利用木质纤维素类生物质生产燃料酒精

第３５卷第６期

酿酒

Ｖ０１．３５。№．６

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文章编号：１００２－８１１０（２００８）０６－００６４－０５

利用木质纤维素类生物质生产燃料酒精

施雪华１，余敏１，曲有鹏２，李冬梅ｔ，冯玉杰１

（１哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨１５００９０；２哈尔滨工业大学生物工程研究中心。哈尔滨１５００９０）

摘要：对木质纤维素类物质生产燃料酒精的技术原理，发展状况，存在的问题及前景进行了全面总结，从原料预处理、Ｃｓ的转化、浓醪发酵、未质素利用等几个方面，对燃料酒精的帝ｌ备技术、研究现状与最新进展进行了综述，并结合自己的研究工作，提出了生物质综合利用及燃料酒精发展的战略。关键词：燃料酒精，木质纤维素，生物质中图分类号：ＴＳ２６２．２；ＴＳ２６１．４

文献标识码：Ａ

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（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｕｎｉｃｉｐａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００９０，Ｃｈｉｎａ；

２．ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｐｅｒｆｏｃｕｓｅｄｏｉｌ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｅｌａｌｃｏｈｏｌ，ｌｉｇｎｏｃｅｌｈｌｏｓｅ，ｂｉｏ－－ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ

０前言

容，被誉为可“再生绿色能源”，其发展前景被普遍看好。

能源短缺问题是本世纪人类面临的重大课题之一，虽然目前，生产燃料酒精的原料主要是糖蜜和谷物ｆ，Ｊ，考虑到核能、风能、水电等可以提供大量能量补充，但对于某些用途耕地、人１７１压力等问题，扩大燃料酒精的生产底物势在必行１４Ｉ。的能源，如车用燃料等，仍急待开发。我国自１９９３年起就已成纤维素类物质（简称纤维素，如秸秆等）是地球上数量最大的为原油进口国，且２００４年我国进口原油中４０％用于汽车燃一种可再生资源，每年仅陆生植物就可以产生纤维素约６００料，能源问题已成为关系我国围家安全的重大问题之一。

亿吨嗍。同时，纤维素资源还是最主要的生物质资源，占地球生酒精用作发动机燃料具有优良的性能，同时减少排人大物总量的６０％一８０％ｔ日。而每年用于工业过程或燃烧的纤维素气的温室气体含量【１１，掺烧低于１５％的酒精，发动机不需作改仅占２％左右，还有很大一部分未被利用。因此纤维素类物质动１２１。另外酒精便于储存、输送，并完全与现有的加油站设施相

被看作是最具价值的生产燃料酒精的潜在资源ｍ，以纤维素为原料进行燃料酒精的生产，受到全世界的重视。

收稿日期：２００８—０６—０４

１

木质纤维素类物质生产燃料酒精的原理

作者简介：施雪华，女，高级工程师，主要从事大型仪器分析实验工作。

从表５可以看出Ａ和Ｂ车间酒醅发酵温度变化的不同，高产品质量角度出发，不应该过份追求低温入池，不利于浓香使酒在质量上也存在着一定的差异，主要表现在己酸乙酯含型白酒生香微生物的生长代谢提高产品质量。

