木質(zhì)纖維素類原料燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)展

1、木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源，據(jù)測(cè)算年總產(chǎn)量高達(dá)1500億噸，蘊(yùn)儲(chǔ)著巨大的生物質(zhì)能（6.9×1015千卡）。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，作物秸稈(如稻草、麥稈等的年產(chǎn)量非常巨大(年產(chǎn)可達(dá)7億噸左右，相當(dāng)于5億噸標(biāo)煤，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的秸稈利用率33%，但經(jīng)過一定技術(shù)處理后利用的僅占2.6%，其余大部分只是作為燃料等直接利用，開發(fā)前景非常廣闊。1、木質(zhì)纖維素的降解技術(shù)木質(zhì)纖維素降解可以采用酸水解和酶水解兩條不同的技術(shù)路線來實(shí)現(xiàn)。1.1酸水解技術(shù)在酸水解工藝中，可以使用鹽酸或硫酸，按照使用酸的濃度不同可以進(jìn)一步分為濃酸水解和稀酸水解。法國(guó)早在1856 年即開始進(jìn)行了濃硫酸水解法進(jìn)行乙醇生產(chǎn)，

2、濃酸水解過程為單相水解反應(yīng),纖維素在濃酸作用下首先溶解,然后在溶液中進(jìn)行水解反應(yīng)。濃酸能夠迅速溶解纖維素,但并不是發(fā)生了水解反應(yīng)。濃酸處理后成為纖維素糊精,變得易于水解(纖維素經(jīng)濃酸溶液生成單糖,由于水分不足,濃酸吸收水分,單糖又生成為多糖,但這時(shí)的多糖不同于纖維素,它比纖維素易于解 ,但水解在濃酸中進(jìn)行得很慢,一般是在濃酸處理之后再與酸分離,使用稀酸進(jìn)行水解。稀酸水解木質(zhì)纖維素的技術(shù)可謂歷史悠久，1898年德國(guó)人就嘗試以林業(yè)生產(chǎn)的廢棄物為原料生產(chǎn)乙醇，并建立了工業(yè)化規(guī)模的裝置，每噸生物量可以生產(chǎn) 50 加侖的乙醇。與濃酸水解的工藝路線相比，稀酸水解需要在比較高的溫度下進(jìn)行，才能使半纖維素和纖

3、維素完全水解。稀酸水解木質(zhì)纖維素通常采用二級(jí)水解的工藝方案：第一級(jí)水解反應(yīng)器的溫度相對(duì)第二級(jí)來說略低一些，比較容易水解的半纖維素可以降解；第二級(jí)反應(yīng)器主要降解難降解的纖維素，水解后剩余的殘?jiān)饕悄举|(zhì)素，水解液中和后送入發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵。1.2 酶水解技術(shù)同植物纖維酸法水解工藝相比,酶法水解具有反應(yīng)條件溫和、不生成有毒降解產(chǎn)物、糖得率高和設(shè)備投資低等優(yōu)點(diǎn)。而妨礙木質(zhì)纖維素資源酶法生物轉(zhuǎn)化技術(shù)實(shí)用化的主要障礙之一,是纖維素酶的生產(chǎn)效率低、成本較高。目前使用的纖維素酶的比活力較低,單位原料用酶量很大,酶解效率低,產(chǎn)酶和酶解技術(shù)都需要改進(jìn)。為了滿足競(jìng)爭(zhēng)的需要，生產(chǎn)每加侖乙醇的纖維素酶的成本應(yīng)該不超過7

4、 美分。但在目前產(chǎn)酶技術(shù)條件下,生產(chǎn)1加侖乙醇需用纖維素酶的生產(chǎn)費(fèi)用約為3050 美分。要實(shí)現(xiàn)纖維素物質(zhì)到再生能源的轉(zhuǎn)化主要有兩點(diǎn)：首先可以尋找適合于工業(yè)生產(chǎn)的高比活力的纖維素酶。細(xì)菌和真菌產(chǎn)生的纖維素酶均可以水解木質(zhì)纖維素物質(zhì)，細(xì)菌和真菌中都存在有復(fù)雜的纖維素酶水解系統(tǒng)，雖然其水解微晶纖維素的能力非常強(qiáng)，但是由于其復(fù)合物的分子量十分巨大，并且單個(gè)組份又不具有水解微晶纖維素的能力，所以人們一直試圖從其他物種中尋找更符合工業(yè)應(yīng)用以及更具有應(yīng)用前景的纖維素酶。日本一家實(shí)驗(yàn)室從甲蟲中得到一種葡聚糖內(nèi)切酶水解羧甲基纖維素(CMC-Na的比活力可高達(dá)150IU/mg。中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)

