利用秸稈制備燃料乙醇的關鍵技術研究進展

張 偉，林 燕，劉 妍，華鑫怡，李春杰，孔海南

（上海交通大學環境科學與工程學院，上海 200240）

進展與述評

利用秸稈制備燃料乙醇的關鍵技術研究進展

張 偉，林 燕，劉 妍，華鑫怡，李春杰，孔海南

（上海交通大學環境科學與工程學院，上海 200240）

利用秸稈來制取燃料乙醇越來越受到重視，但由于秸稈的成分復雜，很難直接利用其來進行發酵生產乙醇。本文從秸稈原料組分分析入手，介紹和比較了以秸稈為原料的各種預處理方法，并系統分析了典型纖維素酶的種類及特點，對水解方法及發酵生產乙醇的關鍵技術的進展進行了總結，并進一步分析了秸稈生產燃料乙醇的關鍵技術問題和今后的研究發展趨勢。

秸稈；乙醇；預處理；水解；發酵

農業秸稈作為一種大量而又廉價的生物質資源，受到農業、環境、能源等相關領域研究者的廣泛關注。近年，我國的農作物秸稈的年產出量在7億噸左右[1]，在經濟發達省份，50%左右的農作物秸稈被遺棄或者直接露天焚燒。大面積焚燒農作物秸稈不僅造成了極大的大氣環境污染和土壤生態平衡，而且浪費了大量寶貴的生物質資源[2]。采用農業秸稈進行能源轉化可以得到生物燃料，其中燃料乙醇作為一種能替代石油的生物質能源得到了廣泛的應用。相對于以糧食為原料生產燃料乙醇技術，采用秸稈為原料來生產燃料乙醇，不僅可以避免與人爭糧的問題，還可以減少環境污染。

農業秸稈為主要的木質纖維素廢物，主要含纖維素、半纖維素和木質素，基于其復雜的原料物質組成特點，秸稈需經預處理、水解、發酵3個主要的處理步驟轉化制備乙醇，本文作者將分別對這三方面的研究進展進行概述分析。

1 秸稈的組成

秸稈多種多樣，包括稻草、麥秸、玉米秸、大豆秸等，其主要成分是木質素、纖維素、半纖維素等聚合而成的致密碳水化合物以及少量蛋白質、脂肪、木質素、醇類、醛、酮和有機酸。不同秸稈其組成成分和比例也不同，其主要成分是纖維素，其次是半纖維素和木質素，不同植物體殘體中這3種物質的比例是不同的（表1）[3]。

表1 不同農作物秸稈中木質素、纖維素、半纖維素的比例

纖維素、半纖維素和木質素既不溶于水也不溶于一般的有機溶劑，而且交織在一起，相互制約，是化學性質很穩定的高分子化合物。纖維素是由β-D-葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵連接而成的直鏈型結晶高聚物，由結晶區和無定型區交錯聯接而成，分子內和分子間存在氫鍵。纖維的特殊結構使得纖維素酶很難接近其內部的糖苷鍵進行有效的反應。半纖維素在結構上變化很大，一般由較短、高度分支的雜多糖鏈組成，比較容易被水解為其組成的糖類。木質素是以苯丙基為基本機構單元連接而成的高分支多分散性高聚物，非常難于降解[4-5]。

2 預處理

預處理的目的是解除木質素、半纖維素等對纖維素的保護作用和破壞纖維素的結晶結構，增加其表面積，從而提高纖維素的水解糖化效率。目前，秸稈的預處理方法很多，根據原料性狀的不同采取不同的預處理方法，一般包括物理法、化學法、物理化學法、生物法 4類。物理法有機械粉碎、熱分解；化學法有酸或堿處理法、氨滲透法、臭氧分解法、濕式氧化法、有機溶劑法；物理化學法有蒸汽爆破、AFEX（氨纖維爆破）、超臨界CO2法、離子液體法；生物法主要是利用白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等微生物通常用來降解秸稈中的木質素和半纖維素。各種預處理方法效果具體見表2。

