木質(zhì)纖維素水解發(fā)酵制備燃料乙醇

木質(zhì)纖維素水解發(fā)酵制備燃料乙醇技術(shù)綜述西南交通大學(xué)郭曼摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械化程度的提高，燃料能源短缺現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。開(kāi)發(fā)石化能源的替代品已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。纖維素乙醇是一種清潔且資源豐富的可再生能源，其具有廣闊的發(fā)展前景，將成為未來(lái)最重要的可再生能源之一。本文綜述了纖維素制取乙醇的原理、纖維素乙醇生產(chǎn)技術(shù)、國(guó)內(nèi)外纖維素乙醇研究及應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展纖維素乙醇的意義，分析了纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化亟待解決的技術(shù)問(wèn)題，指出了今后研發(fā)方向。關(guān)鍵詞：纖維素；乙醇；燃料乙醇前言能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，它既是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力，又是衡量綜合國(guó)力、國(guó)家文明發(fā)達(dá)程度和人民生活水平的重要指標(biāo)。工業(yè)化的發(fā)展及人口的膨脹對(duì)自然資源的巨大消耗和大規(guī)模的開(kāi)采，已導(dǎo)致地球上現(xiàn)有資源的削弱、退化、枯竭，資源與環(huán)境問(wèn)題已成為當(dāng)前世界人類面臨的重要問(wèn)題之一。利用新技術(shù)創(chuàng)造出新的能源形式以滿足人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，已成為解決現(xiàn)有能源日益枯竭問(wèn)題的必要手段。在新能源開(kāi)發(fā)方面，生物技術(shù)被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的技術(shù)，必將在解決人類所面臨的能源危機(jī)方面發(fā)揮大的作用。近年來(lái)，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，尤其是亞洲國(guó)家新興經(jīng)濟(jì)體的出現(xiàn)，原油消耗量大幅度增加，原油價(jià)格持續(xù)走高，開(kāi)發(fā)石化能源的替代品已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。由于生物燃料具有可補(bǔ)充石化燃料資源、降低石油資源對(duì)外依存度、減少溫室氣體和污染物排放的特點(diǎn)，近年來(lái)受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。乙醇能源以其環(huán)保、可再生、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)已成為一種重要的替代能源。木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源，也是當(dāng)前利用率最低的資源，是各國(guó)新資源戰(zhàn)略的重點(diǎn)。中國(guó)可利用的木質(zhì)纖維素每年在7億噸左右，這些豐富而廉價(jià)的自然資源主要來(lái)源于農(nóng)林業(yè)廢棄物、工業(yè)廢棄物和城市廢棄物。所以，纖維素乙醇是未來(lái)發(fā)展的必然方向。1、纖維素生物質(zhì)制備乙醇技術(shù)纖維素生物質(zhì)是由纖維素（30-50%），半纖維素（20-40%），和木質(zhì)素（15-30%）組成的復(fù)雜材料。纖維質(zhì)生物質(zhì)中的糖以纖維素和半纖維素的形式存在。 纖維素中的