量Ａ车间比Ｂ车问低。Ａ车间低温人池，有利于酵母菌的生【参考文献】

长代谢，有利于提高产量，但白酒中的生香微生物最佳生长温【ｌ】沈怡方．白酒生产技术全书【Ｍ】．北京：中国轻工业出版社．

度为３０％一３５。Ｃ，Ａ车间强调低温入池，导致发酵顶温比Ｂ１９９８，２７０—３０

车间低４０Ｃ～５０Ｃ，不利于生香微生物的生长代谢。因此从提

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方数据

第六期施雪华，等：利用木质纤维素类生物质生产燃料酒精

木质纤维素类物质主要含三大成分：纤维素、半纤维素和木质素１８１。纤维素是～种有５００—２５０００个ｐ—Ｄ一吡喃型葡萄糖单体以ｐ—ｌ，４糖苷键连接的直链多糖盹ｍ。纤维素水解后释放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径。半纤维素是由戊糖（木糖、阿拉伯糖）、己糖（甘露糖、葡萄糖、半乳糖）和糖酸所组成的不均一性聚糖，硬木半纤维素中主要含有较多的是木聚糖，但软木半纤维素中则主要是葡甘露聚糖。木聚糖是含量最多的半纤维素，占半纤维素的８０％以上ＩｕＩ。半纤维素水解为木糖等单糖后，可经发酵生成乙醇，但木质素不能转化为乙醇，图１是木质纤维素制备燃料乙醇的技术路线。

圉１木质纤维素制备燃料乙醇的技术路线

２木质纤维素物质生产燃料酒精的关键科学问题和研究进展

２．１纤维素糖化技术

木质纤维素的结构比较复杂，细胞壁中的半纤维素和木质索通过共价键联结成网络结构，纤维素镶嵌其中陋ｍ。木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳碳键连接而成的高分子复合的芳香类聚合物，木质素不能水解为单糖，在纤维索周围形成保护层，防止酸或酶进入纤维素和半纤维的区域，影响纤维素水解忡嘲。半纤维素排列松散，无晶体结构，故比较容易被稀酸水解成单糖。木质纤维素的结构示意图如图２所示：

木质素

半纤维素

＼

结构蛋白

图２木质纤维素结构示意图

另外纤维素分子中的羟基易于和分子内或相邻的纤维素分子上的含氧基团之间形成氢键，这些氢键的存在给纤维素水解带来很大的困难Ｉｌｑ。在纤维素的连续结构中，分子密度大

万　

方数据的地方，成平行排列。定向良好，形成纤维素的结晶性区域。随着致密度的变小。结合程度变弱，分子间空隙变大，定向变差，形成了纤维素的无定型区域。纤维素的无定型区比较容易进行酶水解或化学水解。因此高效利用纤维素的关键在于破坏木质纤维素的网状结构，使纤维素和木质素、半纤维素分离，同时破坏纤维素的结晶结构，使纤维素结构松散，使得酶水解或化学水解更容易进行。

纤维素的水解可以采取化学或生物的方法旧，化学的方法是采用酸水解，生物的方法即利用微生物的酶水解Ｉｔ８１。

１８１９年，Ｂｒａｅｏｎｎｏｔ发现用浓酸可以使纤维素降解成糖，１８９４年Ｓｉｍｏｎｓｏｎ首次用稀酸使木料糖化。１９１０年人们开始研究木材的酸水解法，１９３０年建立起酸水解木材的糖化工业Ｉ一。２０世纪８０年代达到研究的高潮，以后便没有太大的进展。这主要是因为这种方法存在以下问题：设备腐蚀严重．需要耐酸耐压设备，环境污染大嗍。水解所生成的糖有可能发生进一步的分解或聚合反应。水解过程中产生弱酸、糠醛和酚类物质，这些物质对后来的发酵将产生抑制１２１－捌。自２０世纪８０年代后，人们对酶法或生物糖化纤维素的研究逐渐取代了化学法而占据中心地位，由于天然纤维素的结构和成分的高度复杂性，因此欲酶解纤维素必须对原料进行预处理，使原料发生解聚、解链和无定型化的变化，由大的结晶结构变为小的无定型

化的短纤维结构，以利于酶解糖化作用。预处理后的原料通过三种纤维索水解焉单雄捌的协同作用．水解糖化为葡萄糖。如图３所示：这三种水解酶包括葡聚糖内切酶（又称为ＥＧ）、葡聚糖外切酶（又称为ＣＨＢ）和１３一葡萄糖苷酶（ｃ８），首先，由葡聚糖内切酶作用于微纤维的非结晶区。使其露出许多非还原性末端，随后葡聚糖外切酶从非还原性末端依次分解产生纤维二糖，然后，部分降解的纤维素进一步由内切葡聚糖酶和葡聚糖外切酶协同作用，分解生成纤维二糖、三糖等低聚糖，最后由Ｂ一葡聚糖苷酶作用分解成葡萄糖１＂２６－明。纤维素酶水解的限制步骤是葡聚糖内切酶对无定型纤维素的水解，产生新的非还原末端。进而实现葡聚糖外切酶和１３一葡萄糖苷酶的作用。

