第8章延伸阅读 延伸阅读8-1微生物降解石油的原理 石油是由多种碳氢化合物组成的复杂混合物，主要含四类烃化合物：正烷烃、支链烷烃、 环烷烃、芳香烃，同时还含有少量其它有机物，如硫化物、氮化物、环烷酸等。微生物降解 石油主要是利用微生物对烃类的选择性降解作用，将一些高分子烃类分解，以增强原油的流 动性。在石油烃类中以直链的烃类最易被微生物降解，芳烃和环烷烃的降解较难。一般认为， 不同烃类微生物的可降解性次序如下：小于C10的直链烷烃>C10~C24或更长的直链烷烃>小 于C10的支链烷烃>C10~C24或更长的支链烷烃>环烷烃>单环芳烃>多环芳烃>杂环芳烃> 沥青质。微生物对烃类的降解主要是通过有氧降解的方式进行。微生物对直链烃的氧化有多 种方式：单末端氧化、双末端氧化和次末端氧化等。其中单末端氧化是最重要的方式。通常 情况下，微生物可以把烃类转化为无毒的CO2和HO,其降解的基本原理如图$8-1所示。在 微生物中的单氧化酶酶系的作用下，氧分子中的一个氧原子加入到烃中去，使其形成相应的 醇，源于烷烃的醇在醇脱氢酶的作用下被氧化成相应的醛，醛则通过醛脱氢酶的作用氧化成 脂肪酸：脂肪酸通过B-氧化降解为乙酰辅酶A,后者或进入三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA),分解成CO2和H2O,并释放出能量：或进入其它生化过程。支链烷烃不易被微生物 降解，且支链越多，越不易被降解。链烷烃也可直接脱氢形成烯烃，烯烃再进一步氧化成醇、 醛，最后形成脂肪酸或氧化成为一种烷基过氧化氢，直接转化成脂肪酸。环烷烃是石油烃中 较难被微生物降解的烃类，其生物降解也是末端氧化。环烷烃被各种氧化酶氧化后产生环烷 醇，然后通过脱氢酶转化为酮，再进一步氧化为内酯，或直接开环生成脂肪酸。芳香烃包括 单环芳烃和多环芳烃：单环芳烃结构简单，易降解：多环芳烃结构复杂，难于降解，芳香烃 被氧化酶氧化成二氢二醇，然后二氢二醇被降解成邻苯二酚，在邻苯二酚的降解过程中分别 进行邻位和间位的开环反应，最后这些化合物被氧化为长链化合物并逐渐被代谢成C0A。 CH(CH)CHOH CH,(CH)COOH 醛脱氢酶 醇脱氢酶 CH,(CH)CHOH B氧化 C0,+H0 TCA循环 乙酰COA 图S8-1微生物降解石油的原理
第 8 章 延伸阅读 延伸阅读 8-1 微生物降解石油的原理 石油是由多种碳氢化合物组成的复杂混合物，主要含四类烃化合物：正烷烃、支链烷烃、 环烷烃、芳香烃，同时还含有少量其它有机物，如硫化物、氮化物、环烷酸等。微生物降解 石油主要是利用微生物对烃类的选择性降解作用，将一些高分子烃类分解，以增强原油的流 动性。在石油烃类中以直链的烃类最易被微生物降解，芳烃和环烷烃的降解较难。一般认为， 不同烃类微生物的可降解性次序如下：小于C10的直链烷烃>C10~C24或更长的直链烷烃>小 于C10的支链烷烃> C10～C24或更长的支链烷烃>环烷烃>单环芳烃>多环芳烃>杂环芳烃> 沥青质。微生物对烃类的降解主要是通过有氧降解的方式进行。微生物对直链烃的氧化有多 种方式：单末端氧化、双末端氧化和次末端氧化等。其中单末端氧化是最重要的方式。通常 情况下，微生物可以把烃类转化为无毒的CO2和H2O，其降解的基本原理如图S8-1所示。在 微生物中的单氧化酶酶系的作用下，氧分子中的一个氧原子加入到烃中去，使其形成相应的 醇，源于烷烃的醇在醇脱氢酶的作用下被氧化成相应的醛，醛则通过醛脱氢酶的作用氧化成 脂肪酸；脂肪酸通过β-氧化降解为乙酰辅酶A，后者或进入三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle， TCA），分解成CO2和H2O，并释放出能量；或进入其它生化过程。支链烷烃不易被微生物 降解，且支链越多，越不易被降解。链烷烃也可直接脱氢形成烯烃，烯烃再进一步氧化成醇、 醛，最后形成脂肪酸或氧化成为一种烷基过氧化氢，直接转化成脂肪酸。环烷烃是石油烃中 较难被微生物降解的烃类，其生物降解也是末端氧化。环烷烃被各种氧化酶氧化后产生环烷 醇，然后通过脱氢酶转化为酮，再进一步氧化为内酯，或直接开环生成脂肪酸。芳香烃包括 单环芳烃和多环芳烃：单环芳烃结构简单，易降解；多环芳烃结构复杂，难于降解，芳香烃 被氧化酶氧化成二氢二醇，然后二氢二醇被降解成邻苯二酚，在邻苯二酚的降解过程中分别 进行邻位和间位的开环反应，最后这些化合物被氧化为长链化合物并逐渐被代谢成CoA。 图 S8-1 微生物降解石油的原理 醇脱氢酶 醛脱氢酶 β-氧化 TCA 循环
