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纖維素酶生產技術及市場分析
時間:2022-09-26
    纖維素生物質是一種豐富的可再生資源,但其通常被填埋或焚燒。通過纖維素預處理、纖維素酶水解、糖發酵、蒸餾純化等步驟生產以非糧食為原料的生物乙醇。生產及使用以纖維素生物質為原料的 二代生物燃料乙醇,不僅可以實現廢物利用、帶來新經濟增長,而且可以降低碳排放、保護環境。
    纖維素酶是可以將纖維素分解成寡糖或單糖的蛋白質。纖維素酶不是單體酶,而是具有協同作用的多組分酶系,是一種復合酶,主要由外切葡聚糖酶、內切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等組成。

    纖維素酶目前被廣泛用于紡織、造紙、食品、飼料等行業,是工業酶中的重要類別。纖維素酶是繼淀粉酶(約占25%)和蛋白酶(約占18%)后,全球市場第三大工業酶(約占15%)。纖維素生物質的酶促水解是一種具有潛力的糖的生成方法,產物可以作為多種增值產品(如生物乙醇、有機酸、抗生素和動物飼料)的原料。纖維素的酶促水解優于酸性和堿性水解,因為酶是可回收的,能量需求低且無 污染。細菌、真菌和放線菌都可以產生纖維素酶,生產成本和纖維素酶產量是該工藝經濟性的主要制約因素。

  纖維素酶生產技術
    纖維素酶生產需要有適當的生產方法和培養條件才能得到較高的酶產量。目前, 纖維素酶發酵方式主要有液體深層發酵(SmF)、固態發酵(SSF) 等。盡管使用固態發酵生產纖維素酶在工業化生產及成本控制上有優勢,但由于生產規模、工藝參數控制等瓶頸制約,目前纖維素酶的商業化生產多在SmF條件下進行。
    1 纖維素酶液體深層發酵
    纖維素酶液體深層發酵是酶大規模生產中常用的技術,通常在具有可溶性底物的流動液體中進行發酵。絲狀真菌如曲霉、青霉和木霉通常在固體培養基中產生大量的纖維素酶,但生產中控制過程參數、過程監測和下游處理等的簡易性使液體發酵更為常用。在該技術中,pH、溫度、底物濃度、誘導劑和培養基組成等各種因素顯著影響纖維素酶的產生。其主要缺點是需要較長的發酵時間而產量較低。在微生物中,常使用細菌液體深層發酵生產纖維素酶,但是也可在液體深層發酵下培養一些真菌如曲霉、青霉、木霉等, 用于生產纖維素酶。
    真菌的纖維素分解活性可以根據培養基以及培養條件而改變。為了提高生產效率,在液體深層發酵中使用各種合成或天然碳源。例如,Acharya等在28 ℃、pH4 ~ 4.5、120r/min和以蛋白胨作為氮源的條件下觀察到黑曲霉纖維素酶的高活性。同樣,Karthikeyan等研究了青霉菌生產纖維素酶。在添加果糖和硝酸銨、pH3.0和30℃條件下,表現出大的纖維素酶活性。在多種碳源和氮源條件下,黑曲霉生產纖維素酶的大產量是在補充1%羧甲基纖維素或鋸末的察氏培養基、pH5的條件下獲得。
    2 纖維素酶固態發酵
    纖維素酶固態發酵是酶在工業生產中的重要途徑。固態發酵不僅有助于將農業廢棄物生物轉化為增值產品,而且能夠以更少的能源消耗有效地回收利用木質纖維素材料。此前,固態發酵僅適用于食品領域產品的發酵,但進一步的研究表明這種技術具有在低成本條件下高 效產酶的優勢。固態發酵較低的資本投資和運營成本使其利于纖維素酶生產商業化。由于固態發酵的離散性質,底物的物理化學特性如結晶度、床孔隙率和表面積會影響真菌培養物中纖維素分解酶系統的產生。在固態發酵中,溫度、pH和含水量等條件是影響微生物生長和纖維素酶產生的關鍵因素。
    農業廢棄物如小麥和大米的麩皮,玉米、小麥和大米的秸稈,甘蔗渣,鋸末等是生產纖維素酶常用的底物。例如,Liu等研究了針對不同的木質纖維素底物,如水稻、小麥、棉花或玉米秸稈、玉米芯,使用煙曲霉生產的纖維素酶進行預處理,以玉米芯為底物實現內切葡聚糖酶的大產量,刺糙青霉在含有預處理甘蔗渣和麥麩組合的培養基上顯示出纖維素分解酶的大產量。Dutta等研究用小麥和大米的麩皮、稻草作為底物來生產桔青霉的纖維素酶,所有這些基質都支持纖維素酶的生產。黃曲霉BS1能夠有效利用不同的木質纖維素底物。
    3 兩種發酵方法的比較

