咨詢(xún)熱線:0632-3279666 
城市分站 
聯(lián)系我們 
纖維素酶是可以將纖維素分解成寡糖或單糖的蛋白質(zhì)。纖維素酶不是單體酶，而是具有協(xié)同作用的多組分酶系，是一種復(fù)合酶，主要由外切葡聚糖酶、內(nèi)切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等組成。
纖維素酶目前被廣泛用于紡織、造紙、食品、飼料等行業(yè)，是工業(yè)酶中的重要類(lèi)別。纖維素酶是繼淀粉酶（約占25%）和蛋白酶（約占18%）后，全球市場(chǎng)第三大工業(yè)酶（約占15%）。纖維素生物質(zhì)的酶促水解是一種具有潛力的糖的生成方法，產(chǎn)物可以作為多種增值產(chǎn)品（如生物乙醇、有機(jī)酸、抗生素和動(dòng)物飼料）的原料。纖維素的酶促水解優(yōu)于酸性和堿性水解，因?yàn)槊甘强苫厥盏?，能量需求低且無(wú) 污染。細(xì)菌、真菌和放線菌都可以產(chǎn)生纖維素酶，生產(chǎn)成本和纖維素酶產(chǎn)量是該工藝經(jīng)濟(jì)性的主要制約因素。
纖維素酶生產(chǎn)技術(shù)纖維素酶生產(chǎn)需要有適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)方法和培養(yǎng)條件才能得到較高的酶產(chǎn)量。目前， 纖維素酶發(fā)酵方式主要有液體深層發(fā)酵（SmF）、固態(tài)發(fā)酵（SSF） 等。盡管使用固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶在工業(yè)化生產(chǎn)及成本控制上有優(yōu)勢(shì)，但由于生產(chǎn)規(guī)模、工藝參數(shù)控制等瓶頸制約，目前纖維素酶的商業(yè)化生產(chǎn)多在SmF條件下進(jìn)行。
1 纖維素酶液體深層發(fā)酵
纖維素酶液體深層發(fā)酵是酶大規(guī)模生產(chǎn)中常用的技術(shù)，通常在具有可溶性底物的流動(dòng)液體中進(jìn)行發(fā)酵。絲狀真菌如曲霉、青霉和木霉通常在固體培養(yǎng)基中產(chǎn)生大量的纖維素酶，但生產(chǎn)中控制過(guò)程參數(shù)、過(guò)程監(jiān)測(cè)和下游處理等的簡(jiǎn)易性使液體發(fā)酵更為常用。在該技術(shù)中，pH、溫度、底物濃度、誘導(dǎo)劑和培養(yǎng)基組成等各種因素顯著影響纖維素酶的產(chǎn)生。其主要缺點(diǎn)是需要較長(zhǎng)的發(fā)酵時(shí)間而產(chǎn)量較低。在微生物中，常使用細(xì)菌液體深層發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶，但是也可在液體深層發(fā)酵下培養(yǎng)一些真菌如曲霉、青霉、木霉等， 用于生產(chǎn)纖維素酶。
真菌的纖維素分解活性可以根據(jù)培養(yǎng)基以及培養(yǎng)條件而改變。為了提高生產(chǎn)效率，在液體深層發(fā)酵中使用各種合成或天然碳源。例如，Acharya等在28 ℃、pH4 ～ 4.5、120r/min和以蛋白胨作為氮源的條件下觀察到黑曲霉纖維素酶的高活性。同樣，Karthikeyan等研究了青霉菌生產(chǎn)纖維素酶。在添加果糖和硝酸銨、pH3.0和30℃條件下，表現(xiàn)出大的纖維素酶活性。在多種碳源和氮源條件下，黑曲霉生產(chǎn)纖維素酶的大產(chǎn)量是在補(bǔ)充1%羧甲基纖維素或鋸末的察氏培養(yǎng)基、pH5的條件下獲得。
2 纖維素酶固態(tài)發(fā)酵
纖維素酶固態(tài)發(fā)酵是酶在工業(yè)生產(chǎn)中的重要途徑。固態(tài)發(fā)酵不僅有助于將農(nóng)業(yè)廢棄物生物轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品，而且能夠以更少的能源消耗有效地回收利用木質(zhì)纖維素材料。此前，固態(tài)發(fā)酵僅適用于食品領(lǐng)域產(chǎn)品的發(fā)酵，但進(jìn)一步的研究表明這種技術(shù)具有在低成本條件下高 效產(chǎn)酶的優(yōu)勢(shì)。固態(tài)發(fā)酵較低的資本投資和運(yùn)營(yíng)成本使其利于纖維素酶生產(chǎn)商業(yè)化。由于固態(tài)發(fā)酵的離散性質(zhì)，底物的物理化學(xué)特性如結(jié)晶度、床孔隙率和表面積會(huì)影響真菌培養(yǎng)物中纖維素分解酶系統(tǒng)的產(chǎn)生。在固態(tài)發(fā)酵中，溫度、pH和含水量等條件是影響微生物生長(zhǎng)和纖維素酶產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。
農(nóng)業(yè)廢棄物如小麥和大米的麩皮，玉米、小麥和大米的秸稈，甘蔗渣，鋸末等是生產(chǎn)纖維素酶常用的底物。例如，Liu等研究了針對(duì)不同的木質(zhì)纖維素底物，如水稻、小麥、棉花或玉米秸稈、玉米芯，使用煙曲霉生產(chǎn)的纖維素酶進(jìn)行預(yù)處理，以玉米芯為底物實(shí)現(xiàn)內(nèi)切葡聚糖酶的大產(chǎn)量，刺糙青霉在含有預(yù)處理甘蔗渣和麥麩組合的培養(yǎng)基上顯示出纖維素分解酶的大產(chǎn)量。Dutta等研究用小麥和大米的麩皮、稻草作為底物來(lái)生產(chǎn)桔青霉的纖維素酶，所有這些基質(zhì)都支持纖維素酶的生產(chǎn)。黃曲霉BS1能夠有效利用不同的木質(zhì)纖維素底物。
3 兩種發(fā)酵方法的比較
