纖維素乙醇的生產工藝及其應用前景

彭靜靜

摘要：地球上纖維素原料豐富，又是可再生資源，利用纖維素酶水解纖維素獲得乙醇是發展新能源的重要途徑，具有很大的潛力。在闡述我國發展纖維素乙醇必要性的基礎上，本文綜述了纖維素乙醇原料預處理、水解、發酵、精餾脫水及廢醪液處理等生產單元。同時，產業發展正處于工業化初期，面臨能耗物耗高、廢水處理難度大等難題。在此基礎上，針對國內外纖維素乙醇的研究開發歷程與最新進展，進一步分析了影響纖維素乙醇產業化發展的因素以及纖維素乙醇產業化發展的趨勢。

關鍵詞：纖維素原料；纖維素酶；預處理；水解；發酵；生物能源乙醇；精餾和脫水；產業化

中圖分類號：S216.2 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0020-03

長期以來我國能源生產以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主，不僅消耗了大量的自然資源，而且對環境造成了嚴重污染。根據國家統計局發布的中國統計年鑒的數據顯示，2003年能源生產總量為1.7億t標準煤，2012年為3.3億t標準煤，增幅達93%，我國迫切需要一種可再生能源來代替化石能源。在美國、巴西及歐洲已形成新的可再生能源-燃料乙醇產業。隨著糧食價格的不斷上漲，土地資源日益緊張，以糧食為原料的生物液體燃料技術發展前景并不樂觀。而木質纖維素是地球上最豐富的可再生資源，發展纖維素生物乙醇成為我國和其他能源發達國家的必然選擇[1-2]。

木質纖維素是地球上最豐富的可再生資源，以其作為原料生產生物乙醇是最具發展前景的生產路線，利用現代化生物技術手段開發以纖維素為原料的生物能源，已成為當今世界發達國家能源戰略的重要內容。

1纖維素乙醇主要技術路線

纖維素乙醇的工藝技術路線主要包括預處理、水解、發酵、蒸餾脫水等幾大環節。其中關鍵步驟是酶水解，該過程具有反應條件溫和、過程可操縱性、對環境友好等優點。

1.1纖維素原料的預處理方法

目前，纖維素原料的預處理方法可分為物理法、化學法、物理化學相結合法以及生物法等。

1.1.1物理法常見的物理法預處理技術包括機械粉碎法、高溫熱水處理法、微波輻射、射線處理等等，該類處理方法操作簡單，無環境污染，但需要較高的動力，其耗能約占糖化總過程耗能的60%以上。

機械粉碎法：用振動磨等物理外力將纖維素原料進行粉碎處理，可以破壞木質素和半纖維素與纖維素之間的結合層，但是木質素仍然會被保留，其結果降低三者的聚合度，改變纖維素的結晶構造。該處理方法可提高反應性能和提高糖化率，保證酶解過程中纖維素酶或木質素酶發揮作用。

高溫熱水處理法：即酸催化的自水解反應，原理就是在高溫（200 ℃以上）且壓力高于同溫度下飽和蒸汽壓時，使用高溫液態水去除部分木質素及全部半纖維素，但高溫作用會使產物有所損失，并產生一些有機酸等次級代謝產物抑制酶解與發酵過程。按照水與底物的進料順序不同，可分為以下3種，即流動水注入、水與物料相對進料及兩者平行進料，這3種方式都是利用沸水的高介電常數去溶解所有的半纖維素和1/3～2/3的木質素，但反應需要的pH值要求較高，一般控制在4～7之間，來減少副作用[3-5]。

1.1.2化學法稀酸預處理和濃酸預處理：濃酸具有腐蝕性，生產過后需要回收，因此大大增加了成本，所以稀酸水解應用的范圍廣，稀酸水解一般是在高溫高壓下進行，稀酸能夠斷裂纖維素內部的氫鍵，使得纖維素易水解且提高木聚糖到木糖的轉化率，雖然該方法較其他方法比較而言有很高的轉化率[6]，但是據Selig等研究表示，在高溫條件下（如140 ℃處理時），在纖維素表面可能會形成一些木質素與碳水化合物復合物形成的球狀液滴[7]。

