Production d'éthanol a partir de biomasse lignocellulosique
Production d'éthanol a partir de biomasse lignocellulosique
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生物质木质纤维素部分乙醇的生产
DOI：
10.2516/ogst:1999004
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发表时间：
1999
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
J. Pourquie
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Julien Ogier;D. Ballerini;J. Leygue;L. Rigal;J. Pourquie
这项研究总结了从木质纤维素底物生产酒精领域的科学技术知识。这项工作是在Agrice（农业用于化学和能源）框架内进行的，是一篇文献综述，旨在确定能够突破与这类工艺相关的某些技术和经济瓶颈的进展。木质纤维素生物质是一种复杂的底物，由纤维素、半纤维素和木质素这三个主要成分组成。乙醇生产工艺包括通过水解从纤维素和半纤维素成分中回收尽可能多的糖，然后将这些糖发酵成乙醇。最初使用的水解工艺主要是化学方法，但目前它们竞争力不强，特别是由于试剂成本以及大量副产物和抑制性化合物的形成，使得水解产物不易发酵。它们现在受到酶法工艺的竞争，酶法工艺更具特异性，并且在不太苛刻的条件下能实现更好的水解产率。然而，木质纤维素生物质不能直接被酶作用，它必须首先经过一个预处理阶段，其目的是提高纤维素对酶水解的敏感性，并可能将半纤维素成分水解为单糖。在众多已研究的预处理方法中，我们确定了三种最能满足上述目标的方法：稀酸预处理、使用催化剂的蒸汽爆破和热水解。这三种方法可以使纤维素的酶水解产率接近100%，同时使半纤维素的水解率高于80%，并将降解化合物的形成降至最低。酶水解仍需改进，以降低与酶消耗相关的成本。主要的研究方向应集中在提高纤维素酶的活性上，以便尽可能接近淀粉酶等酶的活性。同步糖化和发酵（SFS）工艺的发展通过减少产物对酶的抑制反应来提高酶的效率。其缺点与酶水解和发酵的最佳温度之间的差异有关。因此，必须继续寻找在高温下仍保持良好发酵性能的微生物。该工艺的另一个技术瓶颈涉及戊糖的酒精发酵，戊糖可占木质纤维素生物质中总糖的25%至40%。这就是为什么必须将它们转化为乙醇的原因。与广为人知且已掌握的葡萄糖酒精发酵不同，由于所使用微生物的发酵性能较差，戊糖的发酵问题仍未解决。基因工具的开发以及关于改造酿酒酵母和运动发酵单胞菌以使其获得发酵戊糖能力的新研究方向，应该能够提高性能，并可能接近酿酒酵母在葡萄糖上所达到的性能。
Cette etude fait le point des connaissances scientifiques et techniques dans le domaine de la production alcoolique a partir de susbstrats lignocellulosiques. Ce travail, realise dans le cadre d'Agrice (Agriculture pour la chimie et l'energie), est une synthese bibliographique qui a cherche a identifier les avancees capables de debloquer certains verrous technologiques et economiques lies a ce type de procede. La biomasse lignocellulosique est un substrat complexe, constitue des trois principales fractions que sont la cellulose, les hemicelluloses et la lignine. Le procede de production d'ethanol consiste a recuperer par hydrolyse le maximum de sucres issus a la fois des fractions cellulosiques et hemicellulosiques, puis de fermenter ces sucres en ethanol. Les premiers procedes d'hydrolyse utilises etaient surtout chimiques, mais ils sont peu competitifs a l'heure actuelle, en raison notamment du cout des reactifs et de la formation de nombreux sous-produits et de composes inhibiteurs rendant les hydrolysats peu fermentescibles. Ils sont desormais concurrences par les procedes enzymatiques, plus specifiques et qui permettent de meilleurs rendements d'hydrolyse dans des conditions moins severes. Cependant, la biomasse lignocellulosique n'est pas directement accessible aux enzymes, et elle doit subir au prealable une phase de pretraitement dont l'objectif est d'ameliorer la susceptibilite a l'hydrolyse enzymatique de la cellulose et eventuellement d'hydrolyser la fraction hemicellulosique en sucres monomeres. Parmi les nombreuses methodes de pretraitement qui ont ete etudiees, nous en avons identifie trois repondant au mieux aux objectifs precedemment cites : le pretraitement a l'acide dilue, l'explosion a la vapeur avec utilisation d'un catalyseur, et la thermohydrolyse. Ces trois methodes permettraient d'atteindre des rendements d'hydrolyse enzymatique de la cellulose proches de 100 %, tout en permettant un taux d'hydrolyse des hemicelluloses superieur a 80 %, et en minimisant la formation de composes de degradation. L'hydrolyse enzymatique doit encore etre amelioree afin de reduire le cout lie a la consommation d'enzymes. Les principales voies de recherche devraient porter sur l'amelioration de l'activite des cellulases, afin de se rapprocher le plus possible de celles d'enzymes telles que les amylases. Le developpement du procede SFS (saccharification et fermentation simultanees) permet d'ameliorer l'efficacite des enzymes en minimisant les reactions d'inhibition des enzymes par les produits formes. Son inconvenient est lie aux differences entre les temperatures optimales de l'hydrolyse enzymatique et de la fermentation. La recherche de micro-organismes conservant de bonnes performances fermentaires a temperature elevee doit donc se poursuivre. Un autre verrou technologique du procede concerne la fermentation alcoolique des pentoses, qui peuvent representer jusqu'a 25 a 40 % des sucres totaux contenus dans la biomasse lignocellulosique. C'est pourquoi