生物燃料

前言

能源、資源以及環(huán)境問題是21世紀人類生存發(fā)展所面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)，也是制約我國社會經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。從長遠來看，石油資源將在本世紀上半葉迅速走向枯竭的邊緣，開發(fā)可持續(xù)利用的替代資源的任務(wù)已非常緊迫。我國自1993年開始，已成為石油凈進口國，2008年中國石油進口依存度接近52%。過分依賴進口原油，對我國能源和資源供應(yīng)戰(zhàn)略安全構(gòu)成了潛在威脅。同時，化石燃料的燃燒導(dǎo)致二氧化碳排放量不斷增加，造成全球氣候變暖。我國的二氧化碳排放量近期仍將繼續(xù)增加，這就大大增加了國際上對我國二氧化碳減排的壓力，要求我們盡快尋求緩解途徑。地球上每年光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)總量高達1011t，是足以支撐人類生存發(fā)展的可大規(guī)模再生的能源和實物性有機碳資源。生物質(zhì)既是可再生能源，為人類提供能量；也是可再生資源，為人類提供物質(zhì)性生產(chǎn)所需的原料；且其生產(chǎn)及使用過程對環(huán)境不造成污染。纖維素類物質(zhì)是生物質(zhì)資源的主體部分（占其總量的80%以上），僅中國每年產(chǎn)生的農(nóng)林廢棄物就有約10億噸，價格低廉，供應(yīng)充足，且未得到充分開發(fā)利用。目前，生物質(zhì)能源和化學(xué)工業(yè)多半使用糧食作為原料。在我國，由于人口龐大，糧食安全是極其重要的，國家明確要求相關(guān)技術(shù)的發(fā)展要以“不與人爭糧、不與糧爭地、不破壞生態(tài)環(huán)境”為前提。隨著我國農(nóng)村生活能源結(jié)構(gòu)的變化與集約化生產(chǎn)的發(fā)展，秸稈已經(jīng)逐步由傳統(tǒng)的用于取暖燒柴及飼料演變成了“廢棄物”。在收獲季節(jié)常常就地焚燒，造成嚴重的環(huán)境污染，急需尋找新的高效利用之道。最有前景的方案之一是利用高效生物催化劑來降解轉(zhuǎn)化秸稈，產(chǎn)生人類所急需的液體燃料及化工產(chǎn)品。大規(guī)模開發(fā)和利用生物質(zhì)類可再生性資源，既可以降低我國對原油的過度依賴，保證國家能源安全，又能夠在保護生態(tài)環(huán)境和減緩溫室效應(yīng)的同時，保證農(nóng)村經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展，增加農(nóng)民收入，促進就業(yè)，維護社會的和諧與穩(wěn)定。所以，相關(guān)研究具有極其重要的意義和廣闊的發(fā)展前景。生物轉(zhuǎn)化技術(shù)具有條件溫和、環(huán)境友好等優(yōu)點，具有廣闊的發(fā)展前景。但是，酶法生產(chǎn)纖維素乙醇面臨多種困難：纖維素原料密度小，收集運輸不便；原料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要深度預(yù)處理；纖維素酶系的酶解效率有待提高；半纖維素中的木糖難以發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇等。目前，我們還缺少低成本的生物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化關(guān)鍵技術(shù)，生物轉(zhuǎn)化的效率還不能適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)化要求。本書對纖維素類資源生物轉(zhuǎn)化液體燃料技術(shù)進行了詳盡、深入地介紹，為我們學(xué)習掌握國際上相關(guān)的最新研究進展提供了很好的參考資料。希望該書的翻譯出版能對國內(nèi)深入開展相關(guān)的研究產(chǎn)生推動作用。本書的翻譯工作由微生物技術(shù)國家重點實驗室從事相關(guān)研究的八位同志按各自的特長分頭完成，具體譯者分別標注在各章的后面。最后由本人對全書譯稿進行了統(tǒng)一校改，以保證全書在譯名和翻譯風格上的基本統(tǒng)一。由于原著對相關(guān)的科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟等內(nèi)容涉及廣泛，翻譯中難免有些把握不準的地方，歡迎讀者批評指正。不久的將來，我們還要編寫一本自己的專著，將詳細介紹國內(nèi)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及我們長期從事相關(guān)研究的一些經(jīng)驗和體會。我們真誠地希望能通過我們的共同努力，最終可以實現(xiàn)生物質(zhì)原料全部利用，產(chǎn)品（燃料、大宗化學(xué)品和精細化學(xué)品、藥品、飼料、塑料等）多元化，形成生物質(zhì)煉制巨型行業(yè)，部分替代不可再生的一次性礦產(chǎn)資源，進而實現(xiàn)以碳水化合物為基礎(chǔ)的經(jīng)濟社會的永久可持續(xù)發(fā)展。

