木質纖維素生物煉制及乳酸制備研究進展

唐 勇 ,蘇肇秦,趙丹青,蔣建新

(北京林業大學材料科學與技術學院,北京100083)

1 引言

化石原料提供了當今社會需要的大部分交通燃料以及大量化學品。科學技術的進步提高了化石原料精煉及利用效率,因此也加快了化石原料的消耗速度并帶來了日益嚴重的環境問題,這迫使尋求替代能源和化學品煉制方式成為社會可持續發展的必然要求。

地球上具有廣泛易得的生物質資源,農業、林業以及人為控制的和非人為控制的微生物系統都能生產可再生碳基原材料,同時可再生碳基原料的使用能降低CO2凈排放值,具有環境友好特性。因此以生物質為原料的生物煉制是維持社會和實現化學產業可持續發展的必然要求[1]。生物煉制一般過程是首先將原料的高分子物質采用酶水解轉化為可發酵性糖基平臺物質,然后通過生物催化過程將其轉化為燃料或系列化學品。生物煉制采用蔗糖、淀粉或者纖維素為原料,其煉制方式也是基于不同原料的天然屬性發展而來。眾多的生物質資源中,木質纖維原料屬于非糧食原料,因此基于木質纖維原料的生物煉制方式是目前的研究熱點。

乳酸(LA)是一種重要及多用途的化學品,用于食品、醫藥以及高聚物等多個產業。乳酸通過聚合可以合成聚乳酸(PLA),這種高分子材料具有良好的生物可降解性,因此乳酸更加受到研究者的關注。目前乳酸生產有化學合成和微生物發酵法,世界近90%的乳酸時通過細菌發酵合成[2]。生物基乳酸煉制是采用生物質作為原材料,通過微生物發酵過程最終生成具有光學純度的乳酸的過程。

2 生物煉制原料

第1代生物煉制采用蔗糖基原料,第2代生物煉制采用淀粉基原料,第3代生物煉制采用纖維素基原料。對比3代煉制方式的可發酵碳成本,目前第1代最具競爭力,第3代生物煉制成本最高。研究指出據估計每年僅有1.7%的蔗糖用于非糧食生產。淀粉類原料可以相對容易轉化為可發酵糖,是目前最理想的乳酸發酵原料。我國的生物煉制產業近期最有可能采用甜高粱和木薯作為原料[3]。在糧食短缺的當今世界不提倡使用蔗糖和食用淀粉作為煉制原料,與此同時即使使用淀粉及蔗糖用于生物煉制,它們的供應仍然不能滿足未來生物煉制廠對原料的需求。因此長遠考慮,開發纖維素基原料的生物質是具有重要意義的。

木質纖維原料優勢明顯：一方面原料低廉易得;另一方面其生物煉制體系適合產品譜系的生產,木質纖維原料的生物煉制體系最有潛力實現工業化,其過程見圖1。

圖1 木質纖維為原料的生物煉制

發展和優化木質纖維原料生物煉制過程是近年來研究熱點。小麥秸稈水解對歐洲經濟是重要的,美國采用玉米秸稈進行生產。我國是農作物秸稈的生產大國,因此我國發展生物煉制具有原料優勢[3]。木質纖維原料利用存在以下難點：纖維素生物質具有比淀粉更復雜結構,半纖維素和木質素對纖維素的包裹作用以及纖維素本身具有的兩相結構大大降低了纖維素的可及度,因此難于利用;酶高需求量并且高成本使木質纖維至今仍然無法被大規模商業化利用;木質纖維原料含有可觀的五碳糖,只有充分利用這些五碳糖才能實現高效的原料利用率。因為持續的技術提高能降低纖維素基生物煉制成本,潛在的未來生物煉制的原料仍將是木質纖維素原料。