在眾多的預處理方法中，一般使用蒸汽爆破和濕式氧化處理秸稈等木質纖維素。其中蒸汽爆破法雖然可以達到很好的處理效果，但在處理木質纖維原料時還存在一些問題，尚不具備工業化推廣的條件，濕式氧化法處理雖然能耗少，但資金成本非常高[20]。H2SO4和HCl等濃酸均可用來預處理木質纖維素原料，但是由于其具有較強的腐蝕性和會對環境產生污染，因此要求反應器具有較強的抗腐蝕性能且處理后的濃酸必須進行回收。稀酸法處理效率較高，且在溫度高時所需時間較短，但成本還是偏高，且在后續處理中需對酸進行中和。因此，低成本且不消耗能源的生物質利用技術的重要性越發突出。在此背景下，當前引人注目的是利用離子液體的纖維素預處理技術的研究開發。2002年美國阿拉巴馬大學的 Rogers 教授首次報道了離子液體在100 ℃左右具有溶解纖維素的優異能力，隨后出現了在常溫下溶解纖維素的研究成果。之后還發現將酶溶解在離子液體中能夠使酶發揮活性、將纖維素和纖維素酶同時溶解，能夠實現常溫下纖維素的酶法糖化[21]。此外，開發經濟、環保且有效的木質素脫除方法，生產高附加值的木質素產品也是降低成本、提高預處理效果的有效途徑。

3 水 解

預處理過后的秸稈需進行水解才能轉化為可發酵性糖。水解的作用是破壞纖維素中的氫鍵，纖維素水解需要在催化劑存在下才能進行，常用的催化劑有無機酸和纖維素酶，由此形成了酸水解和酶水解工藝。

3.1 纖維素的酸水解

常用于纖維素水解的酸主要有鹽酸和硫酸。酸催化水解纖維素的機理是：酸在水中解離并產生H+，H+與水構成不穩定的水合氫離子（H3O+），當纖維素上的β-1,4-葡萄糖苷鍵和H3O+接觸時，后者將一個H+交給β-1,4-葡萄糖苷鍵上的氧，使得這個氧變成不穩定的4價氧。當氧鍵斷裂時，與水反應生成兩個羥基，并重新放出氫離子H+，H+可再次參與催化水解反應。在一定的酸濃度范圍內，纖維素水解反應速率與酸的濃度呈正比，水解反應的速度也隨著溫度的升高而加快。酸水解法有稀酸水解和濃酸水解[22]。

3.1.1 稀酸水解

稀酸水解要求在高溫、高壓下進行，反應時間較短，通常為幾秒或幾分鐘，在連續生產中應用較多。稀酸水解法又有常壓水解和加壓水解法，后者又分為固定水解法、分段水解法和滲濾水解法[22]。

表2 各種預處理方法效果的比較

衛民等[23]用質量分數為 0.5%、1.5%、2.5%的硫酸等對熱磨處理后的玉米秸稈進行加壓水解，發現當水解溫度為180 ℃，硫酸質量分數為1.5%時，水解液中還原糖質量分數達5.5%，還原糖最大得率為理論得率的75%。黃愛玲等[24]通過實驗發現，用稀硫酸水解玉米秸稈時，當硫酸質量分數在1%以下時，葡萄糖的水解得率隨硫酸濃度的增加而增加，在硫酸質量分數為1%時達最大值，此后，硫酸濃度的提高對葡萄糖的水解得率的影響不大。

3.1.2 濃酸水解

濃酸水解是均相水解，纖維素晶體結構在酸溶液中潤脹或溶解后形成酸的復合物，再水解成低聚糖和葡萄糖。濃酸水解的優點是糖的回收率高且副產物較少，約有90%的半纖維素和纖維素轉化的糖能被回收。濃酸水解工藝的代表是Arkenol公司，該工藝對生物質原料采用兩級濃酸水解，水解得到的酸糖混合液經離子排斥法分為凈化糖液和酸液。糖液中還含少量酸，可用石灰中和，生成的石膏在沉淀槽和離心機里分離。經離子排斥法分離得到的稀硫酸經過脫水濃縮后可回到水解工段中再利用[25]。從經濟方面考慮，濃硫酸必須回收，但硫酸的分離和再濃縮增加了工藝的復雜程度，且濃硫酸具有強腐蝕性，對設備的要求較高。

此外，濃酸水解法可在較低的溫度和壓力下進行，但反應時間比稀酸水解長得多，而且纖維素水解的同時也會發生葡萄糖的回聚現象。葡萄糖的回聚是纖維素水解的逆過程，水解液中單糖和酸的濃度越大，其回聚度越大。葡萄糖回聚后會生成二糖或三糖，因此在水解末期需對溶液進行加熱，使回聚的低聚糖再進行水解[26]。

王歡等[27]在酸固比為15∶1，反應溫度為40℃，粒度為20～40目，水解時間為60 min，硫酸質量分數為40%、50%、55%、60%、70%、80%的條件下，研究不同濃度濃酸對總糖收率的影響，發現硫酸質量分數在50%時總糖收率有較大值（65%），質量分數低于50%時，玉米秸稈中纖維素結晶結構不能被完全破壞，水解不充分，酸質量分數高于50%時，總糖收率降低。

