酶工程原理及應(yīng)用-09 纖維素酶與木質(zhì)纖維素

纖維素酶與

木質(zhì)纖維素資源的利用

可持續(xù)發(fā)展

可再生資源清潔生產(chǎn)工藝環(huán)境友好產(chǎn)品

生物質(zhì)資源開發(fā)木質(zhì)纖維素

海洋生物資源微生物技術(shù)

生物加工工藝生物制漿造紙技術(shù)酶法有機(jī)轉(zhuǎn)化綠色生物產(chǎn)品生物酒精、氫能生物農(nóng)藥、可降解塑料目前的工業(yè)生產(chǎn)模式不可持續(xù)化石資源－不可再生資源→資源危機(jī)化石燃料－不可再生能源→能源危機(jī)三廢排放－生態(tài)環(huán)境污染→環(huán)境危機(jī)不可再生的石油資源的困境廉價石油時代終結(jié)了---人類必須戒除“油癮”化石資源是現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代文明的物質(zhì)基礎(chǔ)石油、煤炭、天然氣不僅提供了基本的能源，而且提供了99%的有機(jī)工業(yè)原料。3019902000202020302010205020752100年0510152025我國在世界CO2排放中的比例(%)普京總統(tǒng)簽署正式批準(zhǔn)京都議定書之聯(lián)邦法令即使京都議定書不生效，歐盟都會堅(jiān)守承諾我們愿意做到超越京都議定書的要求全球暖化的威脅超過恐怖主義環(huán)境問題

經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)全球影響化石經(jīng)濟(jì)，付出了巨大的環(huán)境代價（白色污染和溫室效應(yīng)等）生物質(zhì)資源開發(fā)

是人類繼續(xù)生存的必然選擇生物質(zhì)資源為可再生的原料模仿自然界的生物過程，以酶為催化劑，（逐步地）以生物可再生資源為原料，來大規(guī)模生產(chǎn)人類所急需的能源、材料、大宗化學(xué)品、醫(yī)藥等物質(zhì)轉(zhuǎn)化體系的第三次革命煤炭經(jīng)濟(jì)化石原料（石油）經(jīng)濟(jì)碳水化合物經(jīng)濟(jì)依賴化石資源的工業(yè)文明只是人類文明歷史的一幕人類走向生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)時代是一種歷史的回歸，是人類走向可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)步和必然生物質(zhì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)推動下的可持續(xù)發(fā)展社會生物技術(shù)的第三次浪潮資源生物技術(shù)（新能源、新材料等）環(huán)境生物技術(shù)（環(huán)境治理、清潔生產(chǎn)、環(huán)境友好產(chǎn)品等）生物催化加工（新型酶制劑、手性合成等）海洋生物技術(shù)（海洋資源開發(fā)、轉(zhuǎn)化）第一代燃料乙醇大量消耗糧食二氧化碳排放與氣候變暖液體燃料的CO2和能量平衡纖維素資源來源廣、產(chǎn)量大美國政府的三大目標(biāo)2012年：纖維乙醇的生產(chǎn)成本在經(jīng)濟(jì)上具有競爭力

2017年：20in10---10年后，對石油的依賴要降低20％

2030年：30by30---到2030年，美國對石油的依賴降低30%實(shí)現(xiàn)政府的目標(biāo)，需600個年產(chǎn)1億加侖

（30多萬噸）的乙醇廠美國能源部半年宣布多筆巨額投資2月宣布：今后四年，投資3.85億美元，用于6個生物精煉廠項(xiàng)目。總投資將超過12億美元。全面投產(chǎn)后，預(yù)計(jì)每年的纖維質(zhì)乙醇產(chǎn)量將超過1.3億加侖。5月宣布：2007～2011年將投入2億美元資助小規(guī)模纖維素生物煉制的技術(shù)開發(fā)，選擇5～10個項(xiàng)目予以資助，要求申請者自籌50％的經(jīng)費(fèi)。另外，投資2300萬美元資助5個乙醇發(fā)酵菌研究，投3800萬招標(biāo)纖維素酶生產(chǎn)研究。6月宣布：將投入3.75億美元建立三個新的生物能源研究中心，以加大纖維素乙醇和其他生物燃料的基礎(chǔ)研究力度。AbengoaBioenergyBiomass

