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纤维素酶在酒精发酵中的应用

2024.5.22
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zhaoqisun

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纤维素是一种资源十分丰富的可再生能源。二次大战后,石油开发和石油加工工业飞速发展,以石油加工工业为基础的合成酒精大量生产,其价格低于发酵法酒精,因此大部分发酵酒精厂都倒闭了,特别是纤维酒精厂,只有在前苏联还继续在开工生产。20世纪50年代,木材稀酸水解酒精发酵在前苏联还得到了一定的发展。近20年,由于科学技术的进展,纤维素酶活力的提高;连续制备纤维素酶新工艺的研究取得成功;纤维素预处理技术得到发展;混合酶水解和发酵的新工艺得到应用,连续水解的工艺也有了突破。纤维素制酒精的技术已经通过中间试验阶段,具备工业生产的技术条件。目前,纤维素原料酒精生产的瓶颈在于成本问题。

影响纤维素酶水解酶活的因素有:底物,纤维素酶活以及反应环境(包括温度,pH和其他一些参数)。为了提高酶水解的速度和处理量,现在的研究重点主要在优化水解工艺和提高纤维素酶活。纤维二糖,甚至于葡萄糖对纤维素的酶活都有抑制作用,目前采用的减少抑制的方法有:采用高浓度的酶;水解过程中补充β-葡萄糖苷酶;在水解过程中利用超滤或边糖化边发酵(SSF)以除去糖。SSF已经被广泛的研究用于减小水解的最终产物对酶的抑制作用。在此工艺中,由纤维素水解产生的糖同时被发酵生成酒精,这样就大大的减小了产物对水解的抑制作用。在SSF中常用的微生物是真菌T.reesei和酵母S.cerevisiae 。SSF的最佳温度在38℃左右,这样即考虑了水解的最适温度(45-50℃),又顾及了发酵的最适条件(30℃)。在SSF中,水解是个限速过程。为了使发酵温度更加接近最适酶活温度,一般采用耐热性酵母和细菌。Ballesteros等已经从27株酵母中鉴定了两株菌:Kluyveromyces marxianus和 K.fragilis。他们产酒精的最高温度为42℃。在42℃,以Solka Floc200为培养基,培养78小时,K. marxianus的酒精产量达到0.5g/(g纤维素)。Kadam和Schmidt也发现,以经过处理白杨稀酸液为培养基,在40℃的条件下,一种耐热酵母Candida acidothermophilum能达到的酒精量是理论产量的80%。而Kluyveromyces相对于 Candida和Sacharomyces而言具有更好的耐热性。相对于水解--发酵两步工艺,SSF具有以下优点:

1.通过对酶活有抑制作用的糖的转化,提高了水解的速度;

2.更低的酶用量;

3.更高的底物处理量;

4.由于产生的葡萄糖立刻被除去同时产生酒精,降低了对环境灭菌的要求。

5.缩短了工艺时间;

6.降低了所需反应器的容量,因为只使用一个反应器。然而,酒精对纤维素酶活也有抑制作用。Wu和Lee研究SSF发现,在38℃下,在酒精浓度分别为9、35、60g/l时,纤维素酶活失活量达到9%、36%、64%。

在SSF中需要注意的不利因素有:

1.水解最适温度和发酵最佳温度的不一致;

2.微生物的耐酒精度;

3.酒精对酶的抑制作用。


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