堿預處理技術：該方法原理是破壞木質素和碳水化合物之間的連接，破壞生物質的結晶區，使木質素溶于堿液從而促進水解的進行。常用的堿包括Ca（OH）2和氨水等。Chen等采用價格便宜的Ca（OH）2處理TK-9芒草秸稈半纖維素，其水解率大于59.8%，木質素的去除率為40.1%[8]。Kim等發現利用NH4OH、在60 ℃條件下、采用1 ∶7的料液比處理廢棄秸稈9 h可以去除70%～80%的木質素，若酶用量充足，可以將所有的纖維素水解掉[9]。

1.1.3物理化學方法氨冷凍爆破法：類似于蒸汽爆破法，其區別之處在于氨處理對設備的要求和所需的能耗降低，在蒸煮的過程中加入氨，同時還要注意氨的有效回收，其原理是液氨在50～80 ℃、1.5 MPa條件下，采用物理方法，將壓力驟降，使液氨蒸發，使木質素晶體爆裂，破壞木質素與糖類的連接，脫去部分木質素，使得木質素的結構得以破壞，增加纖維素表面積和酶解的可及度。隨后向系統加入固液混合物，經過蒸發的氨通過壓縮可以得到有效回收。Alizadeh等采用柳枝為原料，將葡聚糖的轉化率從20%提高到90%，木質纖維素原料的酶解速率得到較大提高，另外該方法避免了酶的降解，無干擾抑制物的產生，因此處理過后無需處理[10]。

1.1.4生物方法自然界中有多種能夠分解木質素的微生物，其中分解能力最強的是木腐菌，包括3種：百腐菌、軟腐菌、褐腐菌。百腐菌能分泌胞外氧化酶包括漆酶、過氧化酶、錳過氧化酶等，因此百腐菌是自然界最主要的木質素降解菌，這些木質素降解酶能有效、徹底地將木質素降解成為水和二氧化碳。

1.2發酵酶解

發酵酶解技術是木質素生產纖維素乙醇技術的關鍵，國內研究人員經過多年的探索，取得了較好的進展，如生產成本下降，生產工藝流程簡化。酶解發酵主要將五碳糖或六碳糖經過微生物發酵同時轉化為乙醇。利用木質纖維素原料生物轉化乙醇主要有4種途徑：分步水解和發酵（SHF）、同步糖化發酵（SSF）、同步糖化共發酵（SSCF）和直接微生物轉化（DMC）[11]。

1.2.1分步水解和發酵（SHF）分步水解和發酵的原理是，2個過程獨立進行，其優點就是各步能在各自適宜的溫度下（50～55 ℃酶解，35～340 ℃發酵）進行，有利于反應完全，纖維素酶首先將纖維素原料水解，再將得到的C5或C6分別發酵生產乙醇，也可共發酵產乙醇，該途徑最大的缺點就是酶解過程中的水解產物積累會抑制酶的活性，導致水解不徹底。世界上第一座纖維素乙醇示范裝置是加拿大Iogen公司于2004年在渥太華建立的，該公司以纖維素為原料利用SHF工藝，固液分離水解糖，利用工程菌生產乙醇，產能1 800 t/年。瑞典的O-Vik公司以木屑為原料采用SHF工藝建立的乙醇廠，成本只有0.46歐元[12]。美國的Verenium則以甘蔗渣為原料，采用稀酸水解，采用基因工程大腸桿菌發酵生產乙醇，1 t 干生物質年產100加侖乙醇[13]。

1.2.2同步糖化發酵（SSF）同步糖化和發酵，即在同一個反應容器里，纖維素酶解與葡萄糖的乙醇發酵同時進行，微生物能直接利用酶解產生的糖，這樣避免了對纖維素酶的反饋抑制作用，SSF是目前生產乙醇最主要的方式，國內外的中試裝置上基本都采用此方法，主要代表就是瑞典Lund大學，采用木屑為原料，利用工程酵母發酵，其原料轉化率可達90%，提高乙醇產量。在生產過程中，原料在經過預處理之后，加入纖維素酶和酵母共發酵，不能被酶解的木質素則被分離出來，通過再利用提供能量，通過乙醇蒸餾工藝進行回收。