內(nèi)容概要

伴隨著目前對經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展的重視，生物乙醇和其他生物燃料受到了極大的關(guān)注。而且生物燃料的生產(chǎn)正由傳統(tǒng)的原料向其他原料如木質(zhì)纖維素材料轉(zhuǎn)變。然而，這種轉(zhuǎn)變需要新的更加經(jīng)濟可行的生產(chǎn)過程。     本書不僅從不同的技術(shù)和工藝選擇的多個方面討論了生物燃料生產(chǎn)的現(xiàn)狀，而且從經(jīng)濟和政治視角對此進行了討論，是一部現(xiàn)實和全面的綜述。具體包括高效生物乙醇生產(chǎn)中的木質(zhì)纖維原料預(yù)處理、原料預(yù)處理足木質(zhì)纖維素高效酶解的關(guān)鍵、開發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化用酶的進展與挑戰(zhàn)、木質(zhì)纖維素水解中的熱穩(wěn)定酶、釀酒酵母的戊糖利用代謝工程、以木糖異構(gòu)酶為關(guān)鍵成分進行釀酒酵母高效木糖發(fā)酵、利用釀酒酵母進行統(tǒng)合生物加工生產(chǎn)乙醇、產(chǎn)乙醇細菌的構(gòu)建、用運動發(fā)酵單胞菌生產(chǎn)燃料乙醇和高附加值產(chǎn)品、乙醇和其他生物燃料的聯(lián)產(chǎn)、生物乙醇生產(chǎn)的過程工程經(jīng)濟學(xué)、支持生物燃料生產(chǎn)的政策選擇等內(nèi)容。     全書內(nèi)容豐富、新穎、簡明易懂，足一本較全面、深入的有關(guān)生物燃料生產(chǎn)過程方面的論著，可供從事生物燃料生產(chǎn)和研究的企業(yè)技術(shù)人員和管理人員閱讀，也可供工業(yè)生物技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的師生參考。

