纖維素質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇綜述

1、纖維素質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇綜述陳康（江南大學(xué)生物工程學(xué)院，）摘要：隨著石油的日益短缺，利用可再生資源生產(chǎn)生物乙醇，受到越來越多的關(guān)注。纖維素是地球上含量豐富的一種可再生資源，目前以其為原料經(jīng)預(yù)處理、糖化、發(fā)酵等工藝得到的燃料酒精，相比汽油等傳統(tǒng)能源，有經(jīng)濟、環(huán)保等優(yōu)勢，正在發(fā)展成為一種新型可再生能源。從木質(zhì)纖維素原料、預(yù)處理技術(shù)、發(fā)酵工藝、酶解和發(fā)酵的菌種以及影響發(fā)酵的抑制物去除等方面對生產(chǎn)燃料酒精的關(guān)鍵技術(shù)進行綜合評述。關(guān)鍵詞：纖維素 發(fā)酵 燃料乙醇 工藝 Summary of cellulosic feedstock for ethanol ProductionChen KangAbstract

2、: With the growing shortage of oil, the use of renewable resources to produce bio- ethanol was got more and more attention. Cellulose is abundant on earth a renewable resource as raw material for its current pretreatment, saccharification and fermentation process resulting fuel alcohol, compared to

3、gasoline and other traditional energy sources, economic, environmental and other advantages, is being developed as A new renewable energy. This paper carries out comprehensive review for key techniques for producing fuel alcohol from aspects of raw materials of lignocellulose，pretreatment techniques

4、，fermentation technology，enzymolysis，strains of fermentation and removal of inhibitors affecting fermentation, etc.Key words：cellulosic；fermentation ；fuel alcohol ；technology引言隨著人們對環(huán)境問題認(rèn)識的加深，以及對所面臨能源危機現(xiàn)狀的憂慮，清潔、可再生的新能源生物乙醇，受到了越來越多的關(guān)注。以植物生物質(zhì)為原料，生產(chǎn)生物乙醇已成為主要的研究方向，它滿足了綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求。植物生物質(zhì)主要包括：木材、農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加

5、工廢料和廢棄紙品等。利用纖維素質(zhì)原料生產(chǎn)生物乙醇具有以下優(yōu)勢：清潔環(huán)保，不污染環(huán)境；生產(chǎn)成本低；原料來源廣，且可再生。我國生物質(zhì)資源十分豐富， 每年僅農(nóng)作物秸稈就產(chǎn)生 7 億多噸，如果 50 %的秸稈被利用生產(chǎn)纖維素乙醇產(chǎn)品，產(chǎn)生的油氣當(dāng)量相當(dāng)于再造了一個大慶油田。 國家能源科技“十二五”規(guī)劃明確鼓勵開發(fā)以木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇、丁醇等生物燃料產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，實施替代燃料乙醇技術(shù)工程示范。 到 2015 年，中國生物燃料乙醇利用量將達到 400 萬 t，然而，2011 年我國燃料乙醇產(chǎn)量僅為 193.76 萬 t，主要原料為玉米、小麥、木薯、陳化水稻等原料，纖維素生物乙醇技術(shù)仍處于中試階段。纖維

6、素乙醇作為新一代生物質(zhì)能源，受到了中糧、中石油及圣泉集團等一批中國企業(yè)的關(guān)注， 在該技術(shù)領(lǐng)域投入了大量的人力物力，現(xiàn)正處于由應(yīng)用基礎(chǔ)研究、工程放大到大規(guī)模工業(yè)化的過程。木質(zhì)纖維素原料主要由纖維素、 半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，纖維素乙醇生產(chǎn)過程主要包括原料預(yù)處理、纖維素酶解發(fā)酵、乙醇精餾脫水及廢醪液處理等生產(chǎn)單元，面臨木質(zhì)纖維素原料復(fù)雜、酶解發(fā)酵效率低、能耗物耗高、工藝廢水處理困難等科學(xué)及工程化難題。近年來，隨著纖維素乙醇關(guān)鍵技術(shù)及裝備逐步實現(xiàn)突破， 纖維素乙醇在生產(chǎn)成本及環(huán)境友好性方面逐步具有市場競爭力， 其技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進程引起了各國的廣泛關(guān)注。1 纖維素的預(yù)處理1.1 常規(guī)預(yù)處理方法木質(zhì)纖維素糖

