新一代能源——纤维素燃料.doc

新一代能源——纤维素燃料 摘要：纤维素燃料的研究对于缓解能源危机，保护环境至关重要，然而自然环境下的纤维素材料不易被降解，其主要受阻于生物质抗降解屏障。本文介绍了生物质抗降解屏障的产生以及酶的作用机理，同时对纤维素燃料未来技术的发展方向及其商业化挑战做了简短的概括。 关键词：纤维素燃料；生物质抗降解屏障；CBP 前言 随着全球经济的飞速发展，石化资源日益枯竭，能源危机成了世界各国所面临的一个严峻问题。据美国能源部资料显示,以目前全球的经济增长速度计算，适合于经济开采的石油和天然气资源分别只能再维持25年和45年,煤炭资源也仅够开采100年[1]。不仅如此，传统能源的使用还带来了环境恶化和物价上涨的双重危害。2007年，气候变化多国会议确认，自1950年起全球气候变暖90%源于能源消耗排放的CO2和其他温室气体。同时，能源需求上涨导致原料价格上涨，由此产生一系列的连锁反应，最终致使几乎所有的日常生活用品和服务价格上涨[2]。 利用生物质生产可再生能源，被认为是减小能源危机和环境压力的最有效途径之一。2007年美国能源独立与安全法（EISA）确定了可再生燃料标准（RFS），RFS要求美国可再生燃料生产将从2008年的90亿加仑/年增加到2022年的360亿加仑/年，其中160亿加仑有望来源于木质纤维素[3]。 纤维素燃料的益处 石油为全球提供了大约35%的能源，超过了其他传统能源，战争多发地区几乎占据了已知的所有石油储备。据资料显示，超过50%的石油被用于运输，运输所用的能源几乎完全来源于石油[4]。由此，寻找运输能源的替代燃料对于缓解能源压力，保障交通运输显得至关重要。纤维素燃料恰恰能够满足这样的需求。纤维素燃料的生产不仅能够显著减少石油进口，保障能源安全，促进农业发展，还可以增加就业，减少因石油进口导致的贸易逆差[5]。 利用木质素为纤维素燃料生产提供，减少石化燃料在原料生长、收获、运输以及转化过程中的摄入，将有利于形成理想的能量均衡体系。以整个生命周期计算，摄入的石化能量低于所获乙醇能量的10%，更重要的是减少了温室气体的排放，温室气体排放量不足石化燃料的12%[6]，如用电替代煤燃料或在整个过程中更多的利用可再生燃料，这个比率还减少。同时，我们还可以将生物质转化过程中（主要为发酵阶段）生成的二氧化碳进行有效，如扣押在地下或通过某些新兴技术转化为其他有效物质等。 生物质抗降解屏障 目前，具有成本竞争力的燃料的生产主要受阻于3个方面：1、高原料成本；2、高预处理费用；3、高的生物转化成本[7]。其中后两者与生物质抗降解屏障密切相关，如果要实现纤维素燃料的商业化，我们就必须克服生物质抗降解屏障带来的诸多问题。 在长期自然选择的过程中，植物形成了非常复杂的结构和化学机制，用于抵抗来自于微生物和动物的侵害。木质纤维素对化学物质或者酶的阻滞主要源于以下几个因素：1、植物的表皮组织，特别是角质层和表面蜡质；2、维管束的排列和密度；3、厚壁组织的相对含量；4、木质化程度；5、结构异质和复杂的细胞壁成分，如微纤维和基质聚合物；6、酶作用于不溶性底物的挑战；7、发酵生成的抑制剂，包括本身存在于细胞壁中和在转化过程中生成的抑制剂；8、精炼过程中，生物质的化学和结构要素对酶渗透性和活力的影响[8]。在分子水平，细胞壁微纤维核心——结晶纤维素对化学和生物水解具有高度阻抗作用。结晶纤维素中纤维素链精密排列，纤维素中葡萄糖残基的椅式结构迫使羟基形成径向排列，而脂肪氢原子位于轴向位置。结果，在纤维素片中，邻近的分子链形成很强的氢键作用，同时在纤维素片间形成较弱的疏水作用。强的氢键网络是结晶纤维素抵抗酶水解的主要手段；同时纤维素片的疏水面能够在水合纤维素表面形成一层致密的水分子保护层从而抵抗酸的水解[9]。不仅如此，植物的高级结构也是形成生物质抗降解屏障的要素之一，纤维素微纤维被嵌入在由半纤维素和木质素等高聚物形成的矩阵中，半纤维素具有多分枝的结构，它与坚硬的非多糖类聚合物木质素结合在纤维素表面形成一层致密的包被，抵抗酶和化学物质的侵袭[3]。另外，无论是在宏观或是微观水平，生物质的结构异质对于化学或生物催化剂的传递都造成了巨大的。 酶降解 自然界中，多种微生物可以利用纤维素，他们产生协同作用的酶，如纤维小体；或单独作用的酶，如大多数真菌和细菌生成的纤维素酶[8]。尽管到目前为止，我们仍然不能完全了解有多少种酶参与了细胞壁的降解，然而三大类酶被公认是降解细胞壁材料所必需的：纤维素酶，半纤维素酶和起辅助作用的酶，包括半纤维素脱支酶，酚醛酸酯酶，木质素降解和修饰酶等[3]。一旦细胞壁中微纤维的半纤维素屏障被打破，纤维素酶就可以对这些结构中的结晶纤维素核心进行降解。 目前，对于纤维素酶水解的确切反应机理尚不清楚，还处于研究阶段，但普遍认为天然纤维素水解成