[发明专利]用于纤维素水解的印迹仿生催化剂

说明书

发明背景

数十年来，精炼石油产品一直是主要能源。不幸的是，由于过量的需求和逐渐减小的供给，最近几年基于精炼石油和基于原油的产品价格都在飙升。此外，石油产品在燃烧时大大地促进了正在持续的全球变暖危机。由于许多与石油产品相关的问题，对探索替代能源存在浓厚兴趣。基于石油的燃料的一种替代品是乙醇。

乙醇通常由蔗糖或葡萄糖的酵母发酵进行生产，蔗糖和葡萄糖的结构如图1所示(Wang，M.，et al.Effect of Fuel Ethanol Use on Fuel-Cycle Energy and Greenhouse Gas Emission；Argonne National Laboratory：Argonne，1999.)。用乙醇代替基于石油的燃料的可行性已经被成功证明。例如，在巴西，源自甘蔗的乙醇在很大程度上代替了基于石油的燃料(Sperling，D.；Gordon，D.，Two billion cars：driving toward sustainability.Oxford University Press：New York，2009.)。

尽管乙醇显示了作为替代燃料源的希望，但是有许多障碍妨碍了乙醇生产在美国的增长。具体地，生产乙醇所需的原材料例如蔗糖和葡萄糖是常见食物。例如，蔗糖是非还原性二糖，由葡萄糖和果糖组成，主要由甘蔗或糖用甜菜生产。葡萄糖由植物淀粉(α连接的葡糖苷的重复聚合物)水解生产，主要源自玉米。对生产乙醇所需要的原材料的需求与对食品的需求竞争，导致食品和燃料价格都上涨。源自玉米的乙醇的潜在益处进一步被这样的研究所减弱，所述研究显示基于玉米的乙醇可能有净气候变暖效应(Crutzen，P.J.，et al.，Atmospheric Chemistry and Physics 2008，8，(2)，389-395.)。

在减轻一些与基于玉米的乙醇生产相关的问题的尝试中，乙醇工业界将注意转移到由纤维素开发葡萄糖的方法。纤维素是由β-1，4连接的葡糖苷组成的聚合物，可以在几乎所有植物材料中找到。因此，将纤维素水解成葡萄糖的有效方法可以允许乙醇生产能力接近预测的地球上植物每年正常产生的10¹¹吨纤维素。

大量的纤维素甚至可以从作物残留物例如玉米秸秆、甘蔗渣以及甚至基于纤维素的垃圾中获得。这些材料将是可持续的，易于收集并且非常便宜(Saha，B.C.，et al.In Fuel ethanol production from corn fiber-Current status and technical prospects，1998；Humana Press Inc：1998；pp 115-125；Tucker，M.P.，et al.In Conversion of distiller′s grain into fuel alcohol and a higher-value animal feed by dilute-acid pretreatment，2004；HumanaPress Inc：2004；pp 1139-1159.)。纤维素相对蔗糖的另一个优势是纤维素水解只产生葡萄糖，酵母喜欢葡萄糖超过蔗糖。

即使纤维素无疑是世界上最丰富的生物材料，但将纤维素直接水解为葡萄糖并非易事。考虑到与水解相关的困难，大部分大规模水解纤维素的尝试已经致力于使用纤维素酶，纤维素酶是一类催化纤维素水解的酶。研究也致力于修饰酶的制备，所述修饰酶被改造成在水解纤维素所需的极高温和pH条件下更稳定。(Sun，Y.et al.Bioresource Technology 2002，83，(1)，1-11；Wright，J.D.Chemical Engineering Progress 1988，84，(8)，62-74.)。

尽管制备能将纤维素水解成葡萄糖的纤维素酶有一些成功，但即使最热稳定的纤维素酶也是昂贵的而且寿命相对短。此外，基于酶的水解通常需要数天来完成所需的反应。分离和重复使用纤维素酶也很困难，导致使用这些试剂的任何工艺更昂贵。这些多种问题的组合严重阻碍了从木质纤维材料经济地生产乙醇。因此，开发和使用一种或多种能模拟外切糖苷酶(从纤维素寡糖或多糖切割末端葡萄糖残基的酶)和/或内切糖苷酶(切割内部键合的葡萄糖聚合物的酶)的无机催化剂将是有用的。