3 木質纖維基乳酸制備

3.1 木質纖維原料預處理

目前木質纖維原料多種預處理方法已有不同程度上的研究和應用,常用的方法有稀酸處理、生物處理法、有機溶劑法、堿處理法以及蒸汽爆破法[4]：稀酸處理能有效提高纖維素水解效率;同時能高效回收五碳糖;有機溶劑法幾乎可以完全去除半纖維素及木質素,但其對設備及有機溶劑回收要求高;生物處理簡單易行并且具有環境友好性,但處理周期長：NaOH處理法有較強的脫木質素和降低結晶度能力,但同時能分解半纖維素使生物質損失,并且這種處理方法需要的后期中和處理增加這種預處理的成本;蒸汽爆破具有處理時間短,不用或少用藥品,節能環保,無回收工藝等優點,是一種較為理想的預處理技術。

應用蒸汽爆破處理木質纖維原料有可能降低生物煉制成本,蒸汽爆破預處理通過有效地破壞木質纖維素結構及木質素、半纖維素的結合層,增加酶促反應的有效比表面積。低強度的蒸汽爆破對原料處理不夠,而高強度的蒸汽爆破一方面耗能多,另一方面會損失物料,因此優化蒸汽爆破條件有重要意義[5]。結合多種預處理方法能提高蒸汽爆破處理效果。原料蒸汽爆破前后采用一定化學處理或水處理能提高蒸汽爆破效率[6],同時減少對后期利用有抑制作用的物質[7]。

除了傳統預處理,近來研究也關注一些新型的預處理方式,比如超(亞)臨界預處理和離子液體預處理。葡萄糖在超臨界水中分解反應速度都很大[8],葡萄糖的降解降低了生物質可利用率。趙巖等[9]的研究表明超臨界和亞臨界組合優于兩者單獨使用,但是這種組合技術對天然木質纖維原料的適用程度還有待進一步研究。盡管超(亞)臨界預處理優點明顯,但其復雜的過程及過程產生大量酶和微生物的抑制產物使得其在生物煉制中大規模應用還需要更多的研究。近期研究開發新型的纖維素溶解溶劑離子溶劑,具有不易揮發并具有很好的化學及熱穩定性,同時溶解纖維素效果理想。盡管離子液體處理能大大提高酶解效率[10],但是成本使其不宜在工業大規模生產中應用[11]。

3.2 酶水解

目前酶成本是纖維素降解過程的最重要成本之一,如何降低酶成本也是研究熱點[12]。酶成本的降低可以通過兩方面實現,一方面是降低單位酶的生產成本,另一方面是提高單位酶酶活力以降低酶用量。使用突變及篩選改進生產菌株,利用纖維素作為碳源及其高產率菌株生產能降低成本。商業化酶是無細胞、穩定的濃縮物,提取和復配成本占了生產成本的大部分,因此在滿足應用需求時減少發酵后處理可以降低發酵成本?；谶@點,有研究考察了產酶微生物共發酵或者直接使用粗酶液進行煉制過程[12,13]。酶性能的改善主要研究焦點集中于增加纖維素酶的熱穩定性[2]。有研究表明一些表面活性劑的使用能減少酶用量[12,14],在不增加太多后期處理成本的情況下,這些做法是可取的。一些產酶混合菌群或者纖維素酶的互配也能提高效率[12,15]。同時針對將要使用的特定底物及預處理方法,對酶系統進行優化也是必要的。此外其它一些措施也能降低酶成本,比如嗜熱微生物的使用能減少酶的消耗[16-18],回收利用纖維素酶,有研究表明從汽爆預處理的水解硬木殘渣和水解液中回收纖維素酶是可行的,大約可以節省成本130%～427%[19]。