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图３纤维素的酶水解示意图

但是对于纤维素燃料酒精生产而言，酶解法存在着生产成本高的缺点，纤维素酶的费用占糖化总成本的６０％，占整个生产成本的２０％左右阐。导致纤维素酒精的价格无法与粮食酒精相竞争１２９１，目前难以应用邮１１，为此，全世界都在积极研

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究各种方法以降低纤维素酶的成本。２００１年，美国能源部与诺维信公司合作，资助１４８０万美元，研究纤维素的高效糖化。经３年努力，其关键技术已取得突破性进展，从纤维素物质生产ｌ加仑燃料酒精的纤维素酶成本从５美元降至３０美分。他们计划再经过两年努力，使每生产１加仑酒精的纤维素酶成本降至１０美分。目前对于此方面的报道还仅限于相关网站的新闻报道，尚没有公开的研究文献报道。２．２木糖发酵生产酒精技术

半纤维素通过酸法和酶法水解为单糖比较容易。虽然不同来源的半纤维素其单糖的组成各异，但由于主要成分为木糖，所以对木糖转化的研究已成为利用生物质资源水解产物产业化生产乙醇的重要成败因素之一。木糖过去一直被认为不能被微生物发酵成乙醇。直到ｌ９５９１ｒ２年Ｋａｒｅｚｅｗｓｋａ第一次提出了用木糖发酵乙醇，但这个发现未引起人们的足够重视。直到１９８０年Ｗａｎｇ等人提出嘲，木糖可被一些微生物发酵成乙醇。迄今为止已发现１００多种微生物能代谢木糖发酵生成乙醇，包括细菌、真菌、酵母菌这些菌属对木糖代谢的途径见图４。

能发酵木糖的酵母菌大致分为２大类，一类能在厌氧条件下发酵木糖产生酒精，如嗜鞣管囊酵母。另一类在发酵木糖时需有部分氧存在，如产朊假丝酵母。由于戊糖代谢途径较为复杂。大部分发酵木糖菌株由于在代谢过程中部分戊糖没有转化为酒精而进行辅酶ＮＡＤＰＨ的合成或转化为其它副产物，而不能应用于酒精工业生产。１９８４年ＢｕｆｉｎｅｎｂｅｒｇＩ，Ｉ等人发现树干毕赤酵母发酵木糖的能力优于其它酵母，它能在厌氧条件下较快地发酵木糖产生酒精，但其酒精产率较低。目前自然界中还没有一种微生物发酵木糖的能力能够满足或者接近满足工业化生产的需要，且也没有发现能同时发酵木糖和葡萄糖生产酒精的自然菌种。

区

甲围

图４木糖代谢乙醇发酵途径

上个世纪８０年代初发现酿酒酵母、Ｓｅｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｐｏｍｂｅ可以发酵Ｄ一木酮糖生成乙醇，因而，采用基因工程技术定向地改造微生物菌株，以获得具有优良生产特性的工业菌株成为过去２０多年国外科学家们的不懈努力。这方面的研究Ｔ作包括两个方面；一是将酿酒酵母乙醇合成的相关基因转入能够代谢木糖但是不产酒精的细菌或酵母菌中使后者获得产酒精的能力阑；另一方面是将后者的木糖代谢相关基因转入前者细胞内使其具备利用木糖发酵生产酒精的能力Ｄｑ。

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方数据酒

尽管在用基因工程技术改造细菌以及其它一些酵母菌以提高它们发酵木糖生产乙醇的能力方面做了大量的研究工作并取得了一些进展，但由于目前的研究工作都是在相对孤立或有限范围内进行的，因而虽然取得了较大的进展但仍然不能取得满意的结果。现在大部分研究仍集中在向酿酒酵母中导入木糖还原酶和木糖醇脱氢酶编码基因进行木糖和葡萄糖发酵

