秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)研究

侯玉潔，張建剛，夏 晨，侯小輝

（1.揚州大學動物科學與技術(shù)學院，江蘇 揚州 225009；2.新疆阿勒泰市畜牧獸醫(yī)站，新疆 阿勒泰 836500）

石油是一種不可再生資源，隨著石油資源的緊缺，尋找和開發(fā)新的燃料資源迫在眉睫，生物能源因其儲存量大，作為可轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生資源，發(fā)展最快的是燃料乙醇，2004年巴西以甘蔗為原料生產(chǎn)燃料乙醇1200萬t；美國以玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇1000萬t。糖蜜、糧食淀粉和木質(zhì)纖維素都可用來生產(chǎn)燃料乙醇，但要依靠糖蜜和糧食淀粉作為原料來解決用量很大的燃料問題顯然是不現(xiàn)實的。燃料乙醇是最現(xiàn)實的液體燃料替代用品之一，大力發(fā)展燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化進程已經(jīng)成為處理秸稈有效方式。

1 預(yù)處理方法

秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗蛋白和水構(gòu)成，難溶于水和其他有機溶劑，化學性質(zhì)相對穩(wěn)定，充分的預(yù)處理能破壞細胞壁表明的包裹，使得纖維素酶能與作用底物充分接觸，原料預(yù)處理技術(shù)可以部分破壞木質(zhì)素的包裹作用以及纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，聚合度下降。實驗室中秸稈預(yù)處理的方法主要包括物理法、化學法和生物法。

1.1 物理法

1.1.1 機械粉碎

機械粉碎主要是利用球磨將纖維素物質(zhì)粉碎，進而促進糖化。機械破碎后，木質(zhì)素仍被保留，但木質(zhì)素和纖維素與半纖維素的結(jié)合層被破壞，降低聚合度。機械粉碎可提高其后續(xù)反應(yīng)的接觸面積，從而提高其反應(yīng)性能和提高水解糖化率，有利于酶解過程中纖維素酶或木質(zhì)素酶的進攻。但是粉碎處理的高糖化率的程度有限，耗能大，其能耗占工藝過程總能耗的50%～60%，而且有些材料還是不適合粉碎處理的。

1.1.2 聲波電子射線法

聲波電子射線法需要高能射線流發(fā)生裝置，用微波或超聲波對纖維素進行預(yù)處理，將物料粉碎成極小的顆粒，可增大其表面積，提高纖維素的可接觸性；還可破壞其結(jié)晶性，提高纖維素的反應(yīng)活性，使其在以后的糖化階段更易于加快反應(yīng)速率。Xiong等研究了微波對纖維素Ⅰ超分子結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)微波作用沒有引起纖維素化學結(jié)構(gòu)和結(jié)晶形成的變化，但使得結(jié)晶度和晶區(qū)尺寸增大[1]。

1.1.3 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法作為一種物理方法，使纖維素結(jié)合層受到破壞，提高對酶作用的敏感性，可以有效地分離出活性纖維，并且不用或少用化學藥品，對環(huán)境無污染且能耗較低，是近年來發(fā)展快、成本低、比較有效的木質(zhì)纖維高效分離技術(shù)。在高溫、高壓蒸汽中，植物原料經(jīng)過蒸煮產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，使半纖維素降解成可溶性糖，同時復(fù)合胞間層的木質(zhì)素軟化和部分降解，從而削弱了纖維間的黏結(jié)，為爆破過程提供選擇性的機械分離，同時在蒸汽爆破瞬間完成的絕熱膨脹過程對外做功，使物料從細胞間層解離成單個纖維細胞。但蒸汽爆破法的高溫高壓蒸汽使部分半纖維素的乙酰基水解，生成的乙酸、糠醛酸等能夠催化半纖維素繼續(xù)水解生成糠醛等物質(zhì)，易導致木糖損失＞50%?？傊?，經(jīng)過物理方法處理過的秸桿，既能增加酶對纖維素的親和性，還使得還原糖產(chǎn)出率提高。

1.2 化學法

1.2.1 酸處理法

一般用來處理纖維素原料的酸可以用強酸（硫酸），也可以用烯酸，由于生產(chǎn)設(shè)備的限制，烯酸法以其對設(shè)備耐酸性要求較低，較之強酸也能有效水解纖維素，越來越受到青睞。強酸預(yù)處理方法是將粉碎顆粒送入預(yù)處理反應(yīng)器，蒸汽溫度為200～250℃時，高壓蒸汽和硫酸對原料進行處理，持續(xù)時間＜1 min，然后快速釋放壓力。稀酸預(yù)處理方法主要有高溫（溫度＞160℃）、連續(xù)反應(yīng)和低溫批次方法。稀酸預(yù)處理方法在后期需要用大量的堿液來中和殘留的酸，對環(huán)境也有很大影響。

