木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源,，據(jù)測(cè)算年總產(chǎn)量高達(dá)1500億噸，蘊(yùn)儲(chǔ)著巨大的生物質(zhì)能（6.9×1015千卡）,。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),，作物秸稈(如稻草、麥稈等)的年產(chǎn)量非常巨大(年產(chǎn)可達(dá)7億噸左右,，相當(dāng)于5億噸標(biāo)煤),，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的秸稈利用率33%,，但經(jīng)過(guò)一定技術(shù)處理后利用的僅占2.6%,，其余大部分只是作為燃料等直接利用，開發(fā)前景非常廣闊,。
1,、木質(zhì)纖維素的降解技術(shù)
木質(zhì)纖維素降解可以采用酸水解和酶水解兩條不同的技術(shù)路線來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1.1酸水解技術(shù)
在酸水解工藝中,，可以使用鹽酸或硫酸,，按照使用酸的濃度不同可以進(jìn)一步分為濃酸水解和稀酸水解。法國(guó)早在1856 年即開始進(jìn)行了濃硫酸水解法進(jìn)行乙醇生產(chǎn),，濃酸水解過(guò)程為單相水解反應(yīng),纖維素在濃酸作用下首先溶解,然后在溶液中進(jìn)行水解反應(yīng),。濃酸能夠迅速溶解纖維素,但并不是發(fā)生了水解反應(yīng)。濃酸處理后成為纖維素糊精,變得易于水解(纖維素經(jīng)濃酸溶液生成單糖,由于水分不足,濃酸吸收水分,單糖又生成為多糖,但這時(shí)的多糖不同于纖維素,它比纖維素易于解) ,但水解在濃酸中進(jìn)行得很慢,一般是在濃酸處理之后再與酸分離,使用稀酸進(jìn)行水解,。
稀酸水解木質(zhì)纖維素的技術(shù)可謂歷史悠久，1898年德國(guó)人就嘗試以林業(yè)生產(chǎn)的廢棄物為原料生產(chǎn)乙醇,，并建立了工業(yè)化規(guī)模的裝置,，每噸生物量可以生產(chǎn) 50 加侖的乙醇。與濃酸水解的工藝路線相比,，稀酸水解需要在比較高的溫度下進(jìn)行,，才能使半纖維素和纖維素完全水解。稀酸水解木質(zhì)纖維素通常采用二級(jí)水解的工藝方案：第一級(jí)水解反應(yīng)器的溫度相對(duì)第二級(jí)來(lái)說(shuō)略低一些，比較容易水解的半纖維素可以降解,；第二級(jí)反應(yīng)器主要降解難降解的纖維素,，水解后剩余的殘?jiān)饕悄举|(zhì)素，水解液中和后送入發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵,。
1.2 酶水解技術(shù)
同植物纖維酸法水解工藝相比,酶法水解具有反應(yīng)條件溫和,、不生成有毒降解產(chǎn)物、糖得率高和設(shè)備投資低等優(yōu)點(diǎn),。而妨礙木質(zhì)纖維素資源酶法生物轉(zhuǎn)化技術(shù)實(shí)用化的主要障礙之一,是纖維素酶的生產(chǎn)效率低,、成本較高。目前使用的纖維素酶的比活力較低,單位原料用酶量很大,酶解效率低,產(chǎn)酶和酶解技術(shù)都需要改進(jìn),。為了滿足競(jìng)爭(zhēng)的需要,，生產(chǎn)每加侖乙醇的纖維素酶的成本應(yīng)該不超過(guò)7 美分。但在目前產(chǎn)酶技術(shù)條件下,生產(chǎn)1加侖乙醇需用纖維素酶的生產(chǎn)費(fèi)用約為30～50 美分,。
要實(shí)現(xiàn)纖維素物質(zhì)到再生能源的轉(zhuǎn)化主要有兩點(diǎn)：
首先可以尋找適合于工業(yè)生產(chǎn)的高比活力的纖維素酶,。細(xì)菌和真菌產(chǎn)生的纖維素酶均可以水解木質(zhì)纖維素物質(zhì)，細(xì)菌和真菌中都存在有復(fù)雜的纖維素酶水解系統(tǒng),，雖然其水解微晶纖維素的能力非常強(qiáng),，但是由于其復(fù)合物的分子量十分巨大，并且單個(gè)組份又不具有水解微晶纖維素的能力,，所以人們一直試圖從其他物種中尋找更符合工業(yè)應(yīng)用以及更具有應(yīng)用前景的纖維素酶,。日本一家實(shí)驗(yàn)室從甲蟲中得到一種葡聚糖內(nèi)切酶水解羧甲基纖維素(CMC-Na)的比活力可高達(dá)150IU/mg。中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細(xì)胞生物所的研究人員從福壽螺中發(fā)現(xiàn)了一種纖維素酶EGX,，它不僅具有很高的比活力,，而且具有多種酶的活性，這些結(jié)果可能提示動(dòng)物纖維素酶不但具有應(yīng)用前景,，還具有理論研究意義,。