延伸阅读8-2纤维素乙醇生产技术 一、纤维素乙醇 纤维素乙醇(ligno-cellulosic bio-ethanol)也称为“第二代”乙醇，是指利用纤维素生物 质为原料通过微生物发酵生产的乙醇。目前纤维素乙醇的生产己经经历了四个阶段：第一代 纤维素乙醇是利用粮食（玉米或甘蔗）等生产的乙醇：第二代是利用非粮食生物质（秸秆、 稻壳、树木枝叶)等生产的乙醇：第三代是利用藻类（海藻或淡水藻），通过酵母菌发酵生 成的乙醇：第四代是对藻类进行改造，使其通过光合作用吸收二氧化碳，直接生产乙醇以及 副产品和氧气。 二、纤维素制取乙醇的基本原理 纤维素生物质是由纤维素(30%~50%)，半纤维素(20%~40%)和木质素(15%~30%) 组成的复杂材料。纤维素生物质中的纤维素和半纤维素为糖的聚合物。纤维素是(1-4)键 (合)B-吡喃葡糖残基组成的聚合物，每个分子链含有成千个葡糖残基。而半纤维素是由几种 不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳 糖等。将纤维素和半纤维素分子打断水解成单一的糖（五碳糖或六碳糖）是纤维素乙醇生产 的关键技术之一。纤维素的性质很稳定，只有在催化剂的存在下，纤维素的水解反应才能显 著地进行，常用的催化剂是无机酸和纤维素酶，由此分别形成酸水解和酶水解。纤维素生物 质通过生物学方法转化为乙醇主要依赖于纤维素酶。纤维素生物质通过酶水解转化成乙醇大 约需要四个基本步骤，如图$8-2所示。 生物质 木质素 一纤维素 1)预处理 木质素 2)水解 纤雄素 共培养 废弃物管理 诱变处理 CBP 异源基因表达 业 五碳糖和六磷 3)发醇 残渣用于电力生产 蒸馏 蒸发 生物乙薛 图S8-2利用纤维素生物质生产乙醇的技术流程 1.预处理
延伸阅读 8-2 纤维素乙醇生产技术 一、纤维素乙醇 纤维素乙醇（ligno-cellulosic bio-ethanol）也称为“第二代”乙醇，是指利用纤维素生物 质为原料通过微生物发酵生产的乙醇。目前纤维素乙醇的生产已经经历了四个阶段：第一代 纤维素乙醇是利用粮食（玉米或甘蔗）等生产的乙醇；第二代是利用非粮食生物质（秸秆、 稻壳、树木枝叶）等生产的乙醇；第三代是利用藻类（海藻或淡水藻），通过酵母菌发酵生 成的乙醇；第四代是对藻类进行改造，使其通过光合作用吸收二氧化碳，直接生产乙醇以及 副产品和氧气。 二、纤维素制取乙醇的基本原理 纤维素生物质是由纤维素（30%～50%），半纤维素（20%～40%）和木质素（15%～30%） 组成的复杂材料。纤维素生物质中的纤维素和半纤维素为糖的聚合物。纤维素是(1-4)-键 (合)Β-吡喃葡糖残基组成的聚合物，每个分子链含有成千个葡糖残基。而半纤维素是由几种 不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳 糖等。将纤维素和半纤维素分子打断水解成单一的糖（五碳糖或六碳糖）是纤维素乙醇生产 的关键技术之一。纤维素的性质很稳定，只有在催化剂的存在下，纤维素的水解反应才能显 著地进行，常用的催化剂是无机酸和纤维素酶，由此分别形成酸水解和酶水解。纤维素生物 质通过生物学方法转化为乙醇主要依赖于纤维素酶。纤维素生物质通过酶水解转化成乙醇大 约需要四个基本步骤，如图S8-2所示。 图S8-2 利用纤维素生物质生产乙醇的技术流程 1．预处理
预处理的主要目的是降低纤维素的分子物质，打开其密集的晶体结构，以利于进一步的 分解和转化。预处理过程中，半纤维素通常直接被水解成了各种单糖（如木糖、阿拉伯糖等）， 剩下的不溶物质主要是纤维素和木质素。预处理的方法分为物理、化学和生物法或者这些方 法的综合使用。综合处理的主要方法包括机械粉碎、蒸汽爆破、氨爆破、稀酸处理、碱处理、 湿氧化处理、超临界二氧化碳处理、超临界水处理、有机溶剂处理、生物降解等，现有示范 装置考虑到经济性一般采用蒸汽爆破的方法。为了实现纤维素乙醇的生产，要求预处理尽可 能提高纤维素和半纤维素的回收率，保证后续酶解获得更多的可发酵糖，处理条件应相对温 和。 2.酶解 所谓酶解是纤维素和半纤维素这些高分子聚合物中的B-1,4糖苷键在催化剂的作用下发 生断裂而生成可溶性单糖（己糖和戊糖）的一种化学反应，因此，纤维素酶解也称生物质的 糖化。纤维素酶是降解纤维素成为葡萄糖单体所需的一组酶的总称。主要包括三个组分：内 切型阝-葡聚糖酶，1,4-阝葡聚纤维素二糖水解酶和纤维二糖酶(B葡聚糖苷酶)。每一组分 又有若干亚组分组成。其中内切型邹-葡聚糖酶的作用主要是随机地切割β-1,4葡萄糖苷键， 是纤维素长键断裂；1,4-阝-葡聚纤维素二糖水解酶是一种外切酶，其作用是从纤维素长链的 还原端切割下葡萄糖和纤维二糖：阝-葡聚糖苷酶的作用是把纤维二糖和短链低聚糖分解成葡 萄糖。纤维素水解生成葡萄糖的过程必须依靠这三种组分的协同作用才能完成。目前得到大 家认可的纤维素酶水解机理为：()结晶纤维素先在内切葡萄糖酶的作用下形成无定型的纤 维素酶或可溶性低聚糖：(2)在纤维二糖水解酶作用下生产纤维二糖：(3)在β葡聚糖苷酶作 用下生产葡萄糖。还有人认为，天然纤维素首先在一种非水解性质的解链因子或解氢键酶的 作用下，使纤维素链间和链内氢键打开，形成无序的非结晶纤维素，然后在三种酶的协同作 用下水解为纤维糊精和葡萄糖。 纤维素酶的来源很广泛，目前发现自然界许多微生物都具有分解纤维素的能力，在腐殖 质丰富的落叶层中含量丰富，包括真菌、细菌、放线菌等。