    相比于液體深層發酵生產纖維素酶,固態發酵可以更有效地生產。固態發酵有三個優點:降低水和能源消耗;減少廢物產出;可生產更高濃度的產品。此外,液體深層發酵過程中纖維素酶的產生受到分解代謝和終產物抑 制,而固態發酵系統可顯著避免這些不利因素,因此更具有經濟性。


    4 纖維素酶生產模式
    在工業發酵過程中,微生物吸收營養物質生產纖維素酶。生產過程通常受兩個主要因素影響,即生產位置和生產原料。傳統的纖維素酶生產設施遠離纖維素乙醇工廠,采用中 央工廠式統一集中生產,而且一般使用葡萄糖作為主要營養成分;而集成生產模式通過使用纖維素生物質代替葡萄糖以降低成本。纖維素酶生產的模式有以下三種。
    ① 異地生產模式。在這種方法中,纖維素酶在中 央工廠生產并運往纖維素乙醇生產現場。主要原料是葡萄糖、主要輔助原料是含有氮、磷和鉀的混合物。玉米漿也可以作為蛋白質來源添加。發酵罐產物為含有纖維素酶和其他蛋白質的混合物。為了在運輸期間保持纖維素酶的活性,需要將其純化,之后通過物流將纖維素酶運輸至乙醇生產工廠。
    ② 現場生產模式。纖維素酶的生產方法基本與非現場模式相同,只是纖維素酶工廠獨立位于乙醇工廠附近。近距離運輸減化了純化步驟,可將蛋白質混合物直接進料至乙醇裝置中。現場模式的纖維素酶生產規模需要匹配乙醇工廠的需求,因此纖維素酶的生產規模一般小于非現場模式。
    ③ 集成生產模式。將纖維素酶生產及乙醇生產整合。以纖維素替代葡萄糖作為纖維素酶生產的主要原料。該工藝能更好的優化菌株、底物和產物等生產環節,實現相互促進,提高  效率。
    雖然諾維信公司仍致力于異地生產模式,但其他行業參與者, 如Dyadic、杜邦和帝斯曼公司已轉向現場生產模式。現場生產模式可顯著降低物流成本并簡化供應鏈,可以生產具有針對性的酶組合物,來水解特定生物質原料,包括玉米秸稈、小麥秸稈、高粱、木漿和其他能源作物在內的各種原料及其組合,確保反應在佳條件下運行。
    5 纖維素酶及纖維素乙醇生產成本
    纖維素酶生產成本是影響纖維素乙醇生產成本的重要因素。纖維素酶生產商Dyadic、諾維信和杜邦等公司近年來通過不斷研發纖維素酶生產技術,以降低纖維素酶成本在纖維素乙醇總成本中的占比。目前每加侖纖維素乙醇中纖維素酶的成本已從2010 年的近2美元降低至約0.30 美元(1加侖= 3.7854 升)。
    纖維素酶生產模式變化同樣影響纖維素乙醇生產成本。傳統纖維素酶異地生產模式無法實現纖維素酶成本的實質性降低,纖維素乙醇生產商已采用自有技術或以技術許可方式現場生產纖維素酶。有數據顯示纖維素酶成本分別占異地模式、現場模式及集成模式的28%、22%和10%。而將異地生產模式轉變為現場生產模式或集成生產模式,則能夠分別降低纖維素酶生產成本8%和20%,分別降低纖維素乙醇生產總成本7%和19%。因此實現纖維素酶的本地化生產是纖維素酶及纖維素乙醇成本實質性下降的關鍵所在。
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