六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一樣，可以用傳統(tǒng)的酵母發(fā)酵成乙醇。而半纖維素中含有的糖主要為五碳糖，傳統(tǒng)的酵母無(wú)法經(jīng)濟(jì)地將其轉(zhuǎn)化為乙醇每一種植物的確切成分都不盡相同。纖維素存在于幾乎所有的植物生命體中，是地球上最豐富的分子。將木質(zhì)纖維素類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料乙醇，必須首先將木質(zhì)纖維素降解為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，然后纖維素或半纖維素降解為葡萄糖或戊糖，最后將單糖發(fā)酵為乙醇。一直以來(lái)，將纖維質(zhì)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇是科學(xué)家們面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。酸、高溫等苛刻的條件都曾經(jīng)被用來(lái)嘗試將纖維素分子打斷、水解成單一的糖。隨著石油資源的逐漸枯竭和環(huán)境的日益惡化，大力推廣使用可再生能源技術(shù)已成為許多國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，以減少對(duì)化石能源的依賴和溫室氣體的排放。纖維素乙醇技術(shù)，是一種高端的清潔能源技術(shù)，因?yàn)樗梢员挥脕?lái)替代傳統(tǒng)的糧食乙醇技術(shù)，利用地球上廣泛存在的纖維素質(zhì)生物原料生產(chǎn)清潔的乙醇燃料， 被寄予了很高的期望。2、纖維素酶的分類和作用機(jī)制2.1纖維素酶的分類纖維素酶是降解纖維素原料生成葡萄糖的一組酶的總稱，它不是單種酶，而是起協(xié)同作用的多組分酶系。根據(jù)其催化功能不同分為：①內(nèi)切葡萄糖苷酶（Cx酶），該酶隨機(jī)水解6-1,4糖苷鍵，將長(zhǎng)鏈纖維素分子截短，產(chǎn)生大量帶非還原性末端的小分子纖維素；②外切葡萄糖苷酶（C1酶），它能從纖維素分子的還原或非還原端切割糖苷鍵，生成纖維二糖；③6-葡萄糖苷酶（纖維二糖酶），它把纖維二糖降解成單個(gè)葡萄糖分子。只有它們協(xié)同作用，才能把纖維素分子降解成葡萄糖。2.2纖維素酶的作用機(jī)制纖維素酶降解纖維素時(shí)，先吸附到纖維素表面，然后其中的內(nèi)切酶在葡聚糖鏈的隨機(jī)位點(diǎn)水解底物產(chǎn)生寡聚糖，外切酶從葡聚糖鏈的還原或非還原端進(jìn)行水解產(chǎn)生纖維二糖，6-葡萄糖苷酶水解纖維素二糖為葡萄糖，這三類酶“協(xié)同作用”最終將纖維素降解為葡萄糖。醇"HI醇"HI3、利用纖維素制取燃料乙醇的基本原理纖維素廢棄物的主要有機(jī)成分包括半纖維素、纖維素、和木質(zhì)素3部分。前兩者都能被水解為單糖，單糖再經(jīng)發(fā)酵生成乙醇，而木質(zhì)素不能被水解且在纖維素周圍形成保護(hù)層，影響纖維素水解。半纖維素是由不同多聚糖構(gòu)成的混合物，聚合度較低，也無(wú)晶體結(jié)構(gòu)，故較易水解。半纖維素水解產(chǎn)物主要是木糖，還包括少量的阿拉伯糖、葡糖糖、半乳糖和甘腐糖，含量因原料不同而不同。纖維素的性質(zhì)很穩(wěn)定，只有在催化劑存在下，其水解反應(yīng)才能顯著進(jìn)行。常用的催化劑是無(wú)機(jī)酸和纖維素酶，由此分別形成了酸水解和酶水解工藝，其中酸水解又可分為濃酸水解工藝和稀酸水解工藝。纖維素經(jīng)水解可生成葡萄糖，易于發(fā)酵成乙醇。4、利用纖維素制取燃料乙醇的工藝4.1生物化學(xué)法生產(chǎn)纖維素乙醇從木質(zhì)纖維素出發(fā)生產(chǎn)燃料乙醇，首先必須將生物大分子降解為能夠被酵母或細(xì)菌代謝合成乙醇的小分子糖類物質(zhì)。目前工業(yè)上使用的流程如圖1所示。原料纖維f預(yù)處理f水解糖化 發(fā)酵三酒精酸或酶酵母酸或酶圖1.纖維素乙醇的生產(chǎn)流程生化法生產(chǎn)纖維素乙醇有3個(gè)關(guān)鍵步驟，即生物質(zhì)預(yù)處理、纖維素水解和單糖發(fā)酵。由于木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)緊湊，纖維素難于被生物酶水解，通過(guò)生物質(zhì)預(yù)處理，改變天然纖維的結(jié)構(gòu)，分離纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，增加纖維素與酶的接觸面積，可提高纖維素的酶解效率。纖維素酶水解是生產(chǎn)纖維素乙醇的關(guān)鍵步驟，酶水解具有反應(yīng)條件溫和，無(wú)劇毒副產(chǎn)物，糖化效率高，可以和發(fā)酵過(guò)程耦合等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具有優(yōu)勢(shì)的纖維素水解技術(shù)。