细菌中的许多种属都能够降解纤 维素，如好氧菌中的芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、厌氧发酵菌中 的梭状芽孢杆菌(Clostridium)、滑行细菌中的嗜纤维菌(Cytophaga)、多囊菌(Polyanglum) 等。粘细菌(Myxobacteria)中的纤维堆囊菌属(Sorangium cellulosum)也具有纤维素降解 能力。放线菌主要有玫瑰色放线菌(A.Roseus)和链霉属放线菌等。真菌中的木霉属、曲 霉属的丝状真菌。绿色木霉和黑曲霉被认为是产生纤维素酶最稳定和无毒安全的菌种，而且 产生的是胞外酶，这对酶的分离纯化都更为有利。自然界中，担子菌酶解过程由一系列酶蛋 白协同完成木质纤维素的降解（图$8-3）。 3.发酵 这一过程主要是通过微生物发酵把这些单糖转换成乙醇的过程。国内外对纤维素乙醇发 酵的研究主要集中在两个方面：一是高产和高耐受力菌株的选育，二是发酵工艺的研究
预处理的主要目的是降低纤维素的分子物质，打开其密集的晶体结构，以利于进一步的 分解和转化。预处理过程中，半纤维素通常直接被水解成了各种单糖（如木糖、阿拉伯糖等）， 剩下的不溶物质主要是纤维素和木质素。预处理的方法分为物理、化学和生物法或者这些方 法的综合使用。综合处理的主要方法包括机械粉碎、蒸汽爆破、氨爆破、稀酸处理、碱处理、 湿氧化处理、超临界二氧化碳处理、超临界水处理、有机溶剂处理、生物降解等，现有示范 装置考虑到经济性一般采用蒸汽爆破的方法。为了实现纤维素乙醇的生产，要求预处理尽可 能提高纤维素和半纤维素的回收率，保证后续酶解获得更多的可发酵糖，处理条件应相对温 和。 2．酶解 所谓酶解是纤维素和半纤维素这些高分子聚合物中的ß-1,4-糖苷键在催化剂的作用下发 生断裂而生成可溶性单糖（己糖和戊糖）的一种化学反应，因此，纤维素酶解也称生物质的 糖化。纤维素酶是降解纤维素成为葡萄糖单体所需的一组酶的总称。主要包括三个组分：内 切型β-葡聚糖酶，1,4-β-葡聚纤维素二糖水解酶和纤维二糖酶（β-葡聚糖苷酶）。每一组分 又有若干亚组分组成。其中内切型β-葡聚糖酶的作用主要是随机地切割β-1,4-葡萄糖苷键， 是纤维素长键断裂；1,4-β-葡聚纤维素二糖水解酶是一种外切酶，其作用是从纤维素长链的 还原端切割下葡萄糖和纤维二糖；β-葡聚糖苷酶的作用是把纤维二糖和短链低聚糖分解成葡 萄糖。纤维素水解生成葡萄糖的过程必须依靠这三种组分的协同作用才能完成。目前得到大 家认可的纤维素酶水解机理为：(1) 结晶纤维素先在内切葡萄糖酶的作用下形成无定型的纤 维素酶或可溶性低聚糖；(2) 在纤维二糖水解酶作用下生产纤维二糖；(3)在β-葡聚糖苷酶作 用下生产葡萄糖。还有人认为，天然纤维素首先在一种非水解性质的解链因子或解氢键酶的 作用下，使纤维素链间和链内氢键打开，形成无序的非结晶纤维素，然后在三种酶的协同作 用下水解为纤维糊精和葡萄糖。 纤维素酶的来源很广泛，目前发现自然界许多微生物都具有分解纤维素的能力，在腐殖 质丰富的落叶层中含量丰富，包括真菌、细菌、放线菌等。细菌中的许多种属都能够降解纤 维素，如好氧菌中的芽孢杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、厌氧发酵菌中 的梭状芽孢杆菌（Clostridium）、滑行细菌中的嗜纤维菌（Cytophaga）、多囊菌（Polyanglum） 等。粘细菌（Myxobacteria）中的纤维堆囊菌属（Sorangium cellulosum）也具有纤维素降解 能力。放线菌主要有玫瑰色放线菌（A．Roseus）和链霉属放线菌等。真菌中的木霉属、曲 霉属的丝状真菌。绿色木霉和黑曲霉被认为是产生纤维素酶最稳定和无毒安全的菌种，而且 产生的是胞外酶，这对酶的分离纯化都更为有利。自然界中，担子菌酶解过程由一系列酶蛋 白协同完成木质纤维素的降解（图S8-3）。 3．发酵 这一过程主要是通过微生物发酵把这些单糖转换成乙醇的过程。国内外对纤维素乙醇发 酵的研究主要集中在两个方面：一是高产和高耐受力菌株的选育，二是发酵工艺的研究
02 素分的一部》 木质素 木头， 土壤中少许》 水溶性木质素醉片 来自于半纤维素的 糖和醋酸纤维 的过氧化物 C02 复化 (不的和图数脸，经固发？】 02 有积酸 《草酸盐，苹果酸盐等) 合的Mn 图$8-4担子菌降解木质纤维素的一般过程 *真菌首先利用从半纤维素中来的糖和醋酸纤维残留物作为碳源和能量的来源，与此同时木质素非生产性降 解（酶促燃烧enzymatic combustion),纤维素的主要部分仍然未被利用并且赋予了白色腐烂木头一定的外 观特征。(Ref:Hofrichter,.M,2000.BioSpektrum6:198-199) (1)菌株筛选从理论上来讲，纤维素乙醇生产的菌株，可以从自然界微生物资源中 分离或筛选，各种细菌、酵母、丝状真菌等均可作为乙醇发酵工业的菌株，也可使用已经成 熟的工业菌株。