3.2 酶水解

在自然界中，90%的含纖維素的生物質可被微生物降解，這些能降解纖維素的微生物中80%為霉菌，因此可以利用自然界豐富的霉菌來產生纖維素酶。纖維素酶生產菌種主要是木霉屬（Trichodermasp.）中的里氏木霉（Trichoderma reesei）、曲霉屬（Aspergillus）和青霉屬（Penicilliumsp.）[28]。纖維素的水解需要3類纖維素酶的協同作用，這3類酶分別為：外切β-葡聚糖酶類（CBH，EC 3.2.1.91），也叫微晶纖維素分解酶或C1酶；內切β-1,4-葡聚糖酶類（EG，EC 3.2.1.4），也叫CMC分解酶或Cx酶；β-1,4-葡萄糖苷酶（BG，EC 3.2.1.21），也叫 Cb酶或纖維二糖酶。有證據表明這些酶是起協同作用的[29]，目前有一種公認的3種纖維素酶的功能分別為：CBH酶作用于纖維素分子鏈的非還原性末端，切割β-1,4鍵，釋放最終產物葡萄糖和纖維二糖；EG酶任意攻擊纖維素分子內部的β-1,4-葡糖糖苷鍵，產生許多不同長度的葡聚糖鏈；BG酶特定作用于纖維二糖，產生葡萄糖[30]。

纖維素酶水解纖維素的機制主要存在有兩種假說：一種認為，首先由 CBH酶水解纖維素為不溶性纖維素、可溶性纖維素糊精與纖維二糖，然后由EG酶水解纖維糊精成纖維二糖，最后由BG酶將纖維二糖水解為葡萄糖；另一種認為首先由 EG酶在纖維素聚合物內部起作用，在纖維素的非結晶區進行切割，產生新的末端，然后再由 CBH酶從纖維素鏈的末端進行水解，最后由BG酶將纖維二糖水解為葡萄糖。關于纖維素酶水解的機制至今仍沒有完全統一的認識[22，31]。

纖維素酶是一種復合酶[32]，和其它的生物酶一樣，具有水解的專一性，不同微生物合成的纖維素酶在組成上有顯著的差異，對纖維素的酶解能力也不盡相同[33]。影響纖維素酶水解效果的因素主要有底物濃度，纖維素酶用量和水解條件。底物濃度過高對酶水解有抑制作用，濃度過低則水解效率低；纖維素酶的用量決定酶水解的成本及經濟可行性，合適的酶濃度及酶系組成是纖維素酶水解工藝所必須確定的，常用纖維素酶及其水解效果見表3。

表3 常見纖維素酶及其水解效果

在酶法水解纖維素生產乙醇的過程中，需要用復雜的纖維素酶系將纖維素、半纖維素等多糖組分分解成單糖（葡萄糖、木糖等），才能利用酵母發酵制備燃料乙醇?，F有的纖維素酶活力比較低，單位原料用酶量很大，酶解效率低，使得酶解糖化經濟成本較高。因此，開發高活性纖維素酶成為提高酶解效率、降低成本的必經之路。世界上最大的工業酶制劑企業丹麥諾維信公司（Novozymes）于2010年2月成功推出了能將植物纖維為主要成分的纖維素高效轉變成糖的、面向第二代生物燃料的酶制劑“Cellic CTec2”，其能夠將1加侖生物燃料的生產成本降到2美元，擁有與現行生物燃料和汽油同等的價格競爭力；使纖維素乙醇所需酶的成本大幅降低至50美分/加侖，相當于過去兩年的1/5。同時，隨著基因工程（宏轉錄組學和宏蛋白質組學）、酶工程等生物技術的快速發展，將極大促進纖維素酶的開發進程。

4 發酵工藝

利用秸稈等含纖維素物料發酵制備乙醇的方法有同步糖化發酵法（simultaneous saccharification and fermentation，SSF）、固定化細胞發酵法、統合生物工藝（consolidated bioprocessing，CBP）、間接發酵法、混合發酵法等。下面將對前3種方法進行重點介紹。