及Chesterfield公司投資：7600萬美元擬建廠址：堪薩斯州原料：700噸的玉米秸稈、麥秸、高粱稈、柳枝稷以及其他原料/天計(jì)劃年產(chǎn)：1140萬加侖乙醇（約3.5萬噸），產(chǎn)生足夠的電力以供應(yīng)生產(chǎn)設(shè)施，還有富余的能源供給周邊ALICO有限公司

投資：3300萬美元擬建廠址：佛羅里達(dá)州LaBelle郡原料：770噸木材、植物廢棄物等/天計(jì)劃年產(chǎn)：1390萬加侖乙醇（約4.2萬噸），6255千瓦電力，以及每天生產(chǎn)8.8噸氫和50噸氨

BlueFireEthanol有限公司投資：4000萬美元擬建廠址：加利福尼亞州Irvine市

原料：700噸分類的綠色廢料和來自填埋廠的木材廢料

/天計(jì)劃年產(chǎn)：1900萬加侖乙醇（約5.7萬噸）

Broin公司投資：8000萬美元擬建廠址：愛荷華州的Emmetsburg

原料：842噸玉米纖維、芯、秸稈等

/天計(jì)劃年產(chǎn)：1.25億加侖的乙醇，其中大約25%是纖維質(zhì)乙醇

（約10萬噸）參與者：duPont、Novozymes以及能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NationalRenewableEnergyLaboratory）

IogenBiorefineryPartners公司投資：8000萬美元擬建廠址：愛達(dá)荷州的Shelley

原料：700噸的農(nóng)業(yè)殘留物(麥秸、大麥稈、玉米秸、柳枝稷以及稻草等)

/天計(jì)劃年產(chǎn)：1800萬加侖乙醇

（約5.4萬噸）參與者：Iogen能源公司、Iogen公司、GoldmanSachs公司以及荷蘭皇家殼牌集團(tuán)（RoyalDutch/ShellGroup）

RangeFuels公司投資：7600萬美元擬建廠址：喬治亞州的Soperton

原料：1200噸木材殘余物和木基能源作物等

/天年產(chǎn)：4000萬加侖乙醇（約12萬噸）和900萬加侖甲醇能源部生物能源科學(xué)研究中心

DOEBioEnergyScienceCenter位于田納西州，隸屬于能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（DOE’sOakRidgeNationalLaboratory）中心主任為MartinKeller合作單位：喬治亞理工學(xué)院（GeorgiaInstituteofTechnology），能源部國家可再生能源研究室（DOE’sNationalRenewableEnergyLaboratory），喬治亞大學(xué)（UniversityofGeorgia），達(dá)特茅思學(xué)院（DartmouthCollege），田納西大學(xué)（UniversityofTennessee）

能源部聯(lián)合生物能源研究所

DOEJointBioEnergyInstitute位于加利福尼亞州，屬于能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（DOE’sLawrenceBerkeleyNationalLaboratory）所長為JayKeasling合作單位：桑地亞國家實(shí)驗(yàn)室（SandiaNationalLaboratories），能源部勞倫斯利物默國家實(shí)驗(yàn)室（DOE’sLawrenceLivermoreNationalLaboratory），加州大學(xué)伯克利分校（UniversityofCalifornia-Berkeley），加州大學(xué)戴威斯分校（UniversityofCalifornia-Davis），斯坦福大學(xué)（StanfordUniversity）