人类酿酒历史中筛选的酿酒酵母，筛选的运动发酵单胞菌等工业菌株，具有 发酵浓度高、耐受环境胁迫能力强的先天优势。目前纤维素乙醇工业化菌株大多来源于工业 酵母。近20年通过基因工程技术改造普通酿酒酵母使其能够代谢戊糖生产乙醇。经过基因改 造和筛选的工业菌株，己具备耐受高浓度抑制物、同时利用C4+C5糖、不通气条件发酵的能 力，糖醇转化率可达40%~48%。共发酵菌株的优势是非常明显的，2013年在4000吨/年的 纤维素乙醇试验装置上进行的测试表明，C4/C;糖共发酵菌株较之前的C6发酵菌株的乙醇得 率提高40%。表$8-1为几种主要商业化共发酵菌株性能的比较。 表S8-1几种主要商业化共发酵菌株性能比较 共发酵菌株 技术来源 原料 预处理 菌株性能 424A 总糖利用率88.1%，乙醇转化率 (LNH-SH 普度大学 玉米秸秆 氨爆 44.0% Z.mobilis 8b NREL、Dupont 玉米秸秆 稀酸、氨爆 木糖到乙醇转化率42.9%，纤维 素到乙醇转化率48.0% Royal Nedalco 帝斯曼 玉米秸秆 稀酸 总糖利用率95.4%，乙醇转化率 45.4% CBI 嘉吉 玉米秸秆 稀酸 时空产率>0.5/(Lh),乙醇转
图S8-4 担子菌降解木质纤维素的一般过程 *真菌首先利用从半纤维素中来的糖和醋酸纤维残留物作为碳源和能量的来源，与此同时木质素非生产性降 解（酶促燃烧 enzymatic combustion），纤维素的主要部分仍然未被利用并且赋予了白色腐烂木头一定的外 观特征。（Ref: Hofrichter, M., 2000, BioSpektrum 6: 198-199） （1）菌株筛选 从理论上来讲，纤维素乙醇生产的菌株，可以从自然界微生物资源中 分离或筛选，各种细菌、酵母、丝状真菌等均可作为乙醇发酵工业的菌株，也可使用已经成 熟的工业菌株。人类酿酒历史中筛选的酿酒酵母，筛选的运动发酵单胞菌等工业菌株，具有 发酵浓度高、耐受环境胁迫能力强的先天优势。目前纤维素乙醇工业化菌株大多来源于工业 酵母。近20年通过基因工程技术改造普通酿酒酵母使其能够代谢戊糖生产乙醇。经过基因改 造和筛选的工业菌株，已具备耐受高浓度抑制物、同时利用C4+C5 糖、不通气条件发酵的能 力，糖醇转化率可达40％～48％。共发酵菌株的优势是非常明显的，2013年在4000吨／年的 纤维素乙醇试验装置上进行的测试表明，C4/C5 糖共发酵菌株较之前的C6发酵菌株的乙醇得 率提高40％。表S8-1为几种主要商业化共发酵菌株性能的比较。 表S8-1 几种主要商业化共发酵菌株性能比较 共发酵菌株 技术来源 原料 预处理 菌株性能 424A （LNH-SH） 普度大学 玉米秸秆 氨 爆 总糖利用率88.1%，乙醇转化率 44.0% Z. mobilis 8b NREL、Dupont 玉米秸秆 稀酸、氨爆 木糖到乙醇转化率42.9%，纤维 素到乙醇转化率48.0% Royal Nedalco 帝斯曼 玉米秸秆 稀 酸 总糖利用率95.4%，乙醇转化率 45.4% CBI 嘉吉 玉米秸秆 稀 酸 时空产率>0.5/（L·h），乙醇转
化率>40.9% 诺维信和上海 发酵液中乙酸8.4gL、2.6gL CBITS0735 工业生物技术 玉米秸秆 稀酸 HMF条件下，转化82.3gL 研发中心 葡萄糖+46.7gL木糖为51.8 gL乙醇，转化率40.2% (2)发酵工艺由于纤维质原料成分的复杂性也决定了纤维素乙醇的生产工艺不同于 粮食乙醇生产工艺。纤维素乙醇的生产工艺主要有3种：分步水解与发酵工艺(Separate Hydrolysis and Fermentation,SHF)、同步糖化发酵工艺(simultaneous saccharification and fermentation,SSF)和直接微生物转化工艺(direct microbial conversion,.DMC)。分步水解与 发酵工艺$HF是最原始也是最简单的一种纤维素乙醇的生产方式，即纤维质原料首先利用纤 维素酶法在45~50℃水解后再在30~35℃下进行乙醇发酵，两种工艺在各自最适宜的条件下 分步进行。随着研究的进一步深入，中外研究者逐渐倾向于同步糖化发酵工艺$SF,即纤维 素酶解与葡萄糖的乙醇发酵在同一个反应器中进行，酶解过程中产生的葡萄糖被微生物迅速 利用，解除了葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用，提高了酶解效率。SSF是目前典型的木质 纤维素生产乙醇的方法，被认为是木质纤维素生物法转化为乙醇的最有效方法。木质纤维素 的酶水解和同步糖化发酵过程是多相、多酶催化过程，在$F过程中还同时存在微生物的生 长，是一个复杂的体系，而直接微生物转化工艺DMC法，将作物秸秆中的纤维素成分通过 某些微生物的直接发酵可以转换为酒精。这些微生物既能产生纤维素酶系水解纤维素又能发 酵糖产生乙醇。仅一步就包含了纤维素酶生产、纤维素水解和糖发酵生产酒精三个步骤。