（1）原料預(yù)處理天然纖維素材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)非常復(fù)雜，主要是纖維素的高度結(jié)品性和木質(zhì)化，阻礙了酶與纖維素的接觸，使其難以直接被生物降解。對(duì)大多數(shù)天然纖維素材料來(lái)說(shuō)，直接進(jìn)行酶促水解，酶解率一般都非常低(<20%)，因此必須對(duì)原料進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理，以破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，釋放出纖維素和半纖維素。木質(zhì)纖維素分子內(nèi)和分子間存在氫鍵，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且結(jié)品度高、反應(yīng)活性低。其含有的木質(zhì)素和半纖維素在空間上可阻礙甚至封閉纖維素分子與酶或化學(xué)試劑的接觸，酶可及度差，更增加了水解的難度。通過(guò)預(yù)處理脫除木質(zhì)素和半纖維素，消除空間障礙，降低纖維素的聚合度和結(jié)品度，同時(shí)避免或消除不利于酶解和發(fā)酵的因素，有利于纖維素的降解和發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的預(yù)處理方法主要有：.物理處理法可破壞木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)，降低結(jié)品度，包括球磨、剪切、擠壓等，其中最有效的是球磨，但因能耗高而很少采用。.稀酸處理法用稀酸在較低的溫度下處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，可降解其半纖維素，生成單糖和可溶性低聚糖，提高原料的酶可及度及纖維素的可消化性。該法效果較好、成本較低，已得到廣泛應(yīng)用。尤其用于將半纖維素中的木聚糖轉(zhuǎn)化為木糖，再經(jīng)微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。.堿處理法用NaOH、Ca(OH)2等堿性試劑處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，脫除木質(zhì)素，提高纖維素的酶可及度。預(yù)處理對(duì)酶解糖化效率和乙醇生產(chǎn)成本影響極大。.濕法氧化處理法指水、氧化劑等在高溫、一定壓力下氧化降解木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的過(guò)程。堿性條件可防止纖維素破壞，使木質(zhì)素和半纖維素溶于堿液，與纖維素分離，且形成的糠醛等副產(chǎn)物較少。.蒸汽爆碎處理法該法是比較有效、低成本和無(wú)污染的新技術(shù)。向裝有木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的壓力罐通入高壓蒸汽，使罐溫度達(dá)到200?240°C左右，維持較短時(shí)間(30s?20min)后，突然減壓將物料噴出，使物料爆碎。在高溫條件下，原料中的半纖維素會(huì)迅速分解釋放出有機(jī)酸，進(jìn)而發(fā)生自水解作用而溶化。細(xì)胞間的木質(zhì)素也能出現(xiàn)熔化，并發(fā)生部分降解，變得易被熱水、有機(jī)溶劑或稀堿抽提。加上突然減壓爆碎的機(jī)械分離作用，使植物細(xì)胞間質(zhì)或細(xì)胞壁變疏松，細(xì)胞游離，纖維素的可消化性明顯增強(qiáng)。（2）纖維素水解糖化水解主要是為了將纖維素等多糖水解轉(zhuǎn)化為單糖，主要方法包括酸水解法和生物酶水解法。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。濃酸水解的原理是結(jié)品纖維素在較低溫度下可完全溶解在硫酸中，轉(zhuǎn)化成含幾個(gè)葡萄糖單元的低聚糖。把此溶液加水稀釋并加熱，經(jīng)一定時(shí)間后就把低聚糖水解成葡萄糖。濃酸水解的優(yōu)點(diǎn)是糖的回收率高（可達(dá)90%以上），可以處理不同原料，相對(duì)迅速（10?12h），并極少降解。