酒精嗍，但是由于木糖还原酶和木糖醇脱氢酶在氧化还原过

程中辅因子不平衡，导致副产物木糖醇的积累和甘油等的生成。木糖发酵酒精的产量不高１３０－４０１。目前木糖异构酶基因转入酿酒酵母细胞内因不需要辅助因子，受到研究者们的注意１４１】。其重组菌株具有较高的发酵木糖的能力，但在葡萄糖和木糖混合发酵中，对木糖发酵性能较差，同时出现二次发酵现象，

且反应时间较长嗍。

２．３燃料酒精浓醪发酵

采用酒精的浓醪发酵问题，不仅仅是燃料酒精的问题，也是工业酒精的共性问题。提高发酵液中酒精浓度，是提高木质纤维素利用率、减少酒精发酵行业污染、降低能耗的重要技术手段，提高发酵醪液中酒精浓度意义重大。也是世界性的难题。若发酵液中酒精份含量提高１．０％。则酒精生产能耗可降低６．Ｏ％左右，废水排放量可降低５．Ｏ％左右。目前，我国酒精生产企业中发酵液中酒精含量一般在８％。９％、最高可达

１１．５％～１２．Ｏ％删，国外最高可达２４．∞甜蜘。在过去的１０几年时

间里．酒精浓醪发酵引起了部分研究人员的重视，研究主要集中在酵母的生理生化性质、营养结构调整、合理的发酵工艺等方面。黑龙江华润酒精有限公司使用“安琪超级酿酒酵母及其应用技术”，从酒分１２％（ｖ／ｖ）提高到１４％（ｖ／ｖ），年减少工艺用水量约３２万吨、蒸汽用量４．９万吨，同时减少清液浓缩量达到１５万吨，大大降低了企业水、电、汽能耗，提高了设备利用率，减少了生产线中微生物污染，缓解了企业污水处理的压力阳。但该指标与国外相差较大。

在酒精发酵过程中，酵母菌处于主体地位，研究酵母菌耐酒精的生理机制对于提高发酵工业的酒精产量，探索微生物抵抗不良环境的生命机制具有重要的实际和理论意义。研究

表明，高产酒精酵母对高浓度的酒精表现出很好的耐性是与细胞膜的特性有关，其中酵母原生质膜的特殊组成、培养条件和培养基组成对酵母菌的酒精耐性影响最大。为此。采用分子生物学和代谢工程手段研究酵母的耐酒精机理和耐酒分基因的表达是目前的研究热点。３研究展望

纤维素燃料酒精作为具有战略意义的方向，已被列入国家中长期发展规划中，目前正处于技术突破阶段。结合目前的研究现状，笔者认为需要在以下几个方面重点突破。

３．１

木质纤维素结构与降解特性关系研究

材料科学的发展，使科学家在分子、纳米尺度上认识材料

的微观结构，进而实现对材料的定点操作成为可能。人们对纤维素结构的描述一直停留在对现象的描述上，尚没有定量解

第六期施雪华，等：利用木质纤维素类生物质生产燃料酒精

２００８

析纤维素、半纤维素、木质素以及所含的蛋白等物质之间的微晶态结构。山东大学高培基教授课题组采用ＡＦＭ等手段，观测到了玉米秸秆的分子排列图谱。对于各类木质纤维素分子结构的研究，对于解释不同木质纤维素所表现的不同的降解特性无疑意义重要。

３．２以功能基因组学、蛋白组学、代谢组学为手段，开展重组酿酒酵母研究

生命科学的研究主体一直是观察和认识生命世界的多样性，从生命现象的表面观察日益深入到生命活动的本质的阐明是生物学发展的必然趋势。也是现代生物学的特点。分子生物学使得科学家们能够在基因水平上研究生命活动最本质的内容，在新的高度上揭示生命的奥秘。功能基因组使得分子生物学研究不再局限于从一个或几个基因在某一生命过程中的作用，而是在基因组的范围内研究某一生命现象中究竟有多少基因的参与，如何发挥其功能等等。基因表达谱、蛋白质谱研究越来越受到科学家们的关注，并逐渐形成了一个崭新的前沿领域和热点学科。