3.3 乳酸發酵微生物

目前,商業化的乳酸生產菌株有乳酸桿菌、桿菌及根霉菌屬。傳統乳酸菌在乳酸工業生產中占主導地位[1],研究也在開發酵母和谷氨酸棒狀桿菌用于乳酸生產。乳酸菌需要復雜的營養條件,從而需要相對高的發酵成本,同時也影響純化乳酸經濟性,研究關注降低這方面的成本,廉價的天然含氮物質替代酵母浸出物能降低乳酸生產成本[20～22]。多種乳酸菌的共發酵同樣可以降低對培養基的要求,不需要有機氮的雙岐桿菌種可在培養基內分泌大量多種氨基酸以滿足其他乳酸菌需要。大腸桿菌能在簡單的礦物培養基中生長,能利用己糖和戊糖,副產物多而產量低。谷氨酸棒狀桿菌廣泛用于工業生產氨基酸,谷氨酸棒狀桿菌在無氧環境下能利用葡萄糖在無機鹽培養基中產有機酸,據此開發谷氨酸棒狀桿菌生產LA系統,這種系統產生高光學純度的L-及D-LA同時明顯也產生其它有機酸。根霉菌屬中米根霉耐低pH,營養要求低,菌體大容易分離,發酵產生唯一的具有高光學純度乳酸,但是產率低[23]。酵母比細菌更能耐受低的pH,Min-Tian Gao[24]等利用代謝工程得到的釀酒酵母OC-2T T1-185R,在pH低于3.5時仍能高效產乳酸。基因改造酵母能實現高光學純度LA的生產,但是他們不是產率較低就是需要較長的發酵時間。

目前基于木質纖維原料利用微生物改造研究集中在直接利用纖維二糖的菌株、高忍耐發酵抑制劑的菌株、嗜熱耐酸菌株及五碳糖利用菌株的開發。乳酸菌不能直接對纖維素或多于4個葡萄糖單體的纖維低聚糖進行LA發酵[25],但是開發能直接利用纖維二糖的菌株具有重要意義,因為纖維二糖是纖維水解后一個主要低聚糖化合物,同時也是降解晶狀纖維素的主要酶 CBH s的強力抑制劑[26]。Mukund[2]使用突變體UC-3利用高濃度纖維二糖生產乳酸,產率達到0.9g乳酸/纖維二糖。研究表明改造酵母也實現了對纖維二糖的利用[1]。蒸汽爆破過程會產生對后續水解及發酵的抑制物質,去除這種不利物質會增加操作步驟并且損失部分可發酵糖[27],所以如果能提高菌種對發酵抑制劑的忍耐力就能降低處理過程的強度[28,29]。提高菌種對發酵抑制劑的忍耐力除了突變、篩選及基因手段,還有一種更為簡單的方式,有研究表明采用纖維水解液進行培育的微生物能一定程度上適應水解液中抑制劑,使用這種自適應微生物發酵能提高產品產量[30]。研究表明嗜熱菌的利用能提高酶利用效率,從而降低酶用量[16]。乳酸生產原料中,纖維素的水解伴隨著半纖維素水解而產生一定量的五碳糖。充分利用這些五碳糖顯然能提高生物質利用率。通過基因工程改造谷氨酸棒狀桿菌[31,32]已經實現了對木糖、樹膠醛糖及纖維二糖的發酵。但是基于酵母利用木糖和樹膠醛糖改造還僅見于乙醇生產中[33,34]。Ronald等[35]研究表明米根霉真菌也能夠轉化木質水解液中大量存在的戊糖如木糖。這些研究使得發酵半纖維素水解產物生產乳酸成為可能。

3.4 乳酸發酵

乳酸發酵可以采用分步糖化發酵(SHF)、同步糖化發酵(SSF)、同步糖化共發酵(SSCF)以及綜合生物過程(CBP)[3]。同步糖化發酵是在同一反應器中同時進行水解和發酵,是目前常用的發酵過程。相比分步發酵,同步發酵能減少酶水解產物對酶的抑制作用,同時過程反應容器的減少也降低設備投資。但是不使用嗜熱發酵微生物的SSF的發酵溫度一般不高于45℃,犧牲酶水解的效率以保證發酵微生物的活力[18]。其次同步發酵結束后很難對菌體及酶進行回用,這使得同步發酵過程宜降低菌體濃度同時使用高固體負載進行發酵。分步過程需要較多的設備投資和長的過程時間,這使得盡管分步過程能得到較高的原料纖維轉化率,但是其生產力比同步發酵低。