在纖維素的稀酸水解中，溶液中的氫離子可和纖維素上的氧原子相結(jié)合，使其變得不穩(wěn)定，容易和水反應(yīng)，纖維素長(zhǎng)鏈在該處斷裂，同時(shí)又放出氫離子，從而實(shí)現(xiàn)纖維素長(zhǎng)鏈的連續(xù)解聚，直到分解成為最小的單元葡萄糖。由于酸對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的腐蝕作用，特別是高溫條件下稀酸的強(qiáng)烈腐蝕作用，酸水解反應(yīng)器不得不采用價(jià)格昂貴的貴金屬合金或非金屬材料制造，使得木質(zhì)纖維素的酸水解技術(shù)難以適應(yīng)燃料乙醇生產(chǎn)規(guī)模大、產(chǎn)品附加值低的特點(diǎn)。同時(shí)，水解所生成糖還有可能發(fā)生進(jìn)一步分解或聚合反應(yīng)，水解同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一些抑制生物生長(zhǎng)副產(chǎn)物，給后續(xù)酒精發(fā)酵帶來(lái)困難。酶水解技術(shù)纖維素的酶降解技術(shù)以其反應(yīng)條件溫和的突出特點(diǎn)為大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用木質(zhì)纖維素資源開(kāi)辟了一條全新的途徑，盡管在目前條件下，纖維素酶的價(jià)格相對(duì)于燃料乙醇生產(chǎn)來(lái)說(shuō)還十分昂貴，噸燃料乙醇生產(chǎn)纖維素酶的成本高達(dá)一百美元以上，但是我們相信，隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，特別是通過(guò)基因工程技術(shù)構(gòu)建纖維素酶表達(dá)量高的工程菌株，在蛋白質(zhì)工程和功能基因組學(xué)原理基礎(chǔ)上，對(duì)纖維素酶分子進(jìn)行理性設(shè)計(jì)以提高其催化活性，木質(zhì)纖維素的酶解技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模燃料乙醇生產(chǎn)不會(huì)遙遠(yuǎn)，在美國(guó)政府能源部資助下，杰能科（Genencor）公司目前正在研究開(kāi)發(fā)燃料乙醇生產(chǎn)用纖維素酶，并預(yù)期到2005年，將燃料乙醇生產(chǎn)用纖維素酶的成本降低到目前的十分之一。⑶纖維素乙醇發(fā)酵工藝發(fā)酵工藝主要是用微生物將單糖降解為乙醇，結(jié)合水解和發(fā)酵過(guò)程，發(fā)酵主要有以下幾種工藝：水解發(fā)酵二段法（SHF）將纖維素先用纖維素酶糖化，再經(jīng)酵母發(fā)酵成酒精的方法，即水解發(fā)酵二段法。這種方法可以分別使用水解和發(fā)酵各自的最適條件，但是酶水解產(chǎn)生的產(chǎn)物（纖維二糖和葡萄糖）會(huì)反饋抑制水解反應(yīng)。為了克服水解產(chǎn)物的抑制，必須不斷將其從發(fā)酵罐中移出。采取方法有：減壓發(fā)酵法、快速發(fā)酵法。同步糖化發(fā)酵（SSF）在加入纖維素酶的同時(shí)接種酒精發(fā)酵的酵母，可使生成的葡萄糖立即被酵母發(fā)酵成酒精；酶水解產(chǎn)物葡萄糖由菌體不斷發(fā)酵而被利用，消除葡萄糖因濃度高對(duì)纖維素酶反饋抑制，酒精得率可明顯提高。這就是所謂的同步糖化發(fā)酵技術(shù)。（如圖2所示）。該工藝可以提高生產(chǎn)效率，降低成本，但是由于糖化和發(fā)酵溫度不協(xié)調(diào)，成為了制約該工藝的一個(gè)因素。目前的解決策略是采用耐高溫酵母（如假化酵母、克勞林比酵母）發(fā)酵產(chǎn)酒精。固定化細(xì)胞發(fā)酵法固定化細(xì)胞發(fā)酵具有能使發(fā)酵器內(nèi)細(xì)胞濃度提高，細(xì)胞可連續(xù)使用，使最終發(fā)酵液酒精濃度得以提高。纖維素酶半纖維素水解糖圖2木質(zhì)纖維素的同步水解與發(fā)酵工藝流程4.2生物合成氣制取纖維素乙醇法生物質(zhì)合成氣制備乙醇的方法集成了熱化學(xué)和生物發(fā)酵兩種工藝過(guò)程。首先，通過(guò)氣化反應(yīng)裝置把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成富含CO、CO2和H2的中間氣體，這些氣體被稱作生物質(zhì)合成氣；然后，再通過(guò)化學(xué)催化轉(zhuǎn)化或微生物發(fā)酵技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為乙醇。生物質(zhì)合成氣制乙醇