目 前，粗糙脉孢菌和尖镰孢菌是直接转化木质纤维素材料为乙醇研究较多的两种真菌。这两种 菌都能同时具有产生纤维素酶、半纤维素酶，发酵葡萄糖和木糖产生乙醇的能力，在有氧条 件下产生纤维素酶水解底物，在半通氧条件下发酵糖产生乙醇。 参考文献： 林鑫，武国庆.纤维素乙醇关键技术及进展.生物产业技术，2015，(2)：16-21. 钱伯章.世界纤维素乙醇生产发展趋势.生物技术产业，2012，(2)：6-21 Zhou XW,Cong WR,Kai-Qi Su,et al.,Ligninolytic enzymes from Ganoderma spp.-Current status and potential applications.Critical Review in Microbiology,2013,39(4):416-426
化率>40.9% CBITS0735 诺维信和上海 工业生物技术 研发中心 玉米秸秆 稀 酸 发酵液中乙酸8.4 g/L、2.6 g/L HMF 条件下，转化 82.3 g/L 葡萄糖+46.7 g/L木糖为51.8 g/L乙醇，转化率40.2% （2）发酵工艺 由于纤维质原料成分的复杂性也决定了纤维素乙醇的生产工艺不同于 粮食乙醇生产工艺。纤维素乙醇的生产工艺主要有3种：分步水解与发酵工艺（Separate Hydrolysis and Fermentation, SHF）、同步糖化发酵工艺（simultaneous saccharification and fermentation, SSF）和直接微生物转化工艺（direct microbial conversion, DMC）。分步水解与 发酵工艺SHF是最原始也是最简单的一种纤维素乙醇的生产方式，即纤维质原料首先利用纤 维素酶法在45~50℃水解后再在30~35℃下进行乙醇发酵，两种工艺在各自最适宜的条件下 分步进行。随着研究的进一步深入，中外研究者逐渐倾向于同步糖化发酵工艺SSF，即纤维 素酶解与葡萄糖的乙醇发酵在同一个反应器中进行，酶解过程中产生的葡萄糖被微生物迅速 利用，解除了葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用，提高了酶解效率。SSF是目前典型的木质 纤维素生产乙醇的方法，被认为是木质纤维素生物法转化为乙醇的最有效方法。木质纤维素 的酶水解和同步糖化发酵过程是多相、多酶催化过程，在SSF过程中还同时存在微生物的生 长，是一个复杂的体系，而直接微生物转化工艺DMC法，将作物秸秆中的纤维素成分通过 某些微生物的直接发酵可以转换为酒精。这些微生物既能产生纤维素酶系水解纤维素又能发 酵糖产生乙醇。仅一步就包含了纤维素酶生产、纤维素水解和糖发酵生产酒精三个步骤。目 前，粗糙脉孢菌和尖镰孢菌是直接转化木质纤维素材料为乙醇研究较多的两种真菌。这两种 菌都能同时具有产生纤维素酶、半纤维素酶，发酵葡萄糖和木糖产生乙醇的能力，在有氧条 件下产生纤维素酶水解底物，在半通氧条件下发酵糖产生乙醇。 参考文献： 林鑫, 武国庆. 纤维素乙醇关键技术及进展. 生物产业技术，2015,(2):16-21. 钱伯章. 世界纤维素乙醇生产发展趋势. 生物技术产业，2012,(2):6-21. Zhou XW, Cong WR, Kai-Qi Su, et al., Ligninolytic enzymes from Ganoderma spp.-Current status and potential applications. Critical Review in Microbiology，2013, 39(4): 416-426
延伸阅读8-3微生物太阳能燃料电池 一、概述 微生物太阳能燃料电池(Microbial solar cells,.MSCs)是由植物和微藻等光合生物与微 生物燃料电池整合起来的燃料电池装置，它能够实现将太阳能转化为电能。MSCs相对于普 通微生物燃料电池(Microbial fuel cells,.MFCs)来说，把光合生物引入了微生物燃料电 池的装置。在这个装置中，光合生物和MFCs的结合主要通过三种方式：一是光合生物 自身作为产电菌的代谢底物或为产电菌提供代谢底物：二是光合生物直接催化阳极反应： 三是光合生物提供氧作为阴极的电子受体。目前光合生物在微生物燃料电池上的研究主 要包括：植物根系微生物燃料电池(Plant roots microbial fuel cells,P-MFCs)、阳极光合 藻类微生物燃料电池(Anode photosynthetic algae microbial fuel cells,A-PAMFCs)、阴极 光合藻类微生物燃料电池(Cathode photosynthetic algae microbial fuel cells,C-PAMFCs) 以及光合细菌燃料电池。 二、工作原理 根据光合生物引入微生物燃料电池的部位不同，可将其分为阳极光合生物太阳能燃料 电池(A-MSCs)和阴极光合生物太阳能燃料电池(C-MSCs)。 1.阳极光合生物太阳能燃料电池(A-MSCs) 绿色植物和藻类可以收集和利用太阳能来积累生物量。这些生物量可以进一步通过处理， 如厌氧发酵转化为生物柴油或生物乙醇等生物燃料。而在MSCs中，这些生物量则可以用 作阳极产电微生物的底物进一步氧化转化成电能。图$8-4为典型的植物微生物太阳能燃料 电池P-MFCs的工作原理示意图。 C02 e 02 (CH2O)。 H20 产电微生物 C02 02 H H 正极 负极 图S8-4植物微生物太阳能燃料电池(PMFCs)工作原理示意图
