文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
维素水解酶对纤维素水解发酵制燃料乙醇的过程有着决定性的作用，根据纤维素水解的产物，可以将纤维素分为4大类，分别为纤维质（60%）、半纤维素（30%）、木质素（10%）和糖质（10%）。
而纤维素水解产物中，又可以分为多个种类，例如还原糖、葡萄糖、木糖、果糖和半乳糖等。而这些产物就是影响纤维素发酵制燃料乙醇的关键因素。
维素水解酶的种类很多，对于纤维素水解发酵制燃料乙醇的过程有着决定性的作用，下面就来详细介绍一下各种维素水解酶在生产过程中对纤维素水解的影响以及不同维素水解酶的选择，对纤维素水解发酵制燃料乙醇过程有着怎样决定性的作用？
纤维素水解发酵制燃料乙醇
纤维素水解过程主要是葡萄糖和木糖在纤维素酶作用下形成葡萄糖和木糖。木糖作为燃料乙醇的主要原料，占生产成本的45%~60%。
因此，在纤维素水解发酵过程中，如何降低木糖的生产成本是关键。但由于纤维素降解率低，产生的还原糖得率低，而添加酶可有效降低还原糖得率。
1、目前纤维素水解发酵主要采用酶法或酶解法。目前国内外以酶法水解为主，由于纤维素降解后产生的还原糖量低，而酶法水解工艺复杂、成本高。因此，对于不含酶的纤维素水解发酵工艺，通常采用酶法水解。
2、利用木质纤维素生产燃料乙醇的主要方法有：酶解法、发酵法和半酶解法等。
由于纤维素酶成本高、生产周期长，而且不能从根本上解决木质纤维素转化为燃料乙醇的问题，因此开发经济高效的纤维素水解方法已成为各国研究的重点。目前研究最多、应用最广的是酶解法和发酵法。
3、酶解法：木质纤维素经纤维素酶、半纤维水解酶和木聚糖酶等水解后，将产生还原糖，通过添加木聚糖或半乳糖等还原糖类物质进行酶解。
发酵法则是在一定条件下使糖类发酵转化为乙醇的过程，包括酒精发酵和乙醇生产两个阶段。在生产中用半纤维水解酶代替木聚糖或半乳糖酶水解半纤维转化为乙醇，酒精发酵阶段采用酵母菌进行酒精发酵。
另外一种方法是通过添加木质素水解酶将木质素转化为可发酵性的木糖、葡糖糖和鼠李糖等葡萄糖和木糖。但目前木质纤维素的转化效率仍较低，不能满足实际生产需要。
纤维素水解发酵制燃料乙醇的基本原理和生产流程
1、生产原料的选择：使用可再生资源，如秸秆、稻草、玉米芯、麦秸等植物纤维，经预处理后，加入一定量的水进行充分溶解。
再将溶解后的纤维与一定量的木素和纤维素混合，加水后在一定温度下进行发酵。在发酵过程中，必须根据原料的不同特性选择不同的维素水解酶进行发酵。目前较常用的维素水解酶有纤维素酶、木聚糖酶等。
2、生产流程：原料在进行预处理过程后，使用维素水解酶将原料中的木质素和纤维素进行水解，以便于后续发酵过程的进行。而在整个过程中，由于使用的维素水解酶不同，所生产出来的产品也是各不相同，需要根据实际情况对生产过程进行调整。
3、使用纤维素酶水解木质素和纤维素，利用酶水解后得到还原糖和葡萄糖等物质。将这些物质经过浓缩、分离、干燥后得到葡萄糖粗品。
然后将葡萄糖粗品按照一定比例与木聚糖进行混合，得到木聚糖液。木聚糖液通过预处理和酶水解后得到还原糖和葡萄糖等产品。将这些产品分别用不同种类的维素水解酶进行发酵，最后经过过滤分离得到乙醇产品。
4、生产工艺中使用的维素水解酶在不同情况下也会有一定程度上的差别，因此需要根据实际情况进行选择，选择最合适的维素水解酶来进行发酵生产。
纤维素水解发酵制燃料乙醇过程中的关键技术
1、原料的预处理：预处理方法包括物理法、化学法和生物法，其中物理法包括机械粉碎和气流粉碎，化学法则采用碱处理，生物法则采用发酵预处理方法。预处理过程中要控制好原料的含水率和pH值。
2、酶制剂的选择：纤维素酶水解工艺中使用的酶主要有纤维素酶、半纤维素酶和木聚糖酶等，其中纤维素酶是纤维素水解的关键，其中以葡萄糖酶水解效果最佳。
根据原料种类、性质以及使用目的不同，选择不同类型的纤维素酶，可使纤维素水解利用最大化。另外，不同种类的纤维素酶水解效率也有所不同。通过不同的预处理方式可以将纤维素酶水解效率最大化。