工藝過(guò)程可將全部生物質(zhì)通過(guò)流化床氣化過(guò)程轉(zhuǎn)化成合成氣，既提高生物質(zhì)的利用率，也可解決木質(zhì)素廢液的處理問(wèn)題。5、纖維素制取燃料乙醇的國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀早在20世紀(jì)70年代的第一次石油危機(jī)時(shí)，美國(guó)就開(kāi)始了用秸稈等木質(zhì)纖維素類物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的研究。在政府大力倡導(dǎo)下，酒精燃料在美國(guó)燃料市場(chǎng)上份額已達(dá)8%。第一家商業(yè)性轉(zhuǎn)化纖維質(zhì)為酒精工廠1998年10月由BCInternational在路易斯安那Jennings破土動(dòng)工，該廠以蔗渣和稻殼為原料，年產(chǎn)酒精20X106加侖。2006年1月，布什總統(tǒng)提出“先進(jìn)能源計(jì)劃”，為美國(guó)能源部的清潔能源研究增加22%的投入。因此2007年2月28日美國(guó)能源部部長(zhǎng)宣布：在今后4年中，能源部將投資3.85億美元，用于支持包括上述兩家加拿大和西班牙公司在內(nèi)的6個(gè)非傳統(tǒng)原料(木片、秸稈、柳枝稷等)生物精煉化工廠項(xiàng)目。在巴西在生產(chǎn)纖維素乙醇方面也走在了世界前列，政府一方面制定政策限制石油消費(fèi)，一方面開(kāi)辟大量土地種植糖蔗，利用榨汁后蔗渣發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精。在巴西，3/4新車既可以使用乙醇又可以使用汽油作燃料。2003年巴西的雙燃料汽車還只占市場(chǎng)總銷量的6%，2005年就高達(dá)73%。此外，加拿大艾歐基(Iogen)公司和西班牙的Abengoa生物能源公司都在積極嘗試大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)纖維素乙醇。我國(guó)國(guó)內(nèi)很早關(guān)注纖維素乙醇的生產(chǎn)研究，中國(guó)科學(xué)院早在1980年在廣州召開(kāi)“全國(guó)纖維素化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議”，把開(kāi)發(fā)利用纖維素資源作為動(dòng)力燃料提到議事日程。進(jìn)入“九五”、“十五”期間，秸稈轉(zhuǎn)化乙醇技術(shù)再次受到國(guó)家重視。華東理工大學(xué)能源化工系顏涌捷教授及其課題組開(kāi)發(fā)的纖維素廢棄物稀鹽酸水解法制取乙醇技術(shù)，被列為國(guó)家863重點(diǎn)科研項(xiàng)目。進(jìn)行了該技術(shù)項(xiàng)目的工業(yè)性試驗(yàn)，現(xiàn)已在上海郊區(qū)集賢建成了年產(chǎn)燃料乙醇600t的實(shí)驗(yàn)裝置。中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所已在山東澤生生物科技有限公司建立了年產(chǎn)3000t秸稈酶解發(fā)酵燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化示范工程。河南天冠集團(tuán)用秸稈生產(chǎn)乙醇的年產(chǎn)300t乙醇的中試生產(chǎn)線已建成投產(chǎn)。由于國(guó)內(nèi)在酶生產(chǎn)技術(shù)、戊糖發(fā)酵菌株構(gòu)建等方面還沒(méi)有取得根本性突破，所以整體說(shuō)生產(chǎn)技術(shù)尚未完全成熟。醇"Hl醇"Hl6、發(fā)展纖維素乙醇技術(shù)的意義生物能源主要有生物柴油和生物乙醇等形式。生物柴油與普通柴油相比，具有可再生、已于生物降解、燃燒污染物排放低、溫室氣體排放低等特點(diǎn)。但生物柴油仍存在一些缺點(diǎn)，比如菜籽油為原料生產(chǎn)的生物柴油成本高、用化學(xué)方法合成生物柴油工藝復(fù)雜、能耗高、設(shè)備投入大、酯化產(chǎn)物難于回收，回收成本高等。生物乙醇以淀粉質(zhì)（如：玉米、馬鈴薯、大麥、大米、高粱等）、糖質(zhì)（如：甘蔗、甜酒、糖蜜等）、纖維素（如：農(nóng)作物秸稈、森林采伐和木材加工剩余物、柴草、造紙廠和造糖廠含有纖維素的下腳料、生活垃圾的一部分等）為原料，經(jīng)過(guò)一系列物理、化學(xué)、生物化學(xué)過(guò)程轉(zhuǎn)化為乙醇，其燃燒所釋放的二氧化碳量等于通過(guò)光合作用和酒精發(fā)酵所固化的二氧化碳量，因此生物乙醇是一種高效清潔的可再生能源。