相比于液體深層發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶，固態(tài)發(fā)酵可以更有效地生產(chǎn)。固態(tài)發(fā)酵有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：降低水和能源消耗；減少?gòu)U物產(chǎn)出；可生產(chǎn)更高濃度的產(chǎn)品。此外，液體深層發(fā)酵過(guò)程中纖維素酶的產(chǎn)生受到分解代謝和終產(chǎn)物抑 制，而固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)可顯著避免這些不利因素，因此更具有經(jīng)濟(jì)性。
在工業(yè)發(fā)酵過(guò)程中，微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生產(chǎn)纖維素酶。生產(chǎn)過(guò)程通常受兩個(gè)主要因素影響，即生產(chǎn)位置和生產(chǎn)原料。傳統(tǒng)的纖維素酶生產(chǎn)設(shè)施遠(yuǎn)離纖維素乙醇工廠，采用中 央工廠式統(tǒng)一集中生產(chǎn)，而且一般使用葡萄糖作為主要營(yíng)養(yǎng)成分；而集成生產(chǎn)模式通過(guò)使用纖維素生物質(zhì)代替葡萄糖以降低成本。纖維素酶生產(chǎn)的模式有以下三種。
① 異地生產(chǎn)模式。在這種方法中，纖維素酶在中 央工廠生產(chǎn)并運(yùn)往纖維素乙醇生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。主要原料是葡萄糖、主要輔助原料是含有氮、磷和鉀的混合物。玉米漿也可以作為蛋白質(zhì)來(lái)源添加。發(fā)酵罐產(chǎn)物為含有纖維素酶和其他蛋白質(zhì)的混合物。為了在運(yùn)輸期間保持纖維素酶的活性，需要將其純化，之后通過(guò)物流將纖維素酶運(yùn)輸至乙醇生產(chǎn)工廠。
② 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)模式。纖維素酶的生產(chǎn)方法基本與非現(xiàn)場(chǎng)模式相同，只是纖維素酶工廠獨(dú)立位于乙醇工廠附近。近距離運(yùn)輸減化了純化步驟，可將蛋白質(zhì)混合物直接進(jìn)料至乙醇裝置中?，F(xiàn)場(chǎng)模式的纖維素酶生產(chǎn)規(guī)模需要匹配乙醇工廠的需求，因此纖維素酶的生產(chǎn)規(guī)模一般小于非現(xiàn)場(chǎng)模式。
③ 集成生產(chǎn)模式。將纖維素酶生產(chǎn)及乙醇生產(chǎn)整合。以纖維素替代葡萄糖作為纖維素酶生產(chǎn)的主要原料。該工藝能更好的優(yōu)化菌株、底物和產(chǎn)物等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)相互促進(jìn)，提高 效率。
雖然諾維信公司仍致力于異地生產(chǎn)模式，但其他行業(yè)參與者， 如Dyadic、杜邦和帝斯曼公司已轉(zhuǎn)向現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)模式。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)模式可顯著降低物流成本并簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈，可以生產(chǎn)具有針對(duì)性的酶組合物，來(lái)水解特定生物質(zhì)原料，包括玉米秸稈、小麥秸稈、高粱、木漿和其他能源作物在內(nèi)的各種原料及其組合，確保反應(yīng)在佳條件下運(yùn)行。
5 纖維素酶及纖維素乙醇生產(chǎn)成本
纖維素酶生產(chǎn)成本是影響纖維素乙醇生產(chǎn)成本的重要因素。纖維素酶生產(chǎn)商Dyadic、諾維信和杜邦等公司近年來(lái)通過(guò)不斷研發(fā)纖維素酶生產(chǎn)技術(shù)，以降低纖維素酶成本在纖維素乙醇總成本中的占比。目前每加侖纖維素乙醇中纖維素酶的成本已從2010 年的近2美元降低至約0.30 美元（1加侖＝ 3.7854 升）。
纖維素酶生產(chǎn)模式變化同樣影響纖維素乙醇生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)纖維素酶異地生產(chǎn)模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)纖維素酶成本的實(shí)質(zhì)性降低，纖維素乙醇生產(chǎn)商已采用自有技術(shù)或以技術(shù)許可方式現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)纖維素酶。有數(shù)據(jù)顯示纖維素酶成本分別占異地模式、現(xiàn)場(chǎng)模式及集成模式的28%、22%和10%。而將異地生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)模式或集成生產(chǎn)模式，則能夠分別降低纖維素酶生產(chǎn)成本8%和20%，分別降低纖維素乙醇生產(chǎn)總成本7%和19%。因此實(shí)現(xiàn)纖維素酶的本地化生產(chǎn)是纖維素酶及纖維素乙醇成本實(shí)質(zhì)性下降的關(guān)鍵所在。
郵箱：ren6669@126.com 
電話：0632-3279666 
地址：山東省棗莊市市中區(qū)孟莊鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)移山路6號(hào) 
