木质纤维素原料生产乙醇的最新技术
可再生的木质纤维素生物质是一种可持续的生物乙醇生产原料，显示了取代化石燃料的潜力。由于由纤维素、半纤维素和木质素组成的植物细胞壁具有难以克服的结构，因此在生物质转化过程中需要在酶解和发酵前采用高效的预处理工艺来降解纤维素纤维的结晶度和去除生物质中的木质素。正确的预处理技术、经济的纤维素酶生产、有效的葡萄糖和木糖发酵是生物乙醇生产的关键挑战。虽然人们正在设计能够发酵木糖的新菌株，但它们往往对水解物中的有毒化合物没有抵抗力。本文从糖/乙醇收率的角度对目前木质纤维素生物乙醇生产中应用最广泛的预处理技术和酶解发酵的关键操作条件进行了综述。此外，本文还探讨了去除有毒物质的相关解毒策略和固定化的重要性。这篇综述还指出了工程微生物在改善葡萄糖和木糖发酵、纤维素分解酶生产和应对逆境方面的潜在应用。
1.介绍
为了解决能源和环境危机，目前正在开发利用不同原料生产可再生和可持续能源，如液体生物燃料(乙醇、生物柴油等)和气体生物燃料(氢、甲烷)。考虑到不同的原材料和技术角度，所有生物燃料分为四代(Soltanian等人，2020)。
第一代生物燃料是由含有淀粉的粮食作物(如玉米、小麦、木薯、甘蔗)制成的，因此它们的生产会与粮食或饲料供应和耕地产生冲突(Zhao等人，2019年)。有趣的是，到2020年，第一代生物燃料占全球生物燃料总产量的96%。木质纤维素基生物燃料是指第二代生物燃料，在不久的将来可能成为潜在的汽油替代品。第三代和第四代生物燃料是利用藻类生物质获得的，但第四代生物燃料使用的是转基因藻类，其脂肪含量很高(Sivagurunathan等人，2017)。2018年，全球市场上生物乙醇的估计量约为1100亿升，预计到2022年将达到1400亿升(Sharma等人，2020)。全球大部分生物乙醇生产属于美国(56%)、巴西(28%)、欧盟(5%)、中国(4%)和加拿大(2%)。预计第二代将增加其在全球市场贡献乙醇纤维素乙醇商业化增长从廉价的废物,特别是因为美国和欧盟生物燃料政策促进全世界一代纤维素基生物燃料的进步(Karagozetal.,2019)。
木质纤维素的基本成分是共价交联的碳水化合物聚合物纤维素和半纤维素，以及非碳水化合物木质素。生物质的典型成分是30-50%纤维素、20-40%半纤维素和10-20%木质素，然而，碳水化合物的浓度可能根据生物质亚型不同(Karagoz等人，2019)。与成本昂贵的热化学方法(如热解)相比，由于操作条件温和，木质纤维素废料的生化转化为生物乙醇(如发酵)受到越来越多的关注。生物乙醇生产通过生物技术方法从研究的角度处理的主要加工步骤，如预处理，酶水解和发酵(Robak和Balcerek等人,2018)的各个方面。
目前，作者报道了相对通用的预处理方法，以打开木质纤维素多糖酶解使用各种生物、化学、物理和物化预处理技术，如碱预处理、酸预处理、有机溶剂和蒸汽爆炸(Fernaacute;ndez-Delgado等人，2019;Matsakas等人，2019;赵等，2020)。另一方面，有毒副产物的形成阻碍了生物乙醇的生产性能，因此在发酵前引入解毒策略以减少其对微生物活力的负面影响。生物乙醇生产中的另一个问题是非生产性纤维素酶与木质素的结合，这可以通过应用非离子表面活性剂来缓解(Saini等人，2016)。此外，利用基因工程开发了大量微生物，以提高纤维素分解酶、木糖和葡萄糖发酵的效率和抑制剂抗性(Amoah等人，2019;vanDijk等人，2019;赵等人，2019)。此外，许多微生物被固定在不同类型的载体上，以提高生物系统在应激因素下的性能，如高温、pH变化或高底物浓度(Kyriakou等人，2020)。本文旨在为木质纤维素生物质通过生物化学途径生产生物乙醇提供基础认识。此外,本文地址选项通过解毒过程改进预处理后的有毒副产物解毒水解物，利用微生物工程获得木糖发酵的木质纤维素乙醇专用菌株，木质纤维素的分解，和/或抗压力的能力，以及固定的应用。
2.木质纤维素生物质的顽固结构
纤维素是一种线性聚合物，由beta;-1,4糖苷键连接的葡萄糖亚基组成。它包裹在半纤维素和木质素网中(Amoah等人，2019)。由于强大的氢键和范德华力，使纤维素链形成微纤丝，纤维素显示出结晶性质和难以降解的结构。半纤维素是一种无定形支链聚合物，由己糖(葡萄糖、甘露糖)、戊糖(木糖、阿拉伯糖)和糖醛酸组成。根据原料的组成，半纤维素是不同的。它通常含有一条线性的木聚糖链和变异较大的分支骨干链，包括葡萄糖醛酸、甘露聚糖、半乳甘露聚糖、葡甘露聚糖等(Soltanian等人，2020)。木质素是一种高度支化的杂聚物，由具有芳香环的醇组成，如香豆醇、芥子醇和松柏醇。它们通过碳碳键和醚键连接。在生物燃料生产中，木质素被认为是一个物理屏障，由于纤维素酶与木质素的不可逆和非生产性结合，它限制了酶水解(Chen等人，2018b)。
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