4.1 同步糖化發酵法

同步糖化發酵法（SSF）是微生物發酵與纖維素酶水解的有效結合[40]，采用同步糖化發酵法時，通常采用酶水解的方法進行水解[41-43]。運行過程中，由于發酵對酶水解產生的纖維二糖及葡萄糖的及時利用，減輕了發酵罐中由于糖的積累對纖維素酶的抑制作用，使得此種方法具有乙醇產量高、酶用量少的優點[44]，且水解和發酵在一個反應器中進行，該方法又有投資少、運行費用低的特點[45]。Thomsen等[46]對麥稈進行兩段預處理（第一段 80 ℃，第二段190～205 ℃），然后進行同步水解發酵。預水解控制pH值4.8，溫度50 ℃，Cellubrix L纖維素酶活10 FPU/g，時間24 h，再流加10 FPU/g纖維素酶，控制溫度為32 ℃，反應6天，乙醇產率達64%～75%。Ruiz等[47]通過對蒸汽預處理過的葵花秸稈進行同步糖化發酵，其中纖維素酶活15 FPU/g，β-葡萄糖苷酶12.6 IU/g，發酵菌種采用啤酒酵母，反應控制pH值為4.8，溫度為50 ℃，時間72 h，乙醇含量達30 g/L，轉化率為理論值的67.7%。

但此方法也存在一些問題，如纖維素酶和酵母菌的最佳反應溫度不同。糖化水解的最佳反應溫度在45～50 ℃，而乙醇發酵通常是35 ℃左右，解決辦法是篩選或馴化具耐高溫性能的乙醇發酵酵母。Kumar等[48]從制糖廠甘蔗渣傾倒堆的土壤樣品中分離得到一株Kluyveromycessp. IIPE453，發現該酵母在 45～50 ℃范圍內都能生長且具有發酵活性。它能利用廣泛的底物，如葡萄糖、木糖、甘露糖等來生長或發酵產乙醇。研究人員通過整批發酵實驗發現，在50 ℃，當葡萄糖初始濃度為200 g/L時，反應器中乙醇濃度最大能達到(82±0.5) g/L。Ysnase等[49]研究發現Kluyveromyces marxianus在溫度較高時還具有很高的活性和發酵能力。當控制溫度為48℃、底物β-葡聚糖初始濃度為10 g/L時，12 h內乙醇濃度達 4.24 g/L，產率達理論值的 92.2%。Kluyveromyces酵母已經被鑒定為具有耐高溫的特性，它能在較高的溫度（45 ℃以上）下高效地將葡萄糖轉化為乙醇，但是在高溫下，它對葡萄糖的耐力很低[40]。Brooks[50]對8株酵母進行篩選，得到5株較為理想的酵母，具有較高的乙醇產率、酒精耐受性及耐高溫性，其中SaccharomycecerevisiaeR-8酵母具有最好的酒精產率（37～40 ℃下乙醇產率達40%）且有較高的乙醇耐受性（6%～12%）。但據報道，溫度越高，酵母對乙醇越敏感，尚需提高菌株高溫下的乙醇耐受力[51]。

本文作者課題組的前期研究中已將Saccharomyces cerevisiae的發酵溫度提高至40 ℃，觀察到其高溫發酵性能對pH值及內源乙醇濃度較敏感，其高溫代謝過程尚不穩定，因此SSF高溫耦合系統的建立尚存在諸多重要因素需要考慮。

4.2 固定化細胞發酵

與傳統的發酵方法相比，固定化細胞發酵能顯著提高乙醇的產率，且具有經濟效益高的特點[52-53]。固定化細胞發酵能提高反應器中細胞濃度以及酶的水解效率，從而縮短停留時間，使反應設備小型化。目前，利用Saccharomyces cerevisiae酵母的固定化來釀酒已經有相當多的研究。常用固定載體有聚合碳水化合物，如海藻酸鈣、陶瓷顆粒、多孔玻璃等。但是在有流動液體的反應器內載體容易破碎，所以將酵母細胞固定在以上載體上來進行連續發酵的方法在相當長一段時間內都沒有得到應用[54]。因此，尋找新型的、穩定的固定化載體已經成為迫切需要解決的問題。Shindo等[52]利用天然沸石作為固定化載體固定Saccharomyces cerevisiae酵母，然后進行發酵試驗，結果表明沸石對酵母的固定量、發酵產生的乙醇量分別是玻璃載體的2倍和1.2倍，且連續發酵過程中很穩定，21天后載體沒有破碎現象。宋向陽等[55]用海藻酸錳凝膠替代海藻酸鈣來固定畢赤酵母，采用混合糖60 g/L（50%葡萄糖、50%木糖）為發酵底物，在35 ℃、150 r/min、pH值5.0下振蕩發酵，結果表明海藻酸錳凝膠耐磷酸鹽能力是海藻酸鈣凝膠的3倍，42天發酵結果表明固定化細胞穩定時間明顯長于海藻酸鈣固定化酵母發酵穩定時間（24天），總糖利用率為 95.8%，乙醇產率達理論率的92.3%。