以玉米、紅薯等為原料生產(chǎn)的生物乙醇雖然屬于環(huán)保能源，但玉米和紅薯是人和動(dòng)物食物的重要來(lái)源，而且其生產(chǎn)需要占用良田才可能高產(chǎn)。因此利用玉米和紅薯生產(chǎn)生物能源會(huì)引起“與人爭(zhēng)糧、與糧爭(zhēng)地”的問(wèn)題，經(jīng)年來(lái)出現(xiàn)的食品價(jià)格上漲的原因之一就是大量的玉米被用于生產(chǎn)乙醇，以玉米、紅薯為原料生產(chǎn)生物乙醇對(duì)于我們這樣一個(gè)人口眾多、糧食緊張的大國(guó)來(lái)說(shuō)顯然不是長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)?？偟膩?lái)看，生物能源中以纖維素乙醇最有前途，因?yàn)槔w維素乙醇相對(duì)于生物柴油具有資源豐富、再生周期短、成本低、CO2和SO2等有害氣體零排放、價(jià)格低等眾多優(yōu)點(diǎn)，更重要的是用于生產(chǎn)纖維素乙醇的能源作物對(duì)土地的適應(yīng)性較強(qiáng)，在很多未開(kāi)發(fā)利用的荒山荒地都可以種植，這樣就不會(huì)引發(fā)糧食問(wèn)題，也避免了資源枯竭的威脅，使能源保持持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，這對(duì)于滿足社會(huì)能源需求以及維護(hù)能源安全具有十分重要的意義。種植能源作物具有諸多優(yōu)點(diǎn)。第一，可以減少土壤流失，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，第二，通過(guò)形成可持續(xù)循環(huán)的能源利用方式，減少溫室效應(yīng)。能源作物通過(guò)光合作用可以吸收大氣中的CO2，將其轉(zhuǎn)化為能量?jī)?chǔ)藏，并進(jìn)一步被開(kāi)發(fā)利用，從而良性消耗了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生活中產(chǎn)生的溫室氣體。第三，能源作物可以作為動(dòng)物的飼料，而他們的生長(zhǎng)區(qū)又可以作為動(dòng)物的棲息地。因此，生物乙醇的利用有助于建立資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會(huì)。第四，能源作物的種植離不開(kāi)土地，勞動(dòng)又需要人力，發(fā)展能源產(chǎn)業(yè)又會(huì)帶動(dòng)其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)，如運(yùn)輸業(yè)、服務(wù)業(yè)等，因此發(fā)展生物能源可以提高農(nóng)民的就業(yè)機(jī)會(huì)并增加農(nóng)民的收入，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，加速農(nóng)村城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程。7、纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化亟待解決的技術(shù)問(wèn)題需解決的技術(shù)問(wèn)題：纖維素乙醇以可以再生的生物質(zhì)作為原料，它既不同于石化能源的不可再生性，又不會(huì)如石化能源那樣大量排放溫室氣體、硫化物及氯化物等造成環(huán)境污染。因此具有傳統(tǒng)能源無(wú)可比擬的優(yōu)越性，是未來(lái)能源的新寵。但是，現(xiàn)階段纖維素能源的產(chǎn)業(yè)化還有許多亟待解決的問(wèn)題。（1）木質(zhì)纖維素原料分散，季節(jié)性強(qiáng)，尤其是農(nóng)作物秸稈。（2）木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化和提高。由于天然纖維素原料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特性，使得其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三者不能有效分離；另外伴隨產(chǎn)生一些中間副產(chǎn)物，實(shí)驗(yàn)表明，這些物質(zhì)抑制酵母的生長(zhǎng)和代謝，最終影響乙醇產(chǎn)率。