植物纤维素原料的生物转化与利用

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1、植物纤维素原料的生物转化与利用2010-03-24植物纤维原料是廉价的可再生资源，我国每年仅农作物秸杆就有7亿多吨，加上数量巨大的工业纤维废渣及城市纤维垃圾，每年可利用的木质纤维原料总量可达20亿t以上。目前，这些资源不但大部分没有得到合理利用，反而常常造成环境污染。植物纤维原料屮纤维素占干重的35%-45%,半纤维素占20%-40%,釆用适宜技术可将它们水解成己糖和戊糖，并进一步转化为乙醇、丁醇、有机酸等重要的工业产品。这方而的研究成杲对于改变传统发酵工业以糖或粮食为主要原料的生产模式，解决人类当前而临的资源及能源供应紧张、环境

2、污染FI趋严重等重大问题，具有十分重要的意义。植物纤维原料生物转化利用的关键技术包括：纤维素酶的生产，纤维原料的预处理，纤维素的酶解糖化，以及利用己糖、戊糖进行微生物发酵等。1纤维素酶的生产纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称，可广泛应用于棉织物生物整理、饲料工业、植物屮药成分提収、纤维素的糖化等众多领域。近年来，纤维素酶在生物质能源工程屮的应用备受关注。纤维素酶是一种复合酶，它主要包括内切型-葡聚糖酶，外切型葡聚糠酶和纤维二糠酶等组分。在降解纤维素的过程中，需要不同组分之间的协同作用。目前用于生产纤维素酶的菌种大多是里氏

3、木霉(Trichodermareesei)的变异株，这些菌株生产的纤维素酶蛋白的比活力较低，尤其是纤维二糖酶的活力明显不足。依靠基因重组技术构建新的产酶菌株,有可能人幅度提高纤维素酶的生产效率。近年来，笔者在纤维素酶生产菌株的基因重组方而做了大量的研究工作，已从黑曲霉(Aspergillusniger)菌丝细胞屮克隆到纤维二糖酶基因，从来自食草动物肠胃的厌氧真菌中克降到比活力较高的内切型纤维素酶基因，并进一步通过转基因的方法，将冃的基因导人里氏木•霉菌丝细胞。这一研究工作得到了国家科技支撑项目基金的资助，冃前己取得长足的进展。通常

4、采用纤维素为里氏木霉合成纤维素酶的碳源及诱导物。随着菌种遗传性状的不断改良，近年来酶活力虽然有了大幅度提高，但由于纤维素是不溶于水的高分子固体物质，传质阻力大、不适于高浓度发酵及连续流加工艺，所以存在着发酵周期长、产酶效率偏低、生产成本高等问题。采用可溶性诱导物替代纤维素固体物质，有利于提高产酶效率、降低纤维素酶的生产成本。在可溶性碳源中，葡萄糖有利于菌种生长，但对纤维素酶的合成有抑制作用。已发现槐糖是纤维素酶基因表达的强诱导物，纤维二糖在低浓度条件下是产酶诱导物，但高浓度时对纤维素酶合成有抑制作用。由于槐糖、纤维二糖价格昂贵，冃

5、前无法应用于实际生产。乳糖对纤维素酶的合成有一定的诱导作用，这种糖在欧美国家比佼常见，但在我国十分稀缺，主要依靠进口，目前价格不断上涨，若用于纤维素酶的规模化生产势必导致成本太高。以葡萄糖为原料，利用葡萄糖转背酶的催化作用，可以定向合成纤维素酶的可溶性诱导物。经高效液相色谱检测证明，葡萄糖的转糖昔产物中含有纤维素酶的强诱导物槐糖。通过进一步优化、调控葡萄糖转昔酶的催化反应，产物屮槐糖质量浓度可达到70g/L以上。在液体深层发酵条件下，菌种通常要经历生长延滞期、快速增长期、稳定期、衰亡期等几个阶段，而纤维素酶主要在稳定期中大量形成。

6、釆用可溶性碳源替代纤维素固体物料，可以显著减少传质阻力、改善溶氧条件，缩短生长延滞期；可溶性碳源适用于连续的流加培养,在稳定期屮连续流加新鲜培养料，有利于纤维素酶的持续、大量形成。在国家“863”项目经费资助下，笔者已完成屮试及放大试验，在50t发酵罐中，纤维素酶活力（滤纸酶活力）达到了120IU/mL以上。目前该项纤维素酶生产技术已在河南天冠集团产能3000t/a纤维乙醇示范装置中得到了成功应用。2利用纤维素原料代替粮食生产酒精酒精是一种重要的发酵产品，广泛应用于医药、化工、食品等领域。近年來，由于石油等一次性矿质资源的加速消耗

7、以及环境污染的日益加剧，酒精作为安全、洁净的燃料及汽油添加剂已经备受关注。美国已通过了一项能源法案，要求汽油供应商在2012年前，每年在出售的燃料中添加80亿加仑（1加仑=4.55L）的酒精。欧盟委员会提出到2010年运输燃料的5.75%将用燃料乙醇等生物燃料替代，到2020年这-比例将提高到20%c传统的酒精发酵工业常以粮食（玉米、蒋干、大米）或糖蜜等为原料。我国的国情是人口众多而人均可耕地面积不足1.5亩（1市二666.67m2）,由于粮食供应紧张的情况无法得到根本改变，利用粮食发酵生产燃料酒精的规模将受到制约。糖料作物虽然具

8、有产量高、容易利用的优毎，但在我国利用糖料作物生产燃料酒精也将受到土地和水资源的限制而无法大规模推广。我国的植物纤维素资源非常丰富，利用可再生纤维素原料代替粮食生产酒精，是我国酒精工业可持续发展的正确方向。纤维素的水解糖化是利用秸秆资源生产燃料酒精