Production of bioethanol from wheat straw: An overview on pretreatment, hydrolysis and fermentation
- 作者
- Farid Talebnia, Dimitar Karakashev, Irini Angelidaki
- 单位
- Department of Environmental Engineering, Building 113, Technical University of Denmark, Lyngby 2800, Denmark
- 杂志
- Bioresource Technology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2009.11.080
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
小麦秸秆作为丰富的农业残留物，利用其生产生物乙醇，但现有技术成本过高，难以商业化，需要提高预处理、水解和发酵过程的效率。
研究策略
综述最新的预处理（物理、物理化学、化学和生物方法）、酶水解和发酵工艺的研究进展，比较不同方法的糖收率和乙醇收率，并展望生物炼制概念。
研究路线图
核心内容
该研究系统综述了以小麦秸秆为原料生产生物乙醇的预处理、水解与发酵技术进展。作者比较了物理、物理化学、化学和生物预处理方法对后续酶解糖收率的影响，发现球磨预处理可使糖化率由17.7%提升至61.1%，稀酸结合蒸汽爆破预处理糖收率达99.6%（612 mg/g干物质），碱性过氧化氢预处理为96.7%，臭氧预处理酶解收率88.6%，而未经处理仅29%。发酵方面，天然非适应酿酒酵母表现最佳，乙醇收率达99%理论值，浓度31.2 g/L，产率1.16 g/L/h；重组大肠杆菌FBR5收率90%，但产率仅0.4 g/L/h。研究指出，预处理和酶制剂成本仍是商业化瓶颈，开发能高效共发酵五碳糖和六碳糖的菌株是提升经济性的关键。总体来看，小麦秸秆产乙醇在技术上可行，但近期更现实的路径是结合生物炼制，通过联产多种高值产品来分摊成本。
创新点
对比分析不同预处理方法对糖收率的影响（74-99.6%理论值），总结多种微生物的乙醇发酵性能，指出天然酿酒酵母目前最佳，重组菌有前景。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 天然非适应菌株，乙醇收率99%，最终浓度31.2 g/L，产率1.16 g/L/h |
| Thermoanaerobacter BG1L1 | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 极端嗜热厌氧菌，乙醇收率76%，产率0.2 g/L/h，浓度14.4 g/L |
| Kluyveromyces marxianus CECT 10875 | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 耐热酵母，乙醇收率65%，浓度36.2 g/L，产率0.5 g/L/h |
| Pichia stipitis | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 能利用木糖，乙醇收率82%，浓度19 g/L，产率0.27 g/L/h |
| Escherichia coli (recombinant strain FBR5) | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 重组菌，乙醇收率90%，浓度18.9 g/L，产率0.4 g/L/h |
| Trichoderma reesei | 纤维素水解 | — | 纤维素酶 | 催化 | 产纤维素酶，用于酶解 |
| Aspergillus niger | 纤维素水解 | — | β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 补充β-葡萄糖苷酶，缓解纤维二糖抑制 |
关键发现
- 预处理后酶解糖收率为74%～99.6%理论值
- 乙醇发酵收率65%～99%理论值。天然非适应酿酒酵母表现最佳，乙醇收率99%、浓度31.2 g/L、产率1.16 g/L/h。球磨预处理使糖化率从17.7%提高至61.1%
- 稀酸+蒸汽爆破预处理糖收率达99.6%（612 mg/g DM）
- 碱性过氧化氢预处理糖收率96.7%（672 mg/g DM）
- 湿氧化预处理后纤维素转化率达85%
- 臭氧预处理酶解收率88.6%，未处理仅29%。重组大肠杆菌FBR5乙醇收率90%，浓度18.9 g/L，产率0.4 g/L/h。
研究结论
小麦秸秆生物乙醇生产具有潜力，但需降低预处理和酶成本，开发高效混合糖发酵菌株，生物炼制是近期经济可行的方案。