1.2.2 堿處理法

堿處理的作用機理是通過堿的作用來減弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵，其效果取決于原料中木質(zhì)素的含量。稀NaOH溶液處理原料可以使得物料的孔隙率和滲透性不斷增大，聚合度和結(jié)晶度減小，使木質(zhì)素和糖之間的結(jié)合鍵分離，分裂木質(zhì)素結(jié)構(gòu)。Kaar等對玉米秸稈進行了石灰預(yù)處理，每g生物質(zhì)加入Ca（OH）20.075 g和水5 mL，在120℃下加熱4 h后，玉米秸稈的酶水解能力比預(yù)處理前有了很大的提高[2]。堿性過氧化法與傳統(tǒng)的堿處理法的水解產(chǎn)物有所不同，利用10%濃度的KOH萃取麥稈然后堿性漂白，得到的半纖維素成分中木糖的含量較高，利用2%H2O2在堿性條件下萃取麥稈，得到的半纖維素成分中阿拉伯糖和葡萄糖的含量較高。

1.2.3 氧化法

氧化預(yù)處理是指利用臭氧、氧氣、過氧化氫、過氧酸等多種氧化劑對原料進行處理，氧化去木質(zhì)素，在H2O2的存在下，過氧化物酶可以催化氧化木質(zhì)素。脫除原料中的木質(zhì)素，并使原料本身發(fā)生物理和化學變化，以有利于后續(xù)纖維素的水解。目前常用的為濕氧化法，即在較高的溫度和壓力下，利用水和氧氣，氧化降解植物纖維原料。Varga等用濕氧化法在195℃、1.2×103kPa條件下，對60 g·L-1的玉米秸稈預(yù)處理15 min，其中60%的半纖維素、30%的木質(zhì)纖維素被溶解，90%的纖維素呈固態(tài)分離出來，纖維素酶解轉(zhuǎn)化率達85%［3］。纖維素遇堿后膨脹，加入Na2CO3作用在于防止纖維素被破壞，半纖維素與木質(zhì)素大部分溶解于堿液中，進而有效的與纖維素進行分離，得到高純度的纖維素。

1.3 生物法

生物法是利用棕腐真菌、白腐真菌和軟腐真菌對半纖維素和木質(zhì)素進行處理，能有效降解纖維素和木質(zhì)素。生物預(yù)處理方法較物理、化學預(yù)處理方法更好，原因在于需要環(huán)境條件緩和，但是就提高轉(zhuǎn)化率還有待進一步研究。Song等利用白腐菌降解秸稈中的木質(zhì)素。經(jīng)過微生物預(yù)處理后，秸稈中的木質(zhì)素降低，且木質(zhì)素降解率越高，乙醇產(chǎn)量越高。采用固態(tài)培養(yǎng)技術(shù)降解木質(zhì)素，乙醇產(chǎn)量為15.8%［4］。

2 纖維素酶水解

在經(jīng)過預(yù)處理的秸稈原料基礎(chǔ)之上，需要經(jīng)過進一步的糖化水解才能成為可以被微生物利用的單糖。實驗室中常用的水解方法主要為酸水解和酶水解。酸水解對工藝條件要求苛刻，其回收困難，后期處理不方便，會對造成環(huán)境污染；酶解法條件溫和，利于環(huán)境保護。因此，在纖維素乙醇發(fā)酵過程中所應(yīng)用的纖維素酶包括葡聚糖內(nèi)切酶（ED）、纖維二糖水解酶（CBH）和β-葡萄糖苷酶（GL）。這3種酶協(xié)同作用，缺一不可。酶水解纖維素歷程分3步進行，內(nèi)切葡聚糖酶雜亂地水解纖維素底物分子的糖苷鍵，生成小的葡聚糖；外切葡聚糖酶從其鏈端將其水解生成纖維二糖和其他更小分子的低聚糖；β-葡萄糖苷酶水解纖維二糖成為葡萄糖。雖然酶的作用條件適宜且實用性較強，但是確保酶達到一定的利用率是關(guān)鍵問題。

3 菌種與發(fā)酵工藝

3.1 菌種

要以秸稈水解液為底物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，必須選育或者構(gòu)建能夠同時代謝五碳糖和六碳糖的微生物，同時要求微生物對抑制物具有一定的抵抗能力。國內(nèi)外很多研究人員致力于同步代謝五碳糖和六碳糖的微生物菌株的構(gòu)建工作，并對重組菌株的發(fā)酵工藝進行了探索，其中研究最多的菌株是釀酒酵母和運動芽孢桿菌。