酿酒酵母（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ

ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）是重要的模式生

物，它的分子生物学。细胞生物学和遗传学研究极大地推动了生命科学其它学科的发展。１９９６年，酿酒酵母基因组计划完成。在此之后，包括转录组学（ｔｒａｎｓｃｆｉｐｔｏｍｅ）、蛋白组学（ｐｒｏ一｜ｏｏｍｅ）、互动组学（ｉｎｔｅｒａｅｅｏｍｅ）等领域的酿酒酵母功能基因组学研究工作取得了令人瞩目的成就，这些研究工作使我们更加深入的了解了在这些特定条件下，酿酒酵母基因表达与调控、蛋白质的功能修饰与环境的关系，并为研究包括我们人类和高等动植物在内的其它生物体在相同或类似条件下的基因表达与调控及其生理功能提供了大量的信息和研究手段。然而，在酿酒酵母基因组６，０００多个基因中有三分之一多的基因的功能至今仍不清楚，发现这些基因的功能，阐明其表达与调控机制及其与环境的关系，仍将是一个长期的，具有挑战性的工作。

对于木质纤维素类物质转化生产燃料酒精，需要对所涉及的重要微生物菌株（木质纤维素降解菌群、酿酒酵母等）进行深入研究，包括认识和表达这些菌株的功能基因和调控，基因组的差异表达情况，蛋白质组差异修饰情况等。对这些问题的回答，是当前生命科学学科最前沿、最基础的领域之一，也将为在理论上回答和在实践中解决利用地球上最丰富的可再生资源生产最具战略意义、最洁净的液体燃料的问题提供若干原始性创新源头，更为重要的是，为最终解决生物质燃料乙醇的生产技术问题提供完备的理论支持保障。３．３混合菌种构建及用于木质纤维素高效糖化

自然界中木质纤维素的高效降解体系由微生物群落中各种功能菌协同完成，用—个微生物群落代替纯菌株或组成单一的降解酶，应该说这方面的研究遵循自然规律，切实可行。随着现代生物技术的快速发展，对复杂微生物群落的组成和复杂代谢过程的各种调控机制研究所需要的各种分子生物学分析手段正在不断地完善，通过人工调控菌群结构。以完成生

万　

方数据物质的高效降解和非目标产物形成的有效控制，来构建和监控高效木质纤维素糖化的降解菌群。通过分子生态学、酶学和分析化学的方法分析混合菌群在木质纤维素降解过程中，茵群组成的变化、降解酶组成变化和代谢中间产物的组成浓度变化。解析三者相互作用的内在规律，从而深入了解混合菌群降解木质纤维素代谢过程的调控机理，以此为依据，人工调控和进一步优化生物质高效糖化的菌群结构．为实现高效率木质纤维素糖化的工业化提供稳定的高效降解菌群和有效监控的理论依据。

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第六期

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ＷａｓｉｌｅｗｓｋａＭ。ＣｈｏＮＳ，ＨｏｆｒｉｃｈｔｅｒＭ＆ＲｎｇａｌｓｋｉＪ．Ｂｉｅｄｅｇｒｅｄａｔｉｏｎｏｆ

ｌｉｇｎｉｎｂｙｗｈ“ｅｒｏｔｈｎｇｉ．ＦｕｎｇａｌＣｍｎｅｔ．Ｂｉｄ．１９９９．２７：１７５－１８５

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２００４，４：６５５－－６６４

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利用木质纤维素类生物质生产燃料酒精

作者：作者单位：

施雪华，余敏，曲有鹏，李冬梅，冯玉杰， SHI Xue-hua， YU Min， QU You-peng，LI Dong-mei， FENG Yu-jie

施雪华,余敏,李冬梅,冯玉杰,SHI Xue-hua,YU Min,LI Dong-mei,FENG Yu-jie(哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨,150090)，曲有鹏,QU You-peng(哈尔滨工业大学生物工程研究中心,哈尔滨,150090)酿酒

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