濾得到液體酶制劑，產(chǎn)品外觀粗糙，成品質(zhì)量不穩(wěn)定，雜質(zhì)含量高。勞動強度大、生產(chǎn)效率低，易污染雜菌。國內(nèi)外對木霉纖維素酶的研究較多，但木霉一方面毒性嫌疑大，使之應(yīng)用受到限制;另一方面普遍存在著a-葡萄糖昔酶活力偏低的缺陷，致使纖維二糖積累，影響了酶解效率。有人采用在木霉纖維素酶中添加曲霉的件葡萄糖昔酶，提高了纖維素酶的降解能力。3.2液體發(fā)酵法[4-5]液體發(fā)酵生產(chǎn)工藝過程是將玉米秸桿粉碎至20目以下后進行滅菌處理，送發(fā)酵釜內(nèi)發(fā)酵，同時加人

6、纖維素酶菌種，發(fā)酵時間約為70h,溫度控制低于60`C，采用凈化后的無菌空氣從釜底通人進行物料的氣流攪拌，發(fā)酵完的物料經(jīng)壓濾機壓濾、超濾濃縮、噴霧干燥、制得纖維素酶產(chǎn)品。其工藝流程如下:液體發(fā)酵法動力消耗大，設(shè)備要求高，但原料利用率高，生產(chǎn)條件易控制，產(chǎn)量高，勞動強度小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。液體深層發(fā)酵的方法具有培養(yǎng)條件容易控制，不易染菌，生產(chǎn)效率高等特點。纖維素酶活力的測定方法很多，CMC糖化力法在研究和實際生產(chǎn)中應(yīng)用比較普遍[6]”。4.國內(nèi)外纖維素酶研究情況4.1.國外研究現(xiàn)狀纖維素酶發(fā)現(xiàn)較早,1906年Seillier在蝸牛的消化液中發(fā)現(xiàn)纖維素酶,能分解天

7、然纖維素,1933年Grassman等研究了一種真菌的纖維素酶系,分辨出2個組分,20世紀(jì)40-50年代,對產(chǎn)生纖維素酶的微生物進行了大量的分離篩選,建立起較為完整的分離篩選方法。20世紀(jì)60年代后,由于分離技術(shù)的發(fā)展推動了纖維素酶的分離純化工作,加快了纖維素酶組分作用方式及誘導(dǎo)作用的研究進展,并且實現(xiàn)了纖維素酶制劑的工業(yè)化生產(chǎn),在應(yīng)用上取得了一定的成績。20世紀(jì)70年代有些學(xué)者提出了纖維素酶的作用必須是多種酶協(xié)同作用,才能表現(xiàn)出很強的活性,并提取了這種協(xié)同作用的3種酶。目前,世界酶制劑工業(yè)發(fā)展很快。在世界上只有少數(shù)發(fā)達國家達到工業(yè)化生產(chǎn)條件,如美國的Mil

8、es公司年產(chǎn)2000t，丹麥的NOVO公司年產(chǎn)575