木质纤维素生物质的高级酶水解

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应用基础和创新联盟（the Consortium for Applied Fundamentals and Innovation）目前正致力于评估木质纤维素加工的预处理工作。预处理影响到所有其他下游工艺，约占总加工费用的18%。科研人员所研究的预处理技术涵盖氨水的循环利用、稀酸水解、氨纤维爆裂（ammonia fiber explosion—AFEX）、pH值的控制以及石灰预处理。一些预处理工序，如稀释酸和pH值控制，可以释放糖；氨纤维爆裂释放的则基本上是单葡萄糖和单木糖。针对不同的给料，预处理的效果各不相同。就玉米而言，预处理后在酶混合物中加入一些木聚糖酶，可以将不同酶加荷量的木聚糖的转化提高12-31%。对于白杨来说，氨纤维爆裂比二氧化硫和石灰预处理的效果要差一些，后者的酶加荷率较低、转化效率较高。影响预处理效果的的重要因素有聚合程度、还原末端的有效性、β葡萄糖苷键的可及度以及结晶度指数。
在纤维素乙醇生产中，酶的性能至关重要。杰能科公司一直致力于优化纤维素酶，使酶合剂（enzyme cocktail）中的纤维素酶在高温下能更好地发挥作用。利用里氏木霉（Trichoderma reesei）所产生的酶，杰能科公司的科研人员获得了热稳定性更好的CBH1和CBH2酶，这两种酶在纤维素的分解过程中都发挥着重要作用。针对CBH1酶，采用的是整分子随机诱变的方法；而针对CBH2酶，则是采用相关点位的一致序列召集（consensus sequence-based recruitment）和定点诱变的方法。科研人员分析了1亿多个CBH1酶克隆突变体，并在24个显现出较好热特性的突变体上确定了37个具有潜在重要性的点位。最终结果是显示，改进后的CBH1酶在75摄氏度仍具有良好的活性（比野生类型的熔化温度要高10.9摄氏度）。至于CBH2酶，科研人员制作了39个定点突变体，对5600个克隆体进行了筛选，使熔化温度普遍提高了4.3摄氏度。
要实现从纤维素到糖类的高转化率，细胞壁的复杂性是一个瓶颈。纤维素嵌在由半纤维素和木质素构成的基质之间，这使得分解十分困难。半纤维素成分多种多样，且由于分支冗繁，其结构比纤维素更为复杂。为高效地将细胞壁物质转化为乙醇，需要利用半纤维素。有趣的是，虽然半纤维素酶不会作用于纤维素，但含有半纤维素酶的合剂具有更高的葡萄糖产量，这说明半纤维素酶可以与纤维素酶协同作用。因此，戴维萨公司的Kevin Gray认为，半纤维素酶是所有酶合剂的重要组成成分。目前木糖产量是50—80%，根据不同给料产量各异。因此给料构成对生物质-乙醇的转换经济效果也具有相当大的影响。至于不同构成及其对转化效果的影响，尚须进一步阐明。