7、化前預(yù)處理常規(guī)的物理方法主要有機械粉碎、蒸煮、膨脹等；化學(xué)方法包括酸處理、堿處理等；生物方法則是利用白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等微生物產(chǎn)生的一些酶來降解木質(zhì)素和半纖維素。1.2 新型處理辦法近年來，國內(nèi)外專家在常規(guī)方法上進行了探索、改良，研發(fā)出了一些新的預(yù)處理技術(shù)，介紹如下：1.2.1蒸汽爆破技術(shù)蒸汽爆破技術(shù)是當(dāng)今應(yīng)用范圍最廣的木質(zhì)纖維素糖化前預(yù)處理技術(shù)。先將原料通200240的高壓蒸汽處理，然后迅速減壓，使纖維素爆裂，木質(zhì)素和纖維素分離。爆破過程中產(chǎn)生的醋酸及其他有機酸可將半纖維素溶解，使纖維素暴露出來，增大了微纖維與酶的可及性。此外，瞬時爆破產(chǎn)生的壓力可使樣品破碎降解，增大了反應(yīng)的可接觸面積。

8、RUIZ E等用蒸汽爆破法處理葵花稈，在220的預(yù)處理溫度條件下得到了60.6%的最高葡萄糖產(chǎn)率。若使物料粉碎到同樣的粒徑尺寸，蒸汽爆破法需要的能量僅為機械粉碎法的30%，但蒸汽爆破法形成的降解物如呋喃、脂肪酸和芳香類化合物等對發(fā)酵和酶解有抑制作用1.2.2 高能輻射高能射線輻射屬于物理方法的一種。其能使纖維素聚合度下降，結(jié)構(gòu)松散，從而提高解反應(yīng)的可及度和纖維素的水解效率?，F(xiàn)在最常見的輻照源為放射性同位素鈷-60或銫-137。木質(zhì)纖維素分子在高能射線的作用下被活化和激發(fā)，導(dǎo)致部分共價鍵斷裂形成自由基，這些自由基又通過交聯(lián)反應(yīng)或鏈剪切反應(yīng)進一步誘發(fā)纖維素糖化。與常規(guī)方法相比較，高能輻射處理具有操

9、作簡單、處理時間短、處理量大、不污染環(huán)境等特點。陳靜萍等研究發(fā)現(xiàn)，在最佳處理劑量1000kGy1500kGy的條件下，用60Co-射線輻照與纖維素酶協(xié)同處理稻草，纖維素轉(zhuǎn)化率最高可達88.7%，可溶性還原糖得率為21.44%。1.2.3 超臨界流體技術(shù)超臨界流體技術(shù)是利用溫度及壓力均高于臨界點的流體來降解纖維素物質(zhì)，其最主要的影響因子為溫度和壓力。流體達到臨界狀態(tài)時，溶劑化能力急劇增強，電離程度隨之增大，打破了木質(zhì)素的包裹作用，同時也降低了纖維素的聚合度，使纖維素可以很快地溶解在超臨界溶劑中，并迅速分解成低聚糖最后轉(zhuǎn)化成葡萄糖。1.2.4 微波處理微波即頻率在300MHz300GHz的電磁波。

10、在快速變化的高頻電磁場作用下，被加熱介質(zhì)中的水分子的極性取向會隨著外電場的改變而變化。分子的高速運動使微波場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，從而導(dǎo)致原材料溫度升高，產(chǎn)生熱化、膨化等一系列反應(yīng)，破壞了纖維素分子間的氫鍵，提高了纖維素的可及度、反應(yīng)能力和基質(zhì)濃度，且處理時間短，操作方便。1.2.5超聲波技術(shù)超聲波是頻率高于20000Hz 的聲波，其產(chǎn)生的巨大能量使木質(zhì)纖維素受到振動而破碎，釋放出可降解的多糖。超聲波也可使液體流動而產(chǎn)生大量的微小氣泡，微小氣泡（空化核）在聲場的作用下振動產(chǎn)生聲壓。當(dāng)聲壓到達一定數(shù)值時，氣泡急速增長，接著突然閉合產(chǎn)生沖擊波，并產(chǎn)生上千個大氣壓力，破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)使其分散于

