纖維素酶在酒精發酵中的應用

纖維素是一種資源十分豐富的可再生能源。二次大戰后，石油開發和石油加工工業飛速發展，以石油加工工業為基礎的合成酒精大量生產，其價格低于發酵法酒精，因此大部分發酵酒精廠都倒閉了，特別是纖維酒精廠，只有在前蘇聯還繼續在開工生產。20世紀50年代，木材稀酸水解酒精發酵在前蘇聯還得到了一定的發展。近20年，由于科學技術的進展，纖維素酶活力的提高；連續制備纖維素酶新工藝的研究取得成功；纖維素預處理技術得到發展；混合酶水解和發酵的新工藝得到應用，連續水解的工藝也有了突破。纖維素制酒精的技術已經通過中間試驗階段，具備工業生產的技術條件。目前，纖維素原料酒精生產的瓶頸在于成本問題。

影響纖維素酶水解酶活的因素有：底物，纖維素酶活以及反應環境（包括溫度，pH和其他一些參數）。為了提高酶水解的速度和處理量，現在的研究重點主要在優化水解工藝和提高纖維素酶活。纖維二糖，甚至于葡萄糖對纖維素的酶活都有抑制作用，目前采用的減少抑制的方法有：采用高濃度的酶；水解過程中補充β-葡萄糖苷酶；在水解過程中利用超濾或邊糖化邊發酵（SSF）以除去糖。SSF已經被廣泛的研究用于減小水解的最終產物對酶的抑制作用。在此工藝中，由纖維素水解產生的糖同時被發酵生成酒精，這樣就大大的減小了產物對水解的抑制作用。在SSF中常用的微生物是真菌T.reesei和酵母S.cerevisiae 。SSF的最佳溫度在38℃左右，這樣即考慮了水解的最適溫度（45-50℃），又顧及了發酵的最適條件（30℃）。在SSF中，水解是個限速過程。為了使發酵溫度更加接近最適酶活溫度，一般采用耐熱性酵母和細菌。Ballesteros等已經從27株酵母中鑒定了兩株菌：Kluyveromyces marxianus和 K.fragilis。他們產酒精的最高溫度為42℃。在42℃，以Solka Floc200為培養基，培養78小時，K. marxianus的酒精產量達到0.5g/(g纖維素)。Kadam和Schmidt也發現，以經過處理白楊稀酸液為培養基，在40℃的條件下，一種耐熱酵母Candida acidothermophilum能達到的酒精量是理論產量的80％。而Kluyveromyces相對于 Candida和Sacharomyces而言具有更好的耐熱性。相對于水解--發酵兩步工藝，SSF具有以下優點：

1.通過對酶活有抑制作用的糖的轉化，提高了水解的速度；

2.更低的酶用量；

3.更高的底物處理量；

4.由于產生的葡萄糖立刻被除去同時產生酒精，降低了對環境滅菌的要求。

5.縮短了工藝時間；

6.降低了所需反應器的容量，因為只使用一個反應器。然而，酒精對纖維素酶活也有抑制作用。Wu和Lee研究SSF發現，在38℃下，在酒精濃度分別為9、35、60g/l時，纖維素酶活失活量達到9％、36％、64％。

在SSF中需要注意的不利因素有：

1.水解最適溫度和發酵最佳溫度的不一致；

2.微生物的耐酒精度；

3.酒精對酶的抑制作用。