纤维素酶在酒精发酵中的应用

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。