固體化細胞能保護細胞不受外界不利條件的影響,實現連續生產。固定化細胞具有良好的穩定性及可重復利用性。沈雪亮等[36]將富含纖維二糖酶的黑曲霉孢子和德氏乳酸桿菌細胞共固定在海藻酸鈣凝膠珠中,耦聯共固定化細胞體系與纖維素原料的酶水解體系,利用這種組建成新型串聯式生物反應器發酵乳酸,反復分批協同反應試驗表明共固定化細胞具有持續、穩定、高效的乳酸生產能力,可以重復利用。

底物抑制和產物抑制是生物反應中限制生產強度和產物濃度的兩個主要因素,SSF能有效降低底物抑制,生物煉制與生物分離的組合系統則能降低產物抑制。Seyed等[37]比較了離子交換原位分離培養基中乳酸的發酵方式和平常普通的發酵方式,結果表明使用離子交換樹脂用于分離乳酸和自動pH控制器進行在線控制pH,在優化工藝條件下原位發酵的生產力是普通發酵體系的5倍。發酵與萃取耦合的原位分離技術能簡化原有發酵工藝,并且消除產物抑制從而提高了發酵轉化率,M in-Tian Gao[38]等的研究表明這種萃取發酵的可行性。

4 乳酸的精制

生物煉制得到的乳酸產品需要精制才能應用于聚乳酸生產。近年來研究者嘗試各種精制方法,如分子蒸餾法、酯化水解法、電滲析法和膜分離法。分子蒸餾是一種真空蒸餾技術,高真空度(系統絕壓約0.1Pa)條件下進行的非平衡連續蒸餾過程[39]。由于分子蒸餾的操作溫度遠低于常壓沸點并且物料被加熱的時間短,過程中物質本身基本不受到破壞,因此這種技術適合于分離低揮發度、高沸點、熱敏性和具有生物活性的物料。分子蒸餾是一種很好的乳酸精制技術,工藝簡單、步驟少,但設備投資大,適合乳酸的深加工。酯化法是獲得高純度乳酸的有效方法之一,酯化反應化學平衡的限制酯化法產率,近年來,高效催化劑和工藝的開發以及和膜技術發展推動了酯化法新的發展[40～42]。膜分離技術作為新型化工分離技術之一,具有低成本快速,易于放大,可連續操作等優點。近年來材料的發展促進膜技術在各領域的廣泛應用。膜分離技術中的超濾和微濾能用于乳酸發酵液前期澄清處理,納濾、反滲透及和電滲析結合的膜分離能用于精制[43],利用耦合納濾膜和反應器也可以實現乳酸半連續生產。納濾和反滲透過程精制得到的乳酸能滿足食品乳酸生產要求。膜分離技術的應用仍然要考慮吸附和濃差極化的問題。

普通電滲析法是利用選擇性的離子交換膜在電場作用下使離子發展定向運動,從而達到離子的濃縮。利用普通電滲析可獲得較純凈的乳酸鹽溶液。雙極膜電滲析是新型的技術,不同于普通電滲析,雙極膜層使水發生解離從而可以分解乳酸鹽制備乳酸和堿,因此在從乳酸鹽制備乳酸時具有獨特的優勢[39,43]。電滲析過程制備乳酸具有簡單、物耗降低、三廢排放少,同時乳酸產品質量高明顯優勢,但是其不能單獨用于乳酸精制,先利用其它預處理技術(微濾,其它膜分離技術等)獲得較為純凈的乳酸鹽溶液,之后利用雙極膜電滲析過程進行精制。

5 結語

目前每年聚乳酸的生產能力450萬kg,而塑料總產量2 000億kg。究其原因是聚乳酸生產成本較高,不能和化石原料生產的塑料競爭。聚乳酸生產成本包含單體乳酸生產成本。因此需要降低乳酸生產成本。木質纖維基乳酸的生物煉制是一種有前途的乳酸生產方式,其原料來源廣泛而低廉,同時相對化學合成更具有環境友好性,被認為最符合采用非糧食生產乳酸理念的煉制方式。當前的技術實現其工業化還有很大差距,因此研究致力于降低煉制成本。生物煉制乳酸面臨前所未有的機遇和挑戰,整合生物煉制各過程、全面利用生物質材料以及經濟煉制是應對挑戰的方法。

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