延伸阅读 8-3 微生物太阳能燃料电池 一、概述 微生物太阳能燃料电池（Microbial solar cells, MSCs）是由植物和微藻等光合生物与微 生物燃料电池整合起来的燃料电池装置，它能够实现将太阳能转化为电能。MSCs 相对于普 通微生物燃料电池（Microbial fuel cells, MFCs）来说，把光合生物引入了微生物燃料电 池的装置。在这个装置中，光合生物和 MFCs 的结合主要通过三种方式：一是光合生物 自身作为产电菌的代谢底物或为产电菌提供代谢底物；二是光合生物直接催化阳极反应； 三是光合生物提供氧作为阴极的电子受体。目前光合生物在微生物燃料电池上的研究主 要包括：植物根系微生物燃料电池（Plant roots microbial fuel cells, P-MFCs）、阳极光合 藻类微生物燃料电池（Anode photosynthetic algae microbial fuel cells, A-PAMFCs）、阴极 光合藻类微生物燃料电池（Cathode photosynthetic algae microbial fuel cells，C-PAMFCs） 以及光合细菌燃料电池。 二、工作原理 根据光合生物引入微生物燃料电池的部位不同，可将其分为阳极光合生物太阳能燃料 电池（A-MSCs）和阴极光合生物太阳能燃料电池（C-MSCs）。 1. 阳极光合生物太阳能燃料电池（A-MSCs） 绿色植物和藻类可以收集和利用太阳能来积累生物量。这些生物量可以进一步通过处理， 如厌氧发酵转化为生物柴油或生物乙醇等生物燃料。而在 MSCs 中，这些生物量则可以用 作阳极产电微生物的底物进一步氧化转化成电能。图 S8-4 为典型的植物微生物太阳能燃料 电池 P-MFCs 的工作原理示意图。 图 S8-4 植物微生物太阳能燃料电池（PMFCs）工作原理示意图
将藻类技术与MFC结合，在产电的同时既可以实现废水的处理又可以收获藻类生物 量，因此该技术具有更大的实际价值。然而，直接利用藻生物量来产电的电能转化率非常低， 库伦效率只有28%，显然，这么低的电能转化率是无法满足大规模生产应用的。因此，想 要获得更高的电能转化率，必须先对藻细胞进行预处理，将微藻生物量先水解成微生物易降 解的有机质。最常用的做法是添加一个厌氧发酵装置。藻生物量在进入阳极室之前，先在厌 氧发酵罐中进行发酵处理，这个过程还能够产生生物燃气。发酵处理后的藻生物量再流入到 阳极室被产电微生物所氧化，这样预处理后的库伦效率可以提高到40%。图$8-5为连接有 光反应器、厌氧消化罐的阳极光合藻微生物燃料电池A-PAMFCs工作原理示意图。预处理 藻细胞的方法还有很多如加热、微波、超声、酸解、碱解、提取藻细胞有机物等，此外往阳 极室添加能降解藻细胞的细菌同样可以提高产电效率。 生物燃气 正 极 藻类生物质 3 预处理 ● 光反应器 厌氧消化池 微生物燃料电池 图S8-5阳极光合藻微生物电池(A-PAMFCs)工作原理示意图 2.阴极光合生物太阳能燃料电池(C-MSCs) 微生物燃料电池需要在阴极提供电子受体（通常为分子氧）来完成产电的过程，一般 的微生物燃料电池是在阴极以机械曝气的方式提供氧气或将阴极改造成空气阴极。机械供氧 要消耗大量的能源，因此产电的成本比较高。而利用光合生物产氧为阴极提供电子受体就要 经济的多，目前多数报道的阴极光合生物太阳能燃料电池都是利用了光合生物产氧的这一特 性。与传统的机械供氧相比，光合阴极燃料电池阴极室的溶解氧浓度最高可达到20gL, 这要高于机械供氧的溶解氧浓度。 目前报道的光合生物阴极电池中，光合生物的作用多数是产生分子氧作为电池的电子 受体，但是有实验表明，一些光合生物能够直接催化阴极，接受电子完成产电过程，而不依 赖于氧气的产生。这种方式比同等溶氧水平依赖机械供氧的燃料电池产电提高245%。C02 是阳极氧化分解有机质的产物，这些CO2聚集在阳极室会抑制阳极的氧化分解反应，因此 需要将产生的CO2移除才能够保证电池的正常运行。而CO2又是光合生物的反应底物，因