能源部大湖生物能源研究中心

DOEGreatLakesBioenergyResearchCenter

位于威斯康星州，隸屬于威斯康星大學(xué)，密切合作單位有密執(zhí)根州立大學(xué)（MichiganStateUniversity）中心主任為TimothyDonohue其他合作單位：能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室（DOE’sPacificNorthwestNationalLaboratory），盧錫根公司（LucigenCorporation），佛羅里達(dá)大學(xué)（UniversityofFlorida），伊利諾利州立大學(xué)（IllinoisStateUniversity）和衣阿華州立大學(xué)（IowaStateUniversity）主要試圖生產(chǎn)纖維乙醇的公司Abengoa

ABGOF：Babilafuente(Salamanca),西班牙，2007建立第一家工業(yè)化的纖維素酒精廠Arkenol:酸水解生產(chǎn)酒精ArcherDanielsMidlandADM：利用玉米秸桿AlternativeEnergySources(AENS):玉米淀粉酒精，計(jì)劃轉(zhuǎn)為纖維素酒精BioengineeringResourcesInc.(BRI)：利用廢物生產(chǎn)酒精BlueFire

BFRE

：計(jì)劃用酸水解法生產(chǎn)酒精.Broin

：美國最大的干磨酒精生產(chǎn)商與Novozymes和Dupont合作Celunol

：購買了SunOpta的生物質(zhì)酒精生產(chǎn)專利，計(jì)劃2007在洛杉磯建廠。主要試圖生產(chǎn)纖維乙醇的公司Ceres

：利用基因工程開發(fā)能源作物用于酒精生產(chǎn)，例如柳枝秫switchgrassChevron/NREL:NREL的合作者，可發(fā)NREL專利ColusaBiomassEnergy(CLME.PK):

利用大米殼生產(chǎn)酒精Diversa

DVS

：與DuPont合作研究白螞蟻多種酶降解木材纖維素DuPont：研發(fā)纖維素酒精生產(chǎn)技術(shù)并產(chǎn)業(yè)化(Dupont/Diversa/Broin).Dyadic

DIL

研發(fā)酶發(fā)生產(chǎn)糖與Abengoa合作Genahol

計(jì)劃在LongBeach,CA,Chandler,AZ,Columbus,OH,andOrville,OH建多家纖維素酒精廠Globex

GLXI

研發(fā)超臨界(SCF)流體和酶水解結(jié)合成產(chǎn)纖維素酒精主要試圖生產(chǎn)纖維乙醇的公司GreenStarProductsInc.

GSPI

：研發(fā)無水連續(xù)反應(yīng)器用于纖維素酒精生產(chǎn)IogenCorp.

酶法生產(chǎn)纖維素酒精Kergy

設(shè)計(jì)立足于原材料當(dāng)?shù)氐睦w維素酒精生產(chǎn)NovaFuels(makerofNovahol)：研發(fā)生物質(zhì)-燃料技術(shù)主要是gasificationNovozymes

NVZMF

纖維素酶的研發(fā)PacificEthanol:BillGates在加州，俄勒岡州和愛得華州投資的廠家PureEnergy

研發(fā)兩極稀酸水解流程SunOpta

STKL

：于20年前在法國建立了第一家纖維素酒精廠.計(jì)劃在中國和美國建廠Xethanol

XNL

計(jì)劃于2007年在Augusta,GA建立5千萬加侖的纖維素酒精廠中國面臨的挑戰(zhàn)更嚴(yán)峻我國是世界第二大能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國，2006年能源消費(fèi)總量達(dá)到24.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤；人均能源資源擁有量較低，煤炭人均探明儲量僅占世界平均水平的50%左右，石油、天然氣人均資源量僅為世界平均水平的7.7%和7.1%；能源短缺正成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的瓶頸問題之一。 開發(fā)利用生物質(zhì)能，對于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，緩解化石能源供應(yīng)的緊張局面，保障國家能源安全，建立可持續(xù)發(fā)展的能源供應(yīng)體系，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。中國的石油生產(chǎn)和需求：

