[发明专利]一株高产耐热耐酸纤维素酶的霉菌及发酵纤维乙醇新方法

说明书

技术领域

本发明属于微生物菌种分离与发酵技术，涉及分离获得一种新型嗜热酸土曲霉M11，可高产耐热、耐酸的纤维素素酶，以及以此菌为基础的新型一步综合生物工艺产纤维乙醇的新发酵方法。

背景技术

木质植物纤维素是自然界中最丰富、最廉价的可再生资源，约占植物组织平均干重的20％-45％。全世界每年通过光合作用产生的纤维素类物质高达1.55×10¹¹吨，其中89％尚未被人类利用。含大量纤维素的秸杆、植物腐质物以及城市的生活垃圾主要通过焚烧和掩埋处理，不仅污染环境而且浪费大量资源。利用纤维素资源生产生物乙醇，被认为是解决能源危机的最为理想的办法之一。乙醇是人类饮料和食品中所用的主要化学物质，可作为工业化学物质和作为燃料或燃料组分如为汽车重新配置的汽油。

纤维素与木质素均为植物细胞壁的成分。植物细胞壁中，纤维素被半纤维素和木质素通过物理和化学作用所包裹，不利于纤维素酶对纤维素的进攻。要游离、纯化、水解纤维素，必须首先解除木质素对纤维素的覆盖、包裹状态，其中包括对木质素的降解。目前，纤维素分离的方法和途径可以分为化学法、物理法等。用高温、高压蒸煮及大量的酸、碱处理，使木质素游离、溶出。物理处理法是用液氨预处理、蒸汽爆破、低温氨爆破等方法使纤维素得以充分暴露，为期酶解创造条件。因此，在利用纤维素生产乙醇的过程中，都有一个与处理的过程，让纤维素物质暴露出来。

接下来纤维素的水解糖化，主要利用纤维素酶来完成。纤维素酶是一组能把纤维素分解成葡萄糖和其它化学物质的总称，已在食品，饲料等工业得到应用，尤其在纤维素转化燃料乙醇工业中显示出巨大的潜力。目前来说，纤维素酶价格较高，限制了它的广泛应用。纤维素酶的生产主要有固态发酵和液态发酵两种方式。固态发酵法具有设不备简单、投资少、成本低、见效快等优点已受到科学工作者的广泛青睐，是有效降低纤维素酶价格的途径之一。

纤维素糖化以后，接种酵母发酵。关于纤维素的发酵一般有下面几种发酵方式：分步水解发酵、同步糖化发酵、同步糖化共发酵和综合生物工艺。综合生物工艺与其它发酵模式不同之处，就是木质纤维素水解酶的生产与糖化和乙醇发酵在一个综合过程中。在木质纤维素水解糖化时，不需要额外添加单独生产的木质纤维素酶，水解酶和乙醇发酵组合在一个体系里，由一种微生物或一组微生物群体在一个体系里完成。由于综合生物工艺降低了产酶成本，又使整个发酵过程趋于集中和简化，因此发酵产纤维素乙醇的成本会大大降低。相关情况可见描述于例如，Lynd LR，van Zyl WH等人(2005)“Consolidated bioprocessing ofcellulosic biomass：an update”，Curr Opin Biotechnol 16(5)：577-583；和Lynd LR，LaserMS等人(2008)“How biotech can transform biofuels”，Nat Biotechnol 26(2)：169-172。目前研究较多的综合发酵方式，是利用代谢途径工程方法，在一种微生物中引进补充途径，完成整个代谢发酵过程。如在嗜纤维素细菌中，引进或完善乙醇代谢途径；或在产乙醇酵母中引进分泌产生木质纤维素酶的途径。相关研究文献如，Kotaka A，Bando H等人(2008)“Direct ethanol production from barley beta-glucan by sake yeast displayingAspergillus oryzae beta-glucosidase and endoglucanase”，J Biosci Bioeng.105(6)：622-627；Shaw AJ，Podkaminer KK等人(2008)“Metabolic engineering of athermophilic bacterium to produce ethanol at high yield”，Proc Natl Acad Sci USA.105(37)：13769-13774。由于微生物代谢过程十分复杂，目前的研究还需要进一步的完善才能够发挥更大的作用。另一种，利用群体发酵的综合生物工艺发酵方式，涉及到两个以上的微生物的共生，非预期因素很多，到目前为止，并没有很大的突破。

这些领域的研究进展为本发明提供了坚实基础。

我们基于此，分离得到一株高产耐热耐酸纤维素酶的土曲霉M11，并且利用它提出了新型综合生物方法发酵纤维乙醇的技术。该技术可以完全节省额外的酶生产和分步发酵过程，大大降低了乙醇的生产成本。

发明内容