5、與細(xì)胞生物所的研究人員從福壽螺中發(fā)現(xiàn)了一種纖維素酶EGX，它不僅具有很高的比活力，而且具有多種酶的活性，這些結(jié)果可能提示動(dòng)物纖維素酶不但具有應(yīng)用前景，還具有理論研究意義。其次應(yīng)用微生物酶工程技術(shù)提高酶活性。對(duì)于非復(fù)合纖維素酶系統(tǒng)的酶工程，主要包含三個(gè)研究方向:(1根據(jù)對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)和催化機(jī)理的研究，合理地設(shè)計(jì)每一種纖維素酶；(2對(duì)纖維素酶的定向進(jìn)化，根據(jù)隨機(jī)突變或分子重組的方法篩選改造后的纖維素酶；(3重組纖維素酶體系，提高纖維素對(duì)不溶性纖維素的水解速率或程度。此外,應(yīng)用納米技術(shù)進(jìn)行分子設(shè)計(jì),可以“對(duì)號(hào)入座”,制造與纖維素酶結(jié)構(gòu)和功能類似的納米催化劑,獲得新的或更加穩(wěn)定轉(zhuǎn)化的催化途徑,并實(shí)現(xiàn)催化

6、劑的固定重復(fù)循環(huán)使用。同時(shí),通過納米傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)酶解/發(fā)酵過程進(jìn)行智能化在線監(jiān)控,可以實(shí)時(shí)精確地優(yōu)化動(dòng)態(tài)反應(yīng)條件,提高酶解/發(fā)酵效率?？傊S著生物化學(xué)、分子生物學(xué)以及基因工程等多種交叉學(xué)科的快速發(fā)展，獲得適合工業(yè)化的高比活力的纖維素酶已指日可待。2. 發(fā)酵技術(shù)利用木質(zhì)纖維素原料生物轉(zhuǎn)化酒精主要有幾種途徑:分步水解和發(fā)酵（SHF）、同時(shí)糖化和發(fā)酵（SSF）和直接微生物轉(zhuǎn)化（DMC）。2.1 分步水解和發(fā)酵（SHF）分步水解和發(fā)酵即纖維素酶法水解與乙醇發(fā)酵分步進(jìn)行，這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是各步都可以在各自的最適溫度下進(jìn)行，4550 酶解，3035 乙醇發(fā)酵。而其最大也是致命的缺點(diǎn)是在酶解過程

7、中釋放出來的糖會(huì)反饋抑制酶的活性，因此纖維素的濃度無法提高，相應(yīng)的要求提高酶用量才能得到一定的乙醇產(chǎn)量。2.2 同時(shí)糖化和發(fā)酵（SSF）同時(shí)糖化和發(fā)酵即纖維素酶解與葡萄糖的乙醇發(fā)酵在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，酶解過程中產(chǎn)生的葡萄搪被微生物所迅速利用，解除了葡萄糖對(duì)纖維素酶的反饋抑制作用，提高了酶解效率，SSF是目前典型的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，國(guó)內(nèi)外的中間試驗(yàn)基本都采用的此法。一方面工廠大罐發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶，另一方面將原材料進(jìn)行預(yù)處理后加入纖維素酶和酵母菌株進(jìn)行同時(shí)糖化發(fā)酵，不水解的木質(zhì)素和纖維素殘?jiān)蛛x開來燃燒提供能量，乙醇則通過傳統(tǒng)蒸餾工藝回收。這種方法相應(yīng)的要求纖維素酶生產(chǎn)成本和周期的降低，

8、能同時(shí)發(fā)酵五碳糖和六碳糖的轉(zhuǎn)基因酵母，優(yōu)化的預(yù)處理手段以及連續(xù)工藝的開發(fā)和使用。在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性確定之前，示范性工廠的長(zhǎng)期運(yùn)行是必然的。SSF 工藝的主要問題是水解和發(fā)酵所需的最佳溫度不能匹配，4550 酶解，3035乙醇發(fā)酵。 SSF常在3538下操作，這一折中處理使酶的活性和發(fā)酵的效率都不能達(dá)到最大，Zbangwen等設(shè)計(jì)了非等溫的SSF工藝（NSSF），它包含一個(gè)水解塔和一個(gè)發(fā)酵罐，不含酵母細(xì)胞的流體在兩者之間循環(huán)。該設(shè)計(jì)使水解和發(fā)酵可在各自最佳的溫度下進(jìn)行，也可消除水解產(chǎn)物對(duì)酶水解的抑制作用，但顯然也使流程復(fù)雜化了。目前美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL還在進(jìn)行同時(shí)糖化和共發(fā)酵工藝（