-----現(xiàn)狀和預(yù)測開發(fā)生物質(zhì)資源的重大戰(zhàn)略意義減少石油進(jìn)口；平衡外匯收支；保證國家安全促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展；增加就業(yè)機(jī)會；保持社會穩(wěn)定改善城市大氣質(zhì)量；實(shí)現(xiàn)封閉的碳循環(huán)，減少二氧化碳凈排放，減輕溫室效應(yīng)2003年：生物催化與生物轉(zhuǎn)化2004年：極端微生物生物冶金秸桿資源高值化利用2005年：生物基化學(xué)品的生化網(wǎng)絡(luò)2006年：生物煉制細(xì)胞工廠2007年：生物過程工程優(yōu)化973計(jì)劃1,大宗發(fā)酵產(chǎn)品的先進(jìn)發(fā)酵工藝2,生物基化學(xué)品的生物煉制技術(shù)3,工業(yè)酶的分子改造與工程化技術(shù)“十一五”863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目2006年農(nóng)林生物質(zhì)工程重大專項(xiàng)啟動

2007年生物產(chǎn)業(yè)大會和國際生物經(jīng)濟(jì)大會

2020年生物質(zhì)能源替代運(yùn)輸燃料15%

科技部和發(fā)改委中國燃料酒精工業(yè)已經(jīng)起步

中國糧食存在區(qū)域性、階段性過剩，玉米、小麥等被用于生產(chǎn)燃料酒精。2006年產(chǎn)量達(dá)140多萬噸。新建生產(chǎn)能力200萬噸。中國政府面臨兩難境地中國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》要求，我國生物燃料乙醇的年生產(chǎn)能力將在2020年達(dá)到1000萬噸。原計(jì)劃2010年達(dá)500萬噸，但因原料供應(yīng)等問題，可能調(diào)減為200萬噸。國務(wù)院6月7日召開關(guān)于可再生能源的會議，中國將停止在建的煤化工項(xiàng)目和糧食乙醇燃料項(xiàng)目，在不得占用耕地，不得消耗糧食，不得破壞生態(tài)環(huán)境的原則下，堅(jiān)持發(fā)展非糧燃料乙醇。中國的燃料乙醇企業(yè)發(fā)展液體燃料與人爭糧、爭地？

發(fā)展重點(diǎn)---纖維質(zhì)轉(zhuǎn)化目前主要原料：谷物、糖類、油脂近期發(fā)展目標(biāo)：木薯、甘薯、甜高粱長期發(fā)展目標(biāo)：植物纖維資源

纖維質(zhì)原料是自然界最豐富的可再生資源，目前尚未得到充分利用。利用纖維質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇工藝的研究和開發(fā)目前是國內(nèi)外寄予厚望的重點(diǎn)，纖維質(zhì)原料

植物纖維類生物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化纖維素轉(zhuǎn)化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益不過關(guān)？

纖維素轉(zhuǎn)化的社會效益國家經(jīng)濟(jì)安全、能源安全發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的必由之路環(huán)境保護(hù)和社會永續(xù)發(fā)展秸稈發(fā)酵乙醇的主要難題原料分散---集運(yùn)增加成本組分復(fù)雜---必先預(yù)加處理多酶體系---效率急待提高戊糖難用---酵母先要改造

必須繼續(xù)降低生產(chǎn)成本最低銷售價（加侖/美元）酶加工原料纖維素資源來源廣、產(chǎn)量大生物質(zhì)原料資源

目前以及近期：農(nóng)作物以及低消耗或負(fù)消耗的工業(yè)殘余物將是生物質(zhì)的主要來源。中期：農(nóng)業(yè)和森林業(yè)的加工殘余物將為擴(kuò)張的生物精練廠產(chǎn)業(yè)提供大宗的生物質(zhì)原料來源。長期：成熟的生物精練廠產(chǎn)業(yè)將會利用能源作物諸如經(jīng)過轉(zhuǎn)基因改造的快速生長樹木和草類植物。原料先易后難：從工業(yè)廢渣做起未經(jīng)過預(yù)處理：蔗渣、林產(chǎn)加工廢物、食品加工廢物……已經(jīng)過預(yù)處理：造紙廢渣、木糖渣、糠醛渣……開發(fā)原料收集、運(yùn)輸體系木糖代謝途徑工程Thermusthermophilus基因供體菌：XYL1--木糖還原酶(XR)XYL2--木糖醇脫氫酶(XDH)Pichiastipitis

xylA--木糖異構(gòu)酶(XI)