作者簡介

作者：(美國)利斯貝思·奧爾森(L.Olsson) 譯者：曲音波 等

書籍目錄

1　用生物乙醇推動工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展　1.1　導(dǎo)言　　1.1.1　工業(yè)生物技術(shù)　1.2　市場驅(qū)動力　　1.2.1　原材料驅(qū)動：石油經(jīng)濟　　1.2.2　運輸燃料替代品——生物乙醇　　1.2.3　滿足生物乙醇的需求　1.3　工業(yè)系統(tǒng)生物學(xué)：X-組學(xué)　　1.3.1　基因組學(xué)　　1.3.2　轉(zhuǎn)錄組學(xué)　　1.3.3　蛋白質(zhì)組學(xué)　　1.3.4　代謝物組學(xué)　　1.3.5　代謝通量組學(xué)　　1.3.6　工業(yè)系統(tǒng)生物學(xué)和生物乙醇　1.4　展望　致謝　參考文獻2　高效生物乙醇生產(chǎn)中的木質(zhì)纖維原料預(yù)處理　2.1　導(dǎo)言　2.2　對預(yù)處理的評估　2.3　預(yù)處理方法　　2.3.1　物理法　　2.3.2　化學(xué)法　　2.3.3　物理化學(xué)法　　2.3.4　生物法　2.4　預(yù)處理研究進展　　2.4.1　玉米秸稈　　2.4.2　針葉木材料　　2.4.3　兩段預(yù)處理　2.5　結(jié)論　參考文獻3　原料預(yù)處理是木質(zhì)纖維材料高效酶解的關(guān)鍵　3.1　背景　　3.1.1　預(yù)處理工藝概述　　3.1.2　生物質(zhì)的蒸汽預(yù)處理　3.2　蒸汽預(yù)處理后木材原料的性質(zhì)　3.3　原料中的木質(zhì)素　　3.3.1　預(yù)處理對木質(zhì)素含量的影響　　3.3.2　木質(zhì)素對酶水解的影響　3.4　原料中的半纖維素　　3.4.1　預(yù)處理對半纖維素含量的影響　　3.4.2　半纖維素含量對水解的影響　3.5　影響纖維素酶水解效果的原料物理性質(zhì)　　3.5.1　比表面積　　3.5.2　纖維素的結(jié)晶度和聚合度　3.6　結(jié)論　參考文獻4　開發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化用酶的進展與挑戰(zhàn)　4.1　導(dǎo)言  4.2　木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇過程的綜述　　4.2.1　得率損失和成本最小化  4.3　工藝過程對酶用量及成本的影響　　4.3.1　底物選擇對酶的成本的影響　　4.3.2　預(yù)處理方式的影響　　4.3.3　工藝整合對酶性質(zhì)的要求  4.4　酶的發(fā)現(xiàn)：催化效率和生產(chǎn)率　　4.4.1　瑞氏木霉纖維素酶：目前的工業(yè)標準　　4.4.2　對協(xié)同作用的研究　4.5　經(jīng)濟地生產(chǎn)酶　　4.5.1　去掉酶提取過程　4.6　結(jié)論　致謝　參考文獻5　木質(zhì)纖維素水解中的熱穩(wěn)定酶　5.1　導(dǎo)言　5.2　纖維素的酶解　5.3　熱穩(wěn)定纖維素酶　5.4　工藝過程概念　5.5　新型嗜熱酶的評價：材料和方法　　5.5.1　酶　　5.5.2　底物　　5.5.3　瑞氏木霉纖維素酶在高溫下的酶解性質(zhì)　　5.5.4　嗜熱混合酶的酶解性質(zhì)　　5.5.5　化學(xué)分析　5.6　嗜熱酶混合物的組成　5.7　商品真菌酶制劑在高溫下的行為　5.8　新型熱穩(wěn)定酶混合物評價　5.9　熱穩(wěn)定酶在低溫下的行為　5.10　討論　致謝　參考文獻6　釀酒酵母的戊糖利用代謝工程7　以木糖異構(gòu)酶為關(guān)鍵成分進行釀酒酵母高效木糖發(fā)酵8　利用釀酒酵母進行統(tǒng)合生物加工生產(chǎn)乙醇9　產(chǎn)乙醇細菌的構(gòu)建10　用運動發(fā)酵單胞菌生產(chǎn)燃料乙醇和高附加值產(chǎn)品11　乙醇和其他生物燃料的聯(lián)產(chǎn)12　生物乙醇生產(chǎn)的過程工程經(jīng)濟學(xué)13　支持生物燃料生產(chǎn)的政策選擇索引

章節(jié)摘錄

插圖：1.3.3 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)是對細胞在特定條件下蛋白質(zhì)表達進行的定量研究。蛋白質(zhì)組學(xué)是一個更具有挑戰(zhàn)性的組學(xué)研究。這是因為只是在最近才開始發(fā)展出能夠靈敏、精確、準確分析所有蛋白質(zhì)的分析方法。質(zhì)譜（MS）、液相色譜（Lc）、序列數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理方法等分析方法推動了蛋白質(zhì)分析技術(shù)的進步，使得由二維電泳得到的蛋白質(zhì)可以被鑒定，同時使得大規(guī)模蛋白質(zhì)研究變?yōu)榭赡堋?994年，在意大利錫耶納召開的第一屆雙向電泳會議中首次提出了“蛋白質(zhì)組”的概念。蛋白質(zhì)組學(xué)的研究方法包括雙向差異凝膠電泳技術(shù)（DiGE）、多維蛋白質(zhì)鑒定技術(shù)（MuDPiT）、同位素標記親和標簽技術(shù)（IcAT）、基于串聯(lián)質(zhì)譜的定量蛋白質(zhì)分析以及同位素標簽相對和絕對定量技術(shù)（iTRAQ）。盡管發(fā)展較慢，還是已經(jīng)有了在菌株改造和代謝工程改造中成功應(yīng)用蛋白質(zhì)組分析的例子。在工業(yè)生物技術(shù)的應(yīng)用中，二維電泳的分析結(jié)果可用于確定菌株改造的靶向位點，如靶向基因的刪除或共表達可以使產(chǎn)品產(chǎn)量提高。蛋白質(zhì)組分析可以改進工業(yè)發(fā)酵過程的設(shè)計和控制。例如在大腸桿菌工業(yè)發(fā)酵過程中，在有／無重組抗體合成的情況下，大腸桿菌的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)被動態(tài)地記錄下來。重組抗體片段c1318 F（ab1）2是治療急性心肌梗死的生物藥物。

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《生物燃料》：工業(yè)生物技術(shù)譯著系列，國外優(yōu)秀科技著作出版專項基金資助。

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