（3）缺乏高效的纖維酶菌株，現(xiàn)有的纖維素酶制劑效果較低，使得酶解糖化經(jīng)濟(jì)成本較高，當(dāng)前生產(chǎn)一噸纖維乙醇需要酶制劑成本在2200?2600元。（4）缺乏能夠同時(shí)高效利用戊糖和己糖的發(fā)酵菌株。在木質(zhì)纖維水解中，其中有相當(dāng)比重的木糖（葡萄糖/木糖約為2）。因此，戊糖的利用是影響纖維乙醇綜合成本的關(guān)鍵一項(xiàng)。8、展望我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，有著豐富的生物質(zhì)資源，大力發(fā)展以生物質(zhì)為原料的第二代生物乙醇對(duì)于解決當(dāng)前石油資源短缺、增加農(nóng)民收入以及減少環(huán)境污染等方面具有十分重要的意義。我國(guó)第二代生物乙醇的開(kāi)發(fā)利用仍處于發(fā)展初期，需要繼續(xù)投入，對(duì)制約成本的纖維素酶、C5利用和生物質(zhì)熱加工等關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)集中力量進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)纖維素乙醇技術(shù)和生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的突破，為纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)支撐；解決制約纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原料供應(yīng)問(wèn)題，充分做好能源資源的優(yōu)化利用，建立工業(yè)示范裝置，為纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。纖維素乙醇作為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的可再生能源產(chǎn)業(yè)，應(yīng)整合多方力量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，催進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使其在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變中發(fā)揮更大的作用。結(jié)語(yǔ)近年來(lái)，纖維素酶轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇取得了重大進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有突破性的工作要做。目前，纖維素原料制燃料乙醇的成本仍然很高，其約因素主要是預(yù)處理過(guò)程和纖維素酶，因而有待在技術(shù)和菌種上進(jìn)一步突破。通過(guò)對(duì)預(yù)處理工藝特點(diǎn)的深刻認(rèn)識(shí)，建立低成本的預(yù)處理工藝是木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇首先要解決的問(wèn)題。從自然界選育更好的纖維素酶高效菌株，為其改造奠定基礎(chǔ)?；蛑亟M及定位突變技術(shù)是選育纖維素酶高產(chǎn)菌株最有效的途徑，目前對(duì)纖維素酶基因的研究主要集中在產(chǎn)纖維素酶的高產(chǎn)真菌及耐熱細(xì)菌上。隨著生物化學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展，纖維素酶合成的調(diào)節(jié)機(jī)制將成為研究的一個(gè)焦點(diǎn)。纖維素酶作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究，由于纖維素酶的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之纖維素酶不易分離純化、結(jié)品難，應(yīng)進(jìn)一步在分離純化技術(shù)和研究方法上進(jìn)行突破。開(kāi)展木質(zhì)纖維素酶解過(guò)程的研究，如纖維素酶促進(jìn)劑和不