11、液體中。LI MH等先用8g/L NaOH堿溶液對羅布麻（AV）纖維軟化，之后用28kHz的低頻超聲波和53kHz高頻超聲波分別處理3h后發(fā)現(xiàn)，前者可使其表面10m50m范圍內(nèi)的交聯(lián)成分和表面混雜物被清除，后者可使其內(nèi)部空腔纖維被消除。1.2.6有機溶劑法有機溶劑法是將木質(zhì)纖維素原料用有機溶劑與無機酸催化劑的混合物處理，達到脫除半纖維素和木質(zhì)素并分離出纖維素成分的目的。常見的有機溶劑有低沸點的甲醇、乙醇以及高沸點的丙酮、乙二醇和四氫化糠醇。此外，某些有機酸如草酸、水楊酸和鄰醋酸基苯甲酸也能達到無機酸催化劑的效果。有機溶劑法處理木質(zhì)纖維素原料后底物酶可及度和纖維素水解率都比較高。SUN FB等采

12、用空氣丙三醇自動催化有機溶膠預(yù)處理方法來增加木質(zhì)纖維素的酶水解能力。將木質(zhì)纖維素原料在溫度220、液固比為201（g/g）的條件下處理3h，AAGAOP可使木質(zhì)素降解65%，半纖維素降解70%。經(jīng)電鏡掃結(jié)構(gòu)分析，AA-GAOP 能夠破壞其原纖維結(jié)構(gòu)。作為一個全新的技術(shù)，AAGAOP通過改變木質(zhì)纖維素的物理結(jié)構(gòu)特征、清除化學(xué)結(jié)構(gòu)障礙來加強酶水解能力，最終達到使木質(zhì)纖維素降解的目的。1.2.7 離子液體處理近年來，離子液體作為一種較為理想的纖維素反應(yīng)介質(zhì)和替代溶劑成為國內(nèi)外纖維素研究領(lǐng)域的熱點。離子液體是一種在室溫或低溫條件下由無機陰離子和有機陽離子相互結(jié)合而成的呈液態(tài)的鹽類化合物。與一般有機溶劑

13、相比較而言，離子液體具有難揮發(fā)，無毒性且無污染等優(yōu)勢。2002年美國權(quán)威期刊美國化學(xué)會志JACS（Journal of the American Chemical Society）首次報道了1-丁基-3甲基咪唑氯鹽（C4MIMCl）能夠很好地溶解天然纖維素，并能加工、制備各種天然的纖維素材料。2 糖化纖維素是一種已聚糖，半纖維素主要是戊聚糖，糖化就是指纖維素和半纖維素水解成含幾個單糖的低聚糖的過程。2.1 酸水解法無機酸催化纖維素分解的機理是: 酸在水中解離并產(chǎn)生 H+，H+與水構(gòu)成不穩(wěn)定的水合氫離子。當(dāng)纖維鏈上的 -1，4 葡萄糖苷鍵和水合氫離子接觸時，后者將一個 H+交給 -1，4 葡萄糖

14、苷鍵上的氧，使得這個氧變成不穩(wěn)定的 4 價氧，當(dāng)氧鍵斷裂時，與水反應(yīng)生成 2 個羥基，并重新放出 H+，溶液中游離 H+濃度越高水解速度越快，故多采用強酸，又可分為稀酸水解、濃酸水解。稀酸水解一般要求在高溫高壓條件下進行，能耗大，時間要求嚴(yán)格，時間過短原料水解不完全，時間過長會使單糖進一步降解成糠醛等化學(xué)物質(zhì)，糠醛等降解物對后續(xù)微生物發(fā)酵有毒副作用，此時最好選用特定的菌種。2.2 酶水解法產(chǎn)纖維素酶的微生物有真菌和細(xì)菌，典型的木霉纖維素酶是 3 種酶的混合物，包括葡聚糖內(nèi)切酶( EG) 、纖維二糖水解酶( CBH) 和 -葡萄糖苷酶( BG)。首先，葡聚糖內(nèi)切酶作用于微纖維的非結(jié)晶區(qū)，使其露出

