木質纖維素是地球上最豐富的可再生資源，據(jù)測算年總產(chǎn)量高達1500億噸,，蘊儲著巨大的生物質能（6.9×1015千卡）。我國是一個農(nóng)業(yè)大國,，作物秸稈(如稻草,、麥稈等)的年產(chǎn)量非常巨大(年產(chǎn)可達7億噸左右，相當于5億噸標煤),，據(jù)統(tǒng)計,，目前的秸稈利用率33%，但經(jīng)過一定技術處理后利用的僅占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,、木質纖維素的降解技術
木質纖維素降解可以采用酸水解和酶水解兩條不同的技術路線來實現(xiàn),。
1.1酸水解技術
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一步分為濃酸水解和稀酸水解,。法國早在1856 年即開始進行了濃硫酸水解法進行乙醇生產(chǎn),，濃酸水解過程為單相水解反應,纖維素在濃酸作用下首先溶解,然后在溶液中進行水解反應。濃酸能夠迅速溶解纖維素,但并不是發(fā)生了水解反應,。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) ,但水解在濃酸中進行得很慢,一般是在濃酸處理之后再與酸分離,使用稀酸進行水解,。
稀酸水解木質纖維素的技術可謂歷史悠久，1898年德國人就嘗試以林業(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行,，才能使半纖維素和纖維素完全水解。稀酸水解木質纖維素通常采用二級水解的工藝方案：第一級水解反應器的溫度相對第二級來說略低一些,，比較容易水解的半纖維素可以降解,；第二級反應器主要降解難降解的纖維素，水解后剩余的殘渣主要是木質素,，水解液中和后送入發(fā)酵罐進行發(fā)酵,。
1.2 酶水解技術
同植物纖維酸法水解工藝相比,酶法水解具有反應條件溫和、不生成有毒降解產(chǎn)物,、糖得率高和設備投資低等優(yōu)點,。而妨礙木質纖維素資源酶法生物轉化技術實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)酶和酶解技術都需要改進,。為了滿足競爭的需要，生產(chǎn)每加侖乙醇的纖維素酶的成本應該不超過7 美分,。但在目前產(chǎn)酶技術條件下,生產(chǎn)1加侖乙醇需用纖維素酶的生產(chǎn)費用約為30～50 美分,。
要實現(xiàn)纖維素物質到再生能源的轉化主要有兩點：
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。細菌和真菌產(chǎn)生的纖維素酶均可以水解木質纖維素物質,，細菌和真菌中都存在有復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，但是由于其復合物的分子量十分巨大,，并且單個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)應用以及更具有應用前景的纖維素酶。日本一家實驗室從甲蟲中得到一種葡聚糖內切酶水解羧甲基纖維素(CMC-Na)的比活力可高達150IU/mg,。中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細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,，這些結果可能提示動物纖維素酶不但具有應用前景,，還具有理論研究意義。
其次應用微生物酶工程技術提高酶活性。對于非復合纖維素酶系統(tǒng)的酶工程,，主要包含三個研究方向:(1)根據(jù)對纖維素結構和催化機理的研究,，合理地設計每一種纖維素酶；(2)對纖維素酶的定向進化,，根據(jù)隨機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，提高纖維素對不溶性纖維素的水解速率或程度,。
此外,應用納米技術進行分子設計,可以“對號入座”,制造與纖維素酶結構和功能類似的納米催化劑,獲得新的或更加穩(wěn)定轉化的催化途徑,并實現(xiàn)催化劑的固定重復循環(huán)使用,。同時,通過納米傳感器和無線網(wǎng)絡對酶解/發(fā)酵過程進行智能化在線監(jiān)控,可以實時精確地優(yōu)化動態(tài)反應條件,提高酶解/發(fā)酵效率。
總之,，隨著生物化學,、分子生物學以及基因工程等多種交叉學科的快速發(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
利用木質纖維素原料生物轉化酒精主要有幾種途徑:分步水解和發(fā)酵（SHF）,、同時糖化和發(fā)酵（SSF）和直接微生物轉化（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)酵分步進行,，這種方法最大的優(yōu)點就是各步都可以在各自的最適溫度下進行，45～50℃ 酶解,，30～35 ℃乙醇發(fā)酵,。而其最大也是致命的缺點是在酶解過程中釋放出來的糖會反饋抑制酶的活性，因此纖維素的濃度無法提高,，相應的要求提高酶用量才能得到一定的乙醇產(chǎn)量,。
2.2 同時糖化和發(fā)酵（SSF）
同時糖化和發(fā)酵即纖維素酶解與葡萄糖的乙醇發(fā)酵在同一個反應器中進行，酶解過程中產(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是目前典型的木質纖維素生產(chǎn)乙醇的方法,，國內外的中間試驗基本都采用的此法,。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行預處理后加入纖維素酶和酵母菌株進行同時糖化發(fā)酵,，不水解的木質素和纖維素殘渣分離開來燃燒提供能量,，乙醇則通過傳統(tǒng)蒸餾工藝回收。
這種方法相應的要求纖維素酶生產(chǎn)成本和周期的降低,，能同時發(fā)酵五碳糖和六碳糖的轉基因酵母,，優(yōu)化的預處理手段以及連續(xù)工藝的開發(fā)和使用。在經(jīng)濟和技術可行性確定之前,，示范性工廠的長期運行是必然的,。
SSF 工藝的主要問題是水解和發(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)酵的效率都不能達到最大，Zbangwen等設計了非等溫的SSF工藝（NSSF）,，它包含一個水解塔和一個發(fā)酵罐,，不含酵母細胞的流體在兩者之間循環(huán)。該設計使水解和發(fā)酵可在各自最佳的溫度下進行,，也可消除水解產(chǎn)物對酶水解的抑制作用,，但顯然也使流程復雜化了。