将藻类技术与 MFC 结合，在产电的同时既可以实现废水的处理又可以收获藻类生物 量，因此该技术具有更大的实际价值。然而，直接利用藻生物量来产电的电能转化率非常低， 库伦效率只有 2.8%，显然，这么低的电能转化率是无法满足大规模生产应用的。因此，想 要获得更高的电能转化率，必须先对藻细胞进行预处理，将微藻生物量先水解成微生物易降 解的有机质。最常用的做法是添加一个厌氧发酵装置。藻生物量在进入阳极室之前，先在厌 氧发酵罐中进行发酵处理，这个过程还能够产生生物燃气。发酵处理后的藻生物量再流入到 阳极室被产电微生物所氧化，这样预处理后的库伦效率可以提高到 40%。图 S8-5 为连接有 光反应器、厌氧消化罐的阳极光合藻微生物燃料电池 A-PAMFCs 工作原理示意图。预处理 藻细胞的方法还有很多如加热、微波、超声、酸解、碱解、提取藻细胞有机物等，此外往阳 极室添加能降解藻细胞的细菌同样可以提高产电效率。 图 S8-5 阳极光合藻微生物电池（A-PAMFCs）工作原理示意图 2. 阴极光合生物太阳能燃料电池( C-MSCs) 微生物燃料电池需要在阴极提供电子受体（通常为分子氧）来完成产电的过程，一般 的微生物燃料电池是在阴极以机械曝气的方式提供氧气或将阴极改造成空气阴极。机械供氧 要消耗大量的能源，因此产电的成本比较高。而利用光合生物产氧为阴极提供电子受体就要 经济的多，目前多数报道的阴极光合生物太阳能燃料电池都是利用了光合生物产氧的这一特 性。与传统的机械供氧相比，光合阴极燃料电池阴极室的溶解氧浓度最高可达到 20 mg/L， 这要高于机械供氧的溶解氧浓度。 目前报道的光合生物阴极电池中，光合生物的作用多数是产生分子氧作为电池的电子 受体，但是有实验表明，一些光合生物能够直接催化阴极，接受电子完成产电过程，而不依 赖于氧气的产生。这种方式比同等溶氧水平依赖机械供氧的燃料电池产电提高 245%。CO2 是阳极氧化分解有机质的产物，这些 CO2聚集在阳极室会抑制阳极的氧化分解反应，因此 需要将产生的 CO2移除才能够保证电池的正常运行。而 CO2又是光合生物的反应底物，因
此一些研究者尝试将阳极产生的CO2导入到阴极室为阴极的光合生物提供光合作用底物。 这种新型电池被称为碳捕获微生物燃料电池(MCCs)。图S8-6为典型的碳捕获微生物燃料 电池(MMCS)的工作原理示意图。 研究发现在接入光合微藻的阴极室的上部检测不到CO2,这意味着从阳极室导入到阴 极室的CO2基本上都被微藻利用了，而不含微藻的对照组阴极室中的CO2浓度却提高了6 倍。以CO2为桥梁将阴极和阳极连接起来，将有利于产电的持续性，具有十分广阔的应用 前景。 CO CO CO, 负 ,H0 海藻● CO H 图S8-6碳捕获微生物燃料电池(MCCs)工作原理示意图 参考文献： 郭晓胸，于昌平，郑天凌.微生物太阳能燃料电池的研究进展，2015，(8)961-970
此一些研究者尝试将阳极产生的 CO2导入到阴极室为阴极的光合生物提供光合作用底物。 这种新型电池被称为碳捕获微生物燃料电池( MCCs)。图 S8-6 为典型的碳捕获微生物燃料 电池( MMCS) 的工作原理示意图。 研究发现在接入光合微藻的阴极室的上部检测不到 CO2，这意味着从阳极室导入到阴 极室的 CO2基本上都被微藻利用了，而不含微藻的对照组阴极室中的 CO2浓度却提高了 6 倍。以 CO2为桥梁将阴极和阳极连接起来，将有利于产电的持续性，具有十分广阔的应用 前景。 图 S8-6 碳捕获微生物燃料电池（MCCs）工作原理示意图 参考文献： 郭晓昀, 于昌平, 郑天凌. 微生物太阳能燃料电池的研究进展，2015, (8):961-970
延伸阅读8-4生物柴油 生物柴油(Biodiesel)又名脂肪酸甲酯(fatty acid ester),是一种较为洁净的合成油。 是采用动植物油脂等原料（主要成分为脂肪酸甘油酯）与短链醇（主要是甲醇和乙醇）在催 化剂（酸、碱和酶）或超临界的条件下，通过酯交换或热化学工艺制成的可代替石化柴油的 再生性柴油燃料。生物柴油这一概念最早由德国工程师Dr.Rudolf Diesel(1858-1913)于 1895年提出的，在1900年巴黎博览会上，Dr.Rudolf Diesel展示了实用花生油作燃料的发 动机。生物柴油基本不含疏和芳烃，十六烷值高达529，可被生物降解、无毒、对环境无害。 它的高含氧CN值十分有利于压燃机的正常燃烧从而降低尾气有害物质排放，所以被称为低 污染燃料。直接用作车用优质柴油，即100%生物柴油(B100),与石油、柴油调配使用， 品种有2%，5%，10%和20%，称为B2,B5,B10,B20柴油。生物柴油的生产原料是关键， 目前开发的植物油脂（草本油料植物和木本油料植物）、动物油脂、微生物油脂和废弃无用 油脂均是生物柴油生产的优质原料（图S8-7)。 地沟油 动物油 菜籽油 生物柴油 大豆油 棕榈油 葵花籽油 图S8-7生物柴油的生产原料 【理化性质】生物柴油在物理性质上与石化柴油接近，但化学组成不同，柴油分子由 15个烃链组成，植物油分子一般由14~18个烃链组成，但分子结构相似。生物柴油是含氧 量极高的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有 种类的含氧有机物，如：酯、醚、醛、酮、酚、有机酸、醇等。 【优越性】与普通柴油相比，生物柴油具有以下无法比拟的性能： ()可再生性能。生物柴油是一种可再生能源，其资源不会像石油、煤炭、天然气那样 逐渐枯竭。 (2)环保特性。生物柴油中含硫量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低，可减少约30%