15、許多非還原性末端，隨后葡聚糖外切酶從非還原性末端依次分解產(chǎn)生纖維二糖，隨后部分降解的纖維素進一步由內(nèi)切葡聚糖酶和葡聚糖外切酶協(xié)同作用，分解生成纖維二糖、三糖等低聚糖，最后由 -葡聚糖苷酶作用分解成葡萄糖。纖維素酶水解的限制步驟是葡聚糖內(nèi)切酶對無定型纖維素的水解，產(chǎn)生新的非還原末端，進而實現(xiàn)葡聚糖外切酶和 -葡萄糖苷酶的作用。酶水解的最大優(yōu)點是反應(yīng)條件溫和、能耗低、效率高、選擇性強、三廢少，缺點是速度慢、周期長。目前纖維素酶主要依賴真菌中的霉菌生產(chǎn)，活力仍很低，與淀粉酶相比通常要相差 2 個數(shù)量級以上，使纖維素的水解速率和效率都極其低下，生產(chǎn)成本過高，這也是酶法降解纖維素的技術(shù)瓶頸。獲得纖維素酶

16、高產(chǎn)、高活力菌株，優(yōu)化酶組分組成，并在此基礎(chǔ)上采用固定化酶等進一步提高酶的穩(wěn)定性和使用壽命，是解決這一問題的根本所在。3 發(fā) 酵3.1 菌 株木質(zhì)纖維素水解液中主要含有葡萄糖、木糖和L-阿拉伯糖，以及少量半乳糖、甘露糖和鼠李糖等。葡萄糖是大多數(shù)微生物可以利用的碳源，因此要提高木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的效率，就要篩選出能夠利用其他糖類發(fā)酵的菌株。目前菌株篩選的方法主要有從自然界中篩選、誘變育種、原生質(zhì)體融合以及基因工程育種等。劉天霞從自然界中篩選出了 156 株能夠發(fā)酵木糖生產(chǎn)乙醇的菌株，經(jīng)過復(fù)篩最后獲得 1 株乙醇得率較高、發(fā)酵性能穩(wěn)定的 1125-3 菌株，該菌株經(jīng)定向馴化后木糖的利用率

17、達 92.92%，乙醇得率達 12.88%。另外有些酵母的戊糖發(fā)酵能力很強，Agbogbo 等采用樹干畢赤酵母（Pichia stipitis）在25%葡萄糖和 75%木糖或 100%木糖溶液中的發(fā)酵，都獲得了較高的乙醇產(chǎn)率。為獲得優(yōu)良的生物質(zhì)發(fā)酵菌株，國內(nèi)外學(xué)者通過誘變育種、原生質(zhì)融合、基因工程技術(shù)對野生菌進行改造，來擴大發(fā)酵菌株所利用的底物。潘麗軍等采用 15 keV 的低能氮 （12.51014ions/cm2） 誘變嗜鞣管囊酵母As2.1585 原始菌株獲得了嗜鞣管囊酵母高產(chǎn)菌株mut-54。突變株 mut-54 對木糖的利用速率以及耐乙醇能力均高于原始菌株，發(fā)酵 72 h 乙醇產(chǎn)量較

18、原始菌株提高 12.74%，且傳代 7 次后乙醇產(chǎn)量穩(wěn)定。宋安東等采用雙滅活原生質(zhì)體融合技術(shù)，以南陽酒精酵母 1308（Saccharomyces cerevi-siae）的單倍體 D-12 和嗜鞣管囊酵母 P-01（Pachusolentannophilus）為親本，獲得 1 株可以進行全糖發(fā)酵的穩(wěn)定的融合株 F10，于全糖培養(yǎng)基上發(fā)酵，乙醇體積分?jǐn)?shù)可達 1.3%，比親株 P-01（0.95%）提高了36.8%。Mogagheghi 等將發(fā)酵木糖和阿拉伯糖代謝所需的 7 個基因整合到運動發(fā)酵單胞菌（Zymomonas mobilis（206CpZB301）的染色體上，產(chǎn)生新的菌株可發(fā)酵 40