4.3 CBP

CBP是將纖維素酶和半纖維素酶的生產，預處理后原料的酶水解，六碳糖和（葡萄糖、甘露糖和半乳糖）及五碳糖（木糖和阿拉伯糖）的發酵這 4個轉化過程都由一種微生物或一個微生物群體來施行，實現一步完成。CBP可以簡化生產過程，縮短生產周期，從而減少設備的投資成本并降低纖維素乙醇的生產成本。CBP轉化秸稈等木質纖維素的核心技術是培養出一種既能利用木質素，又能生產乙醇的“超級菌”或“超級菌群”。美國馬薩諸塞大學的Leschine等[56]從土壤中篩選出一種新型微生物——植物發酵梭菌，又稱Q細菌。Q細菌既能分解甘蔗渣等植物原料，而且具有乙醇產率高、副產物少的優點。

長期以來，釀酒酵母一直是工業乙醇生產的常用工業微生物，但是它不能利用戊糖的弱點降低了它在纖維素乙醇生產中的效率。目前，研究最多的是利用基因工程手段在釀酒酵母中構建一條木糖→木糖醇→木酮糖→磷酸化木酮糖→乙醇的代謝途徑。日本京都大學和產綜研合作，成功改造了木糖醇脫氫酶（xylitol dehydrogenase，XDH）的基因，使其利用NADP+作為主要輔酶因子，形成了 NADPH→NADP+→NADPH 的輔酶因子循環，并把木糖還原酶（xylose reductase，XR）、改造后XDH以及木酮糖激酶（xylulokinase，XK）轉入磷酸戊糖代謝能力較強的絮凝性釀酒酵母IR-2中，成功構建了基因工程酵母MA-R5。以天然木質纖維素水解液為底物經過48 h發酵實驗，乙醇產率達93.3%[57]。

5 問題與展望

隨著原油價格的持續攀升及對環境問題的日益重視，利用秸稈等纖維素生物質原料來生產乙醇受到越來越廣泛的關注。我國發展能源作物種植在土地資源上具有較大的空間，隨著技術的不斷成熟和成本的繼續降低，能源作物種植和生物液體燃料產業將得到長足的發展，并將帶動農村經濟、創造大量就業和大幅度增加農民收入。從長遠戰略考慮，發展秸稈制乙醇技術，對減少對化石能源的依賴、保護環境、應對氣候變化，實現節能減排的目標具有重要意義。

目前利用秸稈等纖維素原料生產乙醇的技術還不夠成熟，乙醇產率偏低且費用較高。通過開發新型、高效、低成本的預處理技術來提高原料的轉化利用率，如利用離子液體溶解纖維素，實現常溫下的纖維素酶法糖化；采用新型發酵工藝來提高糖的利用效率，如使用SSF工藝，降低中間產物抑制作用的同時提高乙醇的產率，采用CBP工藝，提高六碳糖、五碳糖的利用率；培育高效發酵菌株，如通過現代基因工程和篩選技術，篩選、構建具有耐高溫、酸性，較高糖濃度耐受性的發酵菌株，從而使水解和發酵的反應條件相耦合。以上各種技術的突破和應用對發展、推廣秸稈制乙醇技術具有至關重要的作用。

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Research progress in the crucial techniques of fuel ethanol production from stalks

ZHANG Wei，LIN Yan，LIU Yan，HUA Xinyi，LI Chunjie，KONG Hainan
（School of Environmental Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

In recent years，the way of using stalks to produce ethanol has attracted more and more attention. However，it is extremely difficult to produce ethanol directly from stalks as their components are very complex. Different pretreatment methods for stalk materials are introduced and compared given their components. Meanwhile，some typical cellulases are systematically summarized in terms of their characteristics and progress in hydrolysis and ethanol fermentation. The crucial techniques of ethanol production from stalks as well as the future research development trend are prospected.

stalks；ethanol；pretreatment；hydrolysis；fermentation

TQ 351

A

1000–6613（2011）11–2417–08

2011-05-19；修改稿日期2011-06-07。

國家科技重大專項（2009ZX07101～015）及污染控制與資源化研究國家重點實驗室開放課題（PCRRF09002）項目。

張偉（1987—），男，碩士研究生。聯系人：林燕，副教授，研究方向為生物質能源化利用。E-mail linyan2002@sjtu.edu.cn。