S.cerevisiaePichiastipitisTAL1--轉(zhuǎn)醛醇酶(TAL)TKL1--轉(zhuǎn)酮酶(TKL)XYL3--木酮糖激酶(XK)S.cerevisiae工程菌木糖利用率達(dá)到82.1%，較對照菌提高了4.1倍，酒精產(chǎn)量達(dá)到52.1g/l，較對照菌提高了10.8g/lN127cofermentation010203040506070809010001224364860728496108time(h)concentration(g/l)xylosexylitolglycerolacetateethanolglucose對照菌工程菌必須繼續(xù)降低生產(chǎn)成本最低銷售價（加侖/美元）酶加工原料木質(zhì)纖維素的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)木質(zhì)纖維素原料組分的分離方法

可分離纖維素資源組分的物理、化學(xué)方法：輻射處理、粉碎、高壓熱水、有機(jī)溶劑、稀酸、低溫濃酸、酸催化的蒸汽水解、蒸汽爆碎、液氨爆碎、堿水解及使用非離子表面活性劑等。稀酸預(yù)處理蒸汽爆碎處理低溫氨爆處理濕氧化預(yù)處理

預(yù)處理技術(shù)的比較方法/作用增加表面積纖維素脫晶去半纖維素去木質(zhì)素改變木質(zhì)素結(jié)構(gòu)非催化蒸氣爆破+++--+++--+熱水+++--+++--+熱水（調(diào)pH）+++--+++----熱水（流動)+++--+++++稀酸+++--+++--+++稀酸（流動）+++--+++++++AFEX+++++++++++++ARP+++++++++++++石灰+++--+++++++*:Mosieretal.,2005.BioresourceTechnology96:673-686必須繼續(xù)降低生產(chǎn)成本最低銷售價（加侖/美元）酶加工原料纖維資源生物精練的核心技術(shù)-糖平臺

纖維素酶的生產(chǎn)和纖維素水解妨礙木質(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，是纖維素酶的生產(chǎn)效率低，成本較高。在目前產(chǎn)酶技術(shù)條件下，生產(chǎn)一加侖乙醇需用纖維素酶的生產(chǎn)費(fèi)用約為30-50美分。這就影響了纖維素資源的工業(yè)使用。目前的研究目標(biāo)是將纖維素酶成本減少到低于每加侖乙醇5美分。這需要酶的比活性或生產(chǎn)效率增高約10倍。Costcomparisonafterrecentachievements:Grainvs.biomassinUSD/gallonethanol,April,2005

EnzymecostnolongerdominatesthebioethanolpictureModifiedfrom“DeterminingtheCostofProducingEthanolfromCornStarchandLignocellulosicFeedstocks”,NREL/TP-580-28893jointUSDA,NRELstudyreleasedinOctober2000.30-foldcostreductioninenzymepriceFungalCellulase:

acomplex,interactingenzymemixIdentificationofproteins

secretedbyT.reeseiSwolleninEGIIEGIIIXynIEGIBglIICBHIIEGVCBHIEGII???EGIVCel74UCBglIImprovementofPCS-hydrolyzingcellulasesbyBGaddition

Otherfungal

proteins

asCelluclast-booster~2XreductioninenzymeloadingFungusZ,1XTr+Z(1:1),0.5XTr,1XEffectofRecombinantExpression1.3XCelluclast+A1.000.76Celluclast+A+BPCShydrolsysis,50g-scale,120hr,