黄和/金明杰团队：先进生物技术在纤维素燃料乙醇中的应用及展望

当今，纤维素燃料乙醇作为一种可再生能源能够实现我国能源领域多方面的转型和改进，推动其持续发展具有重大市场潜力和应用前景。

近日， 南京师范大学食品与制药工程学院 黄和教授 团队与 南京理工大学环境与生物工程学院 金明杰教授 团队在《生物加工过程》期刊发布《 先进生物技术在纤维素燃料乙醇中的应用及展望》一文。关于纤维素燃料的重要性、主要挑战及突破等做了重要综述。

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新时代下继续发展纤维素燃料乙醇的重大挑战

（1）原料供给的挑战

第一代燃料乙醇使用玉米、甘蔗和马铃薯等糖/淀粉作物作为原料，但其大规模生产对食物供应构成威胁，因此引发了“与人争粮，与粮争地”的问题。为了解决这一问题，人们开始以农业废弃物和木质纤维素材料为原料生产二代燃料乙醇。尽管(转基因)藻类也可作为原料来生产生物能源，但由于藻类的收获困难和前期成本昂贵，现在还无法实现大规模生产。相比之下，二代燃料乙醇具有原料成本低、来源广泛、投资成本也较低且对环境的影响小等优点。

近年来，各国陆续建设了纤维素燃料乙醇生产的示范项目 。 预计二代燃料乙醇工艺有望使美国乙醇年产量增加1倍，巴西乙醇年产量增加3倍以上，可见，未来二代燃料乙醇有望完全取代一代燃料乙醇。

（2）生产工艺的挑战

为了能够与石油的成本相竞争，需要提升燃料乙醇生产工艺中 原料转化为糖的技术 。在纤维素乙醇生产过程中，工业友好的预处理方法以及后续的酶水解是资本密集型的步骤。

预处理通过破坏植物细胞壁致密结构以提升纤维素和半纤维素的可消化性，再通过纤维素酶的协同作用进而释放出糖分子。然而，这些酶在水解过程中面临非生产性结合、酶抑制和反应速率低等问题，使酶解效率和糖产量都降低。

因此，降低酶的使用量和成本是一个不可避免的任务，需要寻找更经济高效的酶水解方法或开发更具成本效益的酶。 此外，微生物利用可发酵糖进行发酵生产乙醇的工艺也至关重要。通过工艺流程优化或菌株改造来提高发酵效率或实现对木糖的转化，对于木质纤维素精炼具有重要意义。

在这里，团队主要综述几种先进生物技术对纤维素燃料乙醇发展的推进作用以及未来的发展前景。

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推动纤维素燃料乙醇高质量发展的先进生物技术

随着科学技术的快速发展，近年来已经开发出诸多先进的生物技术来推动燃料乙醇的高效生产发展，将从以下4个方面(图1)进行具体阐述。