秸稈生產燃料乙醇的技術研究

侯玉潔，張建剛，夏 晨，侯小輝

（1.揚州大學動物科學與技術學院，江蘇 揚州 225009；2.新疆阿勒泰市畜牧獸醫站，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，尋找和開發新的燃料資源迫在眉睫，生物能源因其儲存量大，作為可轉化為液體燃料的可再生資源，發展最快的是燃料乙醇，2004年巴西以甘蔗為原料生產燃料乙醇1200萬t；美國以玉米為原料生產燃料乙醇1000萬t。糖蜜、糧食淀粉和木質纖維素都可用來生產燃料乙醇，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實的。燃料乙醇是最現實的液體燃料替代用品之一，大力發展燃料乙醇的產業化進程已經成為處理秸稈有效方式。

1 預處理方法

秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質素、粗蛋白和水構成，難溶于水和其他有機溶劑，化學性質相對穩定，充分的預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，原料預處理技術可以部分破壞木質素的包裹作用以及纖維素的結晶結構，聚合度下降。實驗室中秸稈預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粉碎，進而促進糖化。機械破碎后，木質素仍被保留，但木質素和纖維素與半纖維素的結合層被破壞，降低聚合度。機械粉碎可提高其后續反應的接觸面積，從而提高其反應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生裝置，用微波或超聲波對纖維素進行預處理，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；還可破壞其結晶性，提高纖維素的反應活性，使其在以后的糖化階段更易于加快反應速率。Xiong等研究了微波對纖維素Ⅰ超分子結構的影響，發現微波作用沒有引起纖維素化學結構和結晶形成的變化，但使得結晶度和晶區尺寸增大[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，對環境無污染且能耗較低，是近年來發展快、成本低、比較有效的木質纖維高效分離技術。在高溫、高壓蒸汽中，植物原料經過蒸煮產生一些酸性物質，使半纖維素降解成可溶性糖，同時復合胞間層的木質素軟化和部分降解，從而削弱了纖維間的黏結，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?；?，生成的乙酸、糠醛酸等能夠催化半纖維素繼續水解生成糠醛等物質，易導致木糖損失＞50%?？傊?，經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，由于生產設備的限制，烯酸法以其對設備耐酸性要求較低，較之強酸也能有效水解纖維素，越來越受到青睞。強酸預處理方法是將粉碎顆粒送入預處理反應器，蒸汽溫度為200～250℃時，高壓蒸汽和硫酸對原料進行處理，持續時間＜1 min，然后快速釋放壓力。稀酸預處理方法主要有高溫（溫度＞160℃）、連續反應和低溫批次方法。稀酸預處理方法在后期需要用大量的堿液來中和殘留的酸，對環境也有很大影響。

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，聚合度和結晶度減小，使木質素和糖之間的結合鍵分離，分裂木質素結構。Kaar等對玉米秸稈進行了石灰預處理，每g生物質加入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處理前有了很大的提高[2]。堿性過氧化法與傳統的堿處理法的水解產物有所不同，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，氧化去木質素，在H2O2的存在下，過氧化物酶可以催化氧化木質素。脫除原料中的木質素，并使原料本身發生物理和化學變化，以有利于后續纖維素的水解。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的玉米秸稈預處理15 min，其中60%的半纖維素、30%的木質纖維素被溶解，90%的纖維素呈固態分離出來，纖維素酶解轉化率達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素進行處理，能有效降解纖維素和木質素。生物預處理方法較物理、化學預處理方法更好，原因在于需要環境條件緩和，但是就提高轉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素。經過微生物預處理后，秸稈中的木質素降低，且木質素降解率越高，乙醇產量越高。采用固態培養技術降解木質素，乙醇產量為15.8%［4］。

2 纖維素酶水解

在經過預處理的秸稈原料基礎之上，需要經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，會對造成環境污染；酶解法條件溫和，利于環境保護。因此，在纖維素乙醇發酵過程中所應用的纖維素酶包括葡聚糖內切酶（ED）、纖維二糖水解酶（CBH）和β-葡萄糖苷酶（GL）。這3種酶協同作用，缺一不可。酶水解纖維素歷程分3步進行，內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鍵問題。

3 菌種與發酵工藝

3.1 菌種

要以秸稈水解液為底物發酵生產乙醇，必須選育或者構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建工作，并對重組菌株的發酵工藝進行了探索，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，將其及時轉化為酒精是值得探討的問題。

3.2.1 直接發酵法

直接發酵法是基于纖維分解細菌直接發酵纖維素生產乙醇，不需要經過酸水解或酶解前處理過程。可直接發酵的細菌有嗜熱菌（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、果糖等發酵。目前看來，熱纖梭菌是將纖維素直接轉化為乙醇的最有效菌種。在分解過程中，處理工藝簡單，但是乙醇產率還有待于提高。

3.2.2 間接發酵法

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

3.2.3 固定化細胞發酵法

固定化細胞發酵法可以使得細胞連續使用，反應器細胞濃度升高，進而提高發酵液乙醇濃度，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酵單孢菌的固定化。

3.2.4 同步糖化發酵法

同步糖化發酵法（SSF法）先用纖維素酶水解纖維素，酶解后的糖液作為發酵碳源。由于酒精產量受末端產物抑制，主要受低細胞濃度以及底物基質抑制，為了克服反饋抑制作用，有研究指出，在同一個反應罐中進行纖維素水解（糖化）和酒精發酵的同步糖化發酵法。纖維素的水解和發酵是在同一個發生裝置中進行，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 非等溫同步糖化發酵法

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

4 小結

以作物秸稈生產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，而用秸稈生產燃料乙醇還未能大規模的步入工業化進程，在預處理方面應該嘗試結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）/羧酸配合物的結構及熒光性能[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.