其次應(yīng)用微生物酶工程技術(shù)提高酶活性。對(duì)于非復(fù)合纖維素酶系統(tǒng)的酶工程,，主要包含三個(gè)研究方向:(1)根據(jù)對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)和催化機(jī)理的研究,，合理地設(shè)計(jì)每一種纖維素酶；(2)對(duì)纖維素酶的定向進(jìn)化,，根據(jù)隨機(jī)突變或分子重組的方法篩選改造后的纖維素酶,；(3)重組纖維素酶體系，提高纖維素對(duì)不溶性纖維素的水解速率或程度,。
此外,應(yīng)用納米技術(shù)進(jìn)行分子設(shè)計(jì),可以“對(duì)號(hào)入座”,制造與纖維素酶結(jié)構(gòu)和功能類似的納米催化劑,獲得新的或更加穩(wěn)定轉(zhuǎn)化的催化途徑,并實(shí)現(xiàn)催化劑的固定重復(fù)循環(huán)使用,。同時(shí),通過(guò)納米傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)酶解/發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行智能化在線監(jiān)控,可以實(shí)時(shí)精確地優(yōu)化動(dòng)態(tài)反應(yīng)條件,提高酶解/發(fā)酵效率。
總之,，隨著生物化學(xué),、分子生物學(xué)以及基因工程等多種交叉學(xué)科的快速發(fā)展,，獲得適合工業(yè)化的高比活力的纖維素酶已指日可待。
2. 發(fā)酵技術(shù)
利用木質(zhì)纖維素原料生物轉(zhuǎn)化酒精主要有幾種途徑:分步水解和發(fā)酵（SHF）,、同時(shí)糖化和發(fā)酵（SSF）和直接微生物轉(zhuǎn)化（DMC）,。
2.1 分步水解和發(fā)酵（SHF）
分步水解和發(fā)酵即纖維素酶法水解與乙醇發(fā)酵分步進(jìn)行，這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是各步都可以在各自的最適溫度下進(jìn)行,，45～50℃ 酶解,，30～35 ℃乙醇發(fā)酵。而其最大也是致命的缺點(diǎn)是在酶解過(guò)程中釋放出來(lái)的糖會(huì)反饋抑制酶的活性,，因此纖維素的濃度無(wú)法提高,，相應(yīng)的要求提高酶用量才能得到一定的乙醇產(chǎn)量。
2.2 同時(shí)糖化和發(fā)酵（SSF）
同時(shí)糖化和發(fā)酵即纖維素酶解與葡萄糖的乙醇發(fā)酵在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行,，酶解過(guò)程中產(chǎn)生的葡萄搪被微生物所迅速利用,，解除了葡萄糖對(duì)纖維素酶的反饋抑制作用，提高了酶解效率,，SSF是目前典型的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇的方法,，國(guó)內(nèi)外的中間試驗(yàn)基本都采用的此法。一方面工廠大罐發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶,，另一方面將原材料進(jìn)行預(yù)處理后加入纖維素酶和酵母菌株進(jìn)行同時(shí)糖化發(fā)酵,，不水解的木質(zhì)素和纖維素殘?jiān)蛛x開來(lái)燃燒提供能量，乙醇則通過(guò)傳統(tǒng)蒸餾工藝回收,。
這種方法相應(yīng)的要求纖維素酶生產(chǎn)成本和周期的降低,，能同時(shí)發(fā)酵五碳糖和六碳糖的轉(zhuǎn)基因酵母，優(yōu)化的預(yù)處理手段以及連續(xù)工藝的開發(fā)和使用,。在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性確定之前,，示范性工廠的長(zhǎng)期運(yùn)行是必然的。
SSF 工藝的主要問(wèn)題是水解和發(fā)酵所需的最佳溫度不能匹配,，45～50℃ 酶解,，30～35℃乙醇發(fā)酵。 SSF常在35～38℃下操作,，這一折中處理使酶的活性和發(fā)酵的效率都不能達(dá)到最大,，Zbangwen等設(shè)計(jì)了非等溫的SSF工藝（NSSF），它包含一個(gè)水解塔和一個(gè)發(fā)酵罐,，不含酵母細(xì)胞的流體在兩者之間循環(huán),。該設(shè)計(jì)使水解和發(fā)酵可在各自最佳的溫度下進(jìn)行，也可消除水解產(chǎn)物對(duì)酶水解的抑制作用,，但顯然也使流程復(fù)雜化了,。