19、 g/L 葡萄糖、40 g/L 木糖和20 g/L 阿拉伯糖的混合糖液，反應(yīng) 50 h 內(nèi)消耗完葡萄糖和木糖以及消耗 75%的阿拉伯糖，乙醇最終得率為 43%46%。3.2 發(fā)酵方式根據(jù)目前研究情況可將發(fā)酵工藝流程大體分為：分步水解發(fā)酵、同步糖化發(fā)酵、直接微生物轉(zhuǎn)化等。分步水解發(fā)酵 （separate enzymatic hydrolysis and fermentation，SHF）是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)糖化和發(fā)酵分別在不同的反應(yīng)器中進行。其優(yōu)點是糖化（纖維素酶最適溫度 4550）和發(fā)酵（產(chǎn)乙醇微生物最適溫度 2837）都能夠在各自最適條件下進行；缺點是糖化過程中葡萄糖和纖維二糖的積累會抑制纖維

20、素酶的活力，最終導(dǎo)致產(chǎn)率的降低。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葡萄糖濃度達 3 g/L 時，-葡糖苷酶的活力將降低 75%，纖維二糖的濃度達到 6 g/L 時，纖維素酶的活力將降低 60%。同步糖化發(fā)酵（simultaneous saccharification and fermentation，SSF）技術(shù)可解決高濃度糖對纖維素酶的抑制問題，但難點在于選擇合適的反應(yīng)溫度，需要既能夠適于糖化纖維素酶又能滿足發(fā)酵菌株發(fā)酵，另一不足是 SSF 中菌種不能回收重復(fù)利用。直接微生物轉(zhuǎn)化（direct microbial conversion，DMC）又稱聯(lián)合生物加工（CBP），是將多糖水解酶的產(chǎn)生、水解糖化、混合糖發(fā)酵

21、融入一個反應(yīng)器中，整個過程由一種或多種微生物共同作用，來降低底物和原料的消耗及纖維素酶的成本。Guedon 等利用電轉(zhuǎn)化技術(shù)將Zymomonas mobilis 的丙酮酸脫羧酶和乙醇?xì)涿富驅(qū)敕纸饫w維素梭桿菌 （Clostridium cellulolyticum），獲得的新菌株與野生菌株相比，發(fā)酵145 h 后纖維素降解率提高 150%，乙醇濃度增加53%。這項研究表明，利用基因工程技術(shù)獲得 C.cellulolyticum 菌可以大大提高纖維素發(fā)酵的效率。4 結(jié)束語用木質(zhì)纖維素制燃料酒精的開發(fā)取決于若干關(guān)鍵技術(shù)，即原料的前處理、酶解以及發(fā)酵的菌種、發(fā)酵方式和發(fā)酵抑制物的去除。需同時采用這

22、些技術(shù)來為最后發(fā)酵生產(chǎn)酒精作好準(zhǔn)備，其中原料的前處理最為關(guān)鍵。前處理技術(shù)決定抑制物的產(chǎn)生、酶解程度以及最終酒精產(chǎn)量。一直以來，以木糖聚合的半纖維素未被用來發(fā)酵生產(chǎn)酒精，造成制燃料酒精工藝中半纖維素成分的浪費。伴隨著纖維素和半纖維素利用于產(chǎn)酒精，前處理工藝會發(fā)生變化，以去除木質(zhì)素，且獲得高回收率葡萄糖和木糖的前處理方法將會是未來發(fā)展的方向。今后，木質(zhì)纖維素制酒精的生產(chǎn)工藝將以獲得高回收率的葡萄糖和木糖并同時發(fā)酵產(chǎn)酒精為方向，將會使發(fā)酵產(chǎn)酒精理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量都大幅提高，以使木質(zhì)纖維素制燃料酒精的生產(chǎn)成本降低，為大規(guī)模的工業(yè)化運用奠定基礎(chǔ)。參考文獻1 黃加軍，杜金寶，纖維素酒精預(yù)處理技術(shù)進展（20

23、13）2 彭姿，譚興和，木質(zhì)纖維素糖化前預(yù)處理新技術(shù)研究進展（2013）3 Kang HW，Kim Y，Kim SW，et al Cellulosic ethanol production on temperature shift simultaneous sacchari-fication and fermentation using the thermostable yeast Kluyveromyces marxianus CHY1612 J Bioprocess and Biosystems Engineering（2012）4 張雯，以木質(zhì)纖維素為原料的燃料乙醇生產(chǎn)工藝及廢水零排放技術(shù)研究（2011）5 Ba