3.2 發(fā)酵工藝

由于秸稈中纖維素含量較多，水解得到一定濃度的木糖，然后木糖對纖維素酶水解有一定的抑制作用，如何減少木糖的累積作用，將其及時轉(zhuǎn)化為酒精是值得探討的問題。

3.2.1 直接發(fā)酵法

直接發(fā)酵法是基于纖維分解細菌直接發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇，不需要經(jīng)過酸水解或酶解前處理過程?？芍苯影l(fā)酵的細菌有嗜熱菌（40～65℃）和極端嗜熱菌（65℃），研究最多的是熱纖梭菌，其是嗜熱產(chǎn)芽孢的嚴格厭氧菌，革蘭氏染色呈陽性，能夠分解纖維素，并能使纖維二糖、葡萄糖、果糖等發(fā)酵。目前看來，熱纖梭菌是將纖維素直接轉(zhuǎn)化為乙醇的最有效菌種。在分解過程中，處理工藝簡單，但是乙醇產(chǎn)率還有待于提高。

3.2.2 間接發(fā)酵法

間接發(fā)酵法是利用纖維素酶水解纖維素，得到的葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，由于末端生成產(chǎn)物的積累，必須持續(xù)的從發(fā)酵罐中移除乙醇，目前實驗室中通常采用的方法主要有減壓發(fā)酵法、快速發(fā)酵法等。

3.2.3 固定化細胞發(fā)酵法

固定化細胞發(fā)酵法可以使得細胞連續(xù)使用，反應(yīng)器細胞濃度升高，進而提高發(fā)酵液乙醇濃度，常用的載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻璃等。目前研究最多的是酵母和運動發(fā)酵單孢菌的固定化。

3.2.4 同步糖化發(fā)酵法

同步糖化發(fā)酵法（SSF法）先用纖維素酶水解纖維素，酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源。由于酒精產(chǎn)量受末端產(chǎn)物抑制，主要受低細胞濃度以及底物基質(zhì)抑制，為了克服反饋抑制作用，有研究指出，在同一個反應(yīng)罐中進行纖維素水解（糖化）和酒精發(fā)酵的同步糖化發(fā)酵法。纖維素的水解和發(fā)酵是在同一個發(fā)生裝置中進行，水解得到的葡萄糖在菌體的分解作用下及時分解，減少了對纖維素酶的抑制作用。

3.2.5 非等溫同步糖化發(fā)酵法

非等溫同步糖化發(fā)酵法（NSSF）是由SSF法衍生而來。實驗室研究表明，糖類發(fā)酵最適溫度為35℃，然而水解糖化適宜溫度約為50℃。協(xié)調(diào)這兩個溫度指標，實現(xiàn)盡可能一致，對于提高乙醇生產(chǎn)效率至關(guān)重要。NSSF法通過熱量交換“暢通”能量傳遞，在確保水解和發(fā)酵溫度最佳的條件下減少能量損失。

4 小結(jié)

以作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇成為當今世界研究的熱點，全世界很多國家早已開始了探索能源之路，而用秸稈生產(chǎn)燃料乙醇還未能大規(guī)模的步入工業(yè)化進程，在預(yù)處理方面應(yīng)該嘗試結(jié)合物理和化學處理方法進行深入探索；在纖維素水解過程中提高酶的產(chǎn)量和纖維素活性以及提高酶的利用率；纖維素酶、半纖維素酶研究過程中對微生物的選擇和培養(yǎng)等進行更加深入細致的研究。

[1]熊犍,葉君,梁文芷,等.纖維素醚/Eu（Ⅲ）/羧酸配合物的結(jié)構(gòu)及熒光性能[J].華南理工大學學報:自然科學版,2000,28（3）:28-32.

[2]Kaar W E,Holtzapple M T.Using lime pretreatment to facilitate the enzymic hydrolysis of corn stover[J].Biomass and Bioenergy,2000,18（3）:189-199.

[3]Varge E,Schmidt A,Reczey K,et al.Pretreatment of corns tover using wet oxidation to enhance enzymatic digestibility[J].Applied Biochemistry and Biotechnology,2003,104（1）:37-50.

[4]Song A,Wu K,Zhang B L.Biodegradation of strawstalk and exper?iment of ethanol ferm entation[J].Wuhan University Journal of Natural Sciences,2007,12（2）:343-348.