il est indispensable de les valoriser en ethanol. Contrairement a la fermentation alcoolique du glucose, largement connue et maitrisee, celle des pentoses n'est toujours pas resolue, en raison des performances fermentaires mediocres des micro-organismes utilises. Le developpement des outils genetiques et les nouvelles voies de recherche portant sur la transformation de Saccharomyces cerevisiae et de Zymomonas mobilis afin de leur faire acquerir la capacite a fermenter les pentoses, devraient permettre d'ameliorer les performances, et eventuellement de se rapprocher de celles enregistrees sur glucose par Saccharomyces Cette etude fait le point des connaissances scientifiques et techniques dans le domaine de la production alcoolique a partir de susbstrats lignocellulosiques. Ce travail, realise dans le cadre d'Agrice (Agriculture pour la chimie et l'energie), est une synthese bibliographique qui a cherche a identifier les avancees capables de debloquer certains verrous technologiques et economiques lies a ce type de procede. La biomasse lignocellulosique est un substrat complexe, constitue des trois principales fractions que sont la cellulose, les hemicelluloses et la lignine. Le procede de production d'ethanol consiste a recuperer par hydrolyse le maximum de sucres issus a la fois des fractions cellulosiques et hemicellulosiques, puis de fermenter ces sucres en ethanol. Les premiers procedes d'hydrolyse utilises etaient surtout chimiques, mais ils sont peu competitifs a l'heure actuelle, en raison notamment du cout des reactifs et de la formation de nombreux sous-produits et de composes inhibiteurs rendant les hydrolysats peu fermentescibles. Ils sont desormais concurrences par les procedes enzymatiques, plus specifiques et qui permettent de meilleurs rendements d'hydrolyse dans des conditions moins severes. Cependant, la biomasse lignocellulosique n'est pas directement accessible aux enzymes, et elle doit subir au prealable une phase de pretraitement dont l'objectif est d'ameliorer la susceptibilite a l'hydrolyse enzymatique de la cellulose et eventuellement d'hydrolyser la fraction hemicellulosique en sucres monomeres. Parmi les nombreuses methodes de pretraitement qui ont ete etudiees, nous en avons identifie trois repondant au mieux aux objectifs precedemment cites : le pretraitement a l'acide dilue, l'explosion a la vapeur avec utilisation d'un catalyseur, et la thermohydrolyse. Ces trois methodes permettraient d'atteindre des rendements d'hydrolyse enzymatique de la cellulose proches de 100 %, tout en permettant un taux d'hydrolyse des hemicelluloses superieur a 80 %, et en minimisant la formation de composes de degradation. L'hydrolyse enzymatique doit encore etre amelioree afin de reduire le cout lie a la consommation d'enzymes. Les principales voies de recherche devraient porter sur l'amelioration de l'activite des cellulases, afin de se rapprocher le plus possible de celles d'enzymes telles que les amylases. Le developpement du procede SFS (saccharification et fermentation simultanees) permet d'ameliorer l'efficacite des enzymes en minimisant les reactions d'inhibition des enzymes par les produits formes. Son inconvenient est lie aux differences entre les temperatures optimales de l'hydrolyse enzymatique et de la fermentation. La recherche de micro-organismes conservant de bonnes performances fermentaires a temperature elevee doit donc se poursuivre. Un autre verrou technologique du procede concerne la fermentation alcoolique des pentoses, qui peuvent representer jusqu'a 25 a 40 % des sucres totaux contenus dans la biomasse lignocellulosique. C'est pourquoi il est indispensable de les valoriser en ethanol. Contrairement a la fermentation alcoolique du glucose, largement connue et maitrisee, celle des pentoses n'est toujours pas resolue, en raison des performances fermentaires mediocres des micro-organismes utilises. Le developpement des outils genetiques et les nouvelles voies de recherche portant sur la transformation de Saccharomyces cerevisiae et de Zymomonas mobilis afin de leur faire acquerir la capacite a fermenter les pentoses, devraient permettre d'ameliorer les performances, et eventuellement de se rapprocher de celles enregistrees sur glucose par Saccharomyces cerevisiae.