9、SSCF）的研究，即把葡萄糖和木糖的發(fā)酵液放在一起，用于發(fā)酵的微生物即轉(zhuǎn)基因的運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌，與單純用葡萄糖發(fā)酵菌和單純利用五碳糖發(fā)酵菌相比，乙醇的產(chǎn)量分別提高3038%和1030%。木質(zhì)纖維素的酶水解和同步糖化發(fā)酵過程是多相、多酶催化過程，在SSF過程中還同時(shí)存在微生物的生長(zhǎng)。對(duì)于這樣復(fù)雜的體系，在生物反應(yīng)器和生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面的研究還十分缺乏。研究開發(fā)適合該體系的高效生物反應(yīng)器和建立描述反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型對(duì)提高效率、掌握過程的機(jī)理及指導(dǎo)過程放大都將有重要的意義。2.3 直接微生物轉(zhuǎn)化（DMC）直接微生物轉(zhuǎn)化即作物秸稈中的纖維素成分通過某些微生物的直接發(fā)酵可以轉(zhuǎn)換為酒精。這些微生物既能產(chǎn)生

10、纖維素酶系水解纖維素又能發(fā)酵糖產(chǎn)生乙醇。前兩種方法都要求有獨(dú)立的纖維素酶生產(chǎn)，而這種方法則一步包括了所有這三個(gè)步驟:纖維素酶生產(chǎn)、 纖維素水解和發(fā)酵糖為酒精。粗糙脈孢菌和尖鐮孢菌是直接轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素材料為乙醇研究較多的兩種真菌。這兩種菌都能同時(shí)具有產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶，發(fā)酵葡萄糖和木糖產(chǎn)生乙醇的能力，在有氧條件下產(chǎn)生纖維素酶水解底物，在半通氧條件下發(fā)酵糖產(chǎn)生乙醇。與目前的廣被接受的SSF相比，直接發(fā)酵產(chǎn)乙醇有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):首先，此舉似乎比基因工程菌更值得研究。一方面前者不需添加額外的酶，而后者需要酶基因的轉(zhuǎn)入；另一方面前者既可發(fā)酵六碳糖又可利用五碳糖，后者則需重組質(zhì)粒，而基因工程菌共同的致

11、命弱點(diǎn)是遺傳穩(wěn)定性差，目前還很難解決。其次，SSF依賴于對(duì)酵母的改造和生產(chǎn)纖維素酶的成本的進(jìn)一步降低。在目前產(chǎn)酶技術(shù)條件下,生產(chǎn)1加侖乙醇需用纖維素酶的生產(chǎn)費(fèi)用約為3050 美分,有更多研究致力于將之進(jìn)一步降低。但從能量角度而言，似乎直接法是最終更節(jié)省能量的做法。再次，SSF發(fā)酵的過程中，乙醇對(duì)纖維素酶的非競(jìng)爭(zhēng)性抑制是不容忽視的，而DMC菌種的纖維素酶活力在整個(gè)半通氧發(fā)酵過程中都保持穩(wěn)定的水平。雖然目前直接法的轉(zhuǎn)化率仍低于酵母，但由于原位的纖維素酶生產(chǎn)和纖維素發(fā)酵，天然的五碳糖發(fā)酵能力以及對(duì)糖和乙醇的耐受都使得能直接轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素為乙醇的幾種微生物備受關(guān)注，尤其是粗糙脈孢菌和尖鐮孢菌對(duì)它們?cè)诓?/p>

12、同預(yù)處理原料下的產(chǎn)酶和發(fā)酵能力的研究對(duì)于生物質(zhì)資源的全利用有很大意義。3.精餾和脫水技術(shù)精餾和脫水可以借鑒淀粉質(zhì)原料燃料乙醇生產(chǎn)工藝中已經(jīng)發(fā)展成熟的工業(yè)化技術(shù)，木質(zhì)纖維素類原料發(fā)酵液中乙醇濃度比較低，一般情況下均在5%（V）以下，致使精餾操作能耗高。有研究者建議，在木質(zhì)纖維素水解液乙醇發(fā)酵工藝中耦合滲透蒸發(fā)技術(shù)來提高進(jìn)入精餾系統(tǒng)發(fā)酵液中乙醇濃度，但是滲透蒸發(fā)系統(tǒng)本身的動(dòng)力消耗也比較大，而且滲透蒸發(fā)所用的透醇膜容易被發(fā)酵醪和菌體污染的問題也很突出。在美國(guó)政府能源部的支持下，NREL建立了一套日處理生物質(zhì)一噸規(guī)模的中試裝置，積極開發(fā)基于木質(zhì)纖維素類原料燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)，并進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)分析。隨著中國(guó)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的逐步發(fā)展，這一領(lǐng)域的技術(shù)