延伸阅读 8-4 生物柴油 生物柴油（Biodiesel）又名脂肪酸甲酯（fatty acid ester），是一种较为洁净的合成油。 是采用动植物油脂等原料（主要成分为脂肪酸甘油酯）与短链醇（主要是甲醇和乙醇）在催 化剂（酸、碱和酶）或超临界的条件下，通过酯交换或热化学工艺制成的可代替石化柴油的 再生性柴油燃料。生物柴油这一概念最早由德国工程师 Dr. Rudolf Diesel （1858-1913）于 1895 年提出的，在 1900 年巴黎博览会上，Dr. Rudolf Diesel 展示了实用花生油作燃料的发 动机。生物柴油基本不含硫和芳烃，十六烷值高达 52.9，可被生物降解、无毒、对环境无害。 它的高含氧 CN 值十分有利于压燃机的正常燃烧从而降低尾气有害物质排放，所以被称为低 污染燃料。直接用作车用优质柴油，即 100％生物柴油（B100），与石油、柴油调配使用， 品种有 2%，5%，10%和 20%，称为 B2，B5，B10，B20 柴油。生物柴油的生产原料是关键， 目前开发的植物油脂（草本油料植物和木本油料植物）、动物油脂、微生物油脂和废弃无用 油脂均是生物柴油生产的优质原料（图 S8-7）。 图 S8-7 生物柴油的生产原料 【理化性质】生物柴油在物理性质上与石化柴油接近，但化学组成不同，柴油分子由 15 个烃链组成，植物油分子一般由 14~18 个烃链组成，但分子结构相似。生物柴油是含氧 量极高的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有 种类的含氧有机物，如：酯、醚、醛、酮、酚、有机酸、醇等。 【优越性】与普通柴油相比，生物柴油具有以下无法比拟的性能： (1) 可再生性能。生物柴油是一种可再生能源，其资源不会像石油、煤炭、天然气那样 逐渐枯竭。 (2) 环保特性。生物柴油中含硫量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低，可减少约 30%
(有催化剂时为70%)：生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因而废气对人体 损害低于柴油。 (3)低温启动性能。和石化柴油相比，生物柴油具有较好的低温发动机启动性能，无添 加剂冷滤点达-20℃。 (4)润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。 (⑤)安全性能。由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、储存、使用方面 的安全性又是显而易见的。 (6)燃烧性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和 发动机机油的使用寿命加长。 (⑦)系统投资少。使用生物柴油无须改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加 油设备、储存设备及人员的特殊技术训练。 (8)可调和性。生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗，提高动力性， 并降低尾气污染。 (9)在所有的燃油中，生物柴油的能量衡算最高
（有催化剂时为 70%）；生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因而废气对人体 损害低于柴油。 (3) 低温启动性能。和石化柴油相比，生物柴油具有较好的低温发动机启动性能，无添 加剂冷滤点达-20℃。 (4) 润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。 (5) 安全性能。由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、储存、使用方面 的安全性又是显而易见的。 (6) 燃烧性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和 发动机机油的使用寿命加长。 (7) 系统投资少。使用生物柴油无须改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加 油设备、储存设备及人员的特殊技术训练。 (8) 可调和性。生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗，提高动力性， 并降低尾气污染。 (9) 在所有的燃油中，生物柴油的能量衡算最高