4、发酵工艺包括温度、时间、原料配比和装料量等参数。温度对发酵效率有很大的影响，温度过高或过低都不利于原料中营养物质的转化。另外，在发酵过程中要控制好原料配比对发酵效率也有很大影响。
5、酶制剂的选择：根据原料类型和性质以及使用目的选择合适的酶制剂，这是提高酶活力和缩短酶作用时间的重要手段。如果只是为了利用纤维素作为碳源，则需要选择碱性纤维素酶水解；如果是为了利用纤维素作为生物能源，则需要选择酸性纤维素酶水解。
6、培养基的选择：培养基也是影响酶活力和缩短酶作用时间的重要因素之一。培养基中营养物质的添加量也会影响到酶活力和缩短反应时间。
7、酶解工艺包括糖化工艺、糖化和发酵工艺。糖化宜采用水解结合高温糖化，发酵宜采用分批加料和分批发酵。为了缩短发酵时间，可以采用一次或多次连续加料方式，分批发酵时应该避免温度过高或过低。
数学模型的建立和仿真模拟分析
由以上内容可以看出，纤维素水解发酵过程中，原料在各个阶段都有不同的影响因素，同时也是会受到不同维素水解酶的影响。
通过对维素水解酶的种类和数量的改变，可以分析出不同维素水解酶对纤维素水解发酵制燃料乙醇的影响。根据维素水解酶对纤维素水解发酵的作用，我们可以建立以下数学模型：
在纤维素水解发酵过程中，主要受到了：葡萄糖浓度、半乳糖浓度和纤维素浓度四个因素的影响。当原料中葡萄糖含量较高时，葡萄糖会促进纤维素水解发酵，并能使产糖量增加。
从而使产糖量减少。当原料中纤维素含量较高时，由于纤维素是由木质素组成的，木质素会阻碍葡萄糖、木糖和半乳糖的水解，从而使产糖量减少。在微生物纤维素水解糖化过程中，有三种因素影响着酶对底物的利用：
一是酶催化反应速率和底物浓度有关；二是酶对底物的亲和力与底物浓度有关；三是酶对底物选择性决定了最终产物中还原糖、葡萄糖和木糖等组分的含量。同时，我们可以通过数学模型来预测在不同维素水解酶作用下葡萄糖、木糖和半乳糖等底物对产物产生的影响。
实际应用前景和挑战
目前，纤维素水解和乙醇发酵工业正在为许多客户提供了用木质纤维素生产燃料乙醇的途径。从这些过程中提取的糖主要用于工业生产。由于在自然界中存在许多不同类型的纤维素，因此需要开发新的策略来增加所使用的纤维素数量，以促进木质纤维素生物转化。
例如，可以通过分离不同类型的酶来增加用于生产燃料乙醇的纤维素数量，从而提高乙醇产量。例如，通过对用于生产燃料乙醇的酶进行选择性筛选，可以获得能够从多种木质纤维来源中分离的酶，从而在一个过程中实现多种目的。
然而，由于纤维素生物转化是一个复杂的过程，并且涉及多个方面（包括不同类型酶之间的相互作用），因此开发合适的方法来使用这些酶是一个挑战。
除了优化纤维素转化过程外，还可以开发新的策略来提高乙醇产量。例如，开发出一种以不同方式控制糖发酵的方法可能会降低纤维素转化率和乙醇产量。
此外，选择最佳纤维原料来源也可能会在整个生产过程中提高乙醇产量。因此，有必要了解所需纤维素原料类型和生产过程中与酶结合使用的主要因素。
在处理木质纤维素时，生物转化和酶再生可能是不可逆或复杂且费时的。因此需要开发一种基于细胞破碎后使用的新方法来提高效率和乙醇产量。
目前正在研究使用颗粒破碎和细胞破碎结合使用来去除木质纤维中非纤维素组分以及去除木质素，从而提高乙醇产量和发酵过程中乙醇浓度（发酵温度）。这些策略可能会减少酶损失和对环境造成危害并提高产品质量。
笔者观点
在生产纤维素发酵制燃料乙醇过程中，选择不同种类的维素水解酶，对纤维素水解发酵制燃料乙醇过程有着决定性的作用，同时也是纤维素水解发酵制燃料乙醇过程中至关重要的因素。
纤维素发酵过程中，对于纤维素水解的产物，需要根据纤维素水解产物的种类选择相应的维素水解酶，才能够保证纤维素水解发酵制燃料乙醇的顺利进行。通常情况下，对于木糖、木糖醇、葡萄糖等纤维素水解产物来说，一般选择β-葡萄糖苷酶、α-淀粉酶来进行水解发酵。
在生产过程中，根据不同纤维素种类以及不同的纤维素水解物来选择相应的维素水解酶，是生产过程中需要重点考虑的问题。同时也需要注意在生产过程中，要注意对反应条件进行严格控制。
参考文献
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