1.2.3同步糖化共發酵（SSCF）SSCF法是SSF法的改進，最主要的優勢在于對戊糖的利用。半纖維素中含有豐富的戊糖，如木聚糖、阿拉伯聚糖，在SSF法中大量戊糖并未能轉化成乙醇；如果在發酵過程中接種能夠將戊糖轉化為乙醇的微生物，將大大提高發酵液中最終乙醇含量。Su等研究發現，利用重組的Zymomonas mobilis發酵玉米秸稈，在SSCF法中，當葡萄糖存在時，縮短了木糖的發酵時間；但葡萄糖與木糖會競爭相同的膜轉運蛋白，而且蛋白優先轉運葡萄糖，在培養基中葡萄糖含量降低到一定程度后，菌種才開始利用木糖進行發酵[14]。現階段SSCF法采用混合菌種發酵居多，在下一步研究過程中，應開發能夠同時利用戊糖和己糖發酵產乙醇的新菌種[1-2]。

1.2.4直接微生物轉化（DMC）直接微生物轉化又稱為統合生物工藝，即原料中木質纖維素成分通過某些能夠產生纖維素酶的微生物群生產乙醇的工藝，同時該微生物還能利用發酵糖生產乙醇，這就要求該種微生物同時具有以下3個步驟：產纖維素酶、酶解纖維素、發酵產乙醇。目前，研究最多的就是粗糙脈孢菌和尖鐮孢菌這2種真菌，該菌有獨立的纖維素酶生產，在有氧和半通氧2種狀態下，分別產水解后的底物和發酵糖為乙醇，方法簡便，和普遍使用的SSF相比，無需額外酶的加入，能夠同時利用五碳糖或六碳糖，具有很廣的應用前景。Mascoma公司利用酵母和細菌共同完成產生纖維素酶和發酵產乙醇的工藝步驟，酶生產單元大大減少，在中試裝置上使用該技術，降低了成本，減少了費用[15]。

1.3精餾和脫水技術

精餾和脫水技術主要是提純產物乙醇，其工藝類似于淀粉燃料乙醇的生產過程。精餾和脫水技術可以借鑒淀粉質原料燃料乙醇生產工藝中已經發展成熟的工業化技術，木質纖維素類原料發酵液中乙醇濃度比較低，一般情況下均在5%以下，致使精餾操作能耗高。有研究者建議，在木質纖維素水解液乙醇發酵工藝中耦合滲透蒸發技術來提高進入精餾系統發酵液中乙醇濃度，但是滲透蒸發系統本身的動力消耗也比較大，而且滲透蒸發所用的透醇膜容易被菌體污染的問題也很突出。

2纖維素乙醇發展展望

2.1纖維素乙醇產業化發展的局限

目前，木質纖維素類生物質制備生物乙醇因其在生產、能耗和政策支持3個方面存在問題[16]，不能實現大范圍的工業化生產。生產技術方面存在工藝流程和預處理技術2個方面的限制，能源利用率存在成本和產出之比高低問題，以及存在政府是否頒布相應的支持條例的問題。

首先，從原料上來看，木質纖維素由于自身堅固[17]的細胞壁結構和難以水解的結晶纖維素，使得生產燃料乙醇需要較高[18]的成本費用，其次，從生產工藝流程來看，制備燃料乙醇要經過預處理、酶解、發酵等過程，在預處理過程中，不同的處理方法針對不同的原料有不同的處理效果，雖然對燃料乙醇提供了有力的支持，但是也存在不同程度的局限之處[19]。在水解和發酵方面，一般采用的技術工藝是分步水解和發酵（SHF）、同步糖化發酵（SSF）、同步糖化共發酵（SSCF）和直接微生物轉化（DMC）。分步水解和發酵的反應特點是纖維素水解和水解液發酵可以在不同的反應容器中進行，所以兩者可以選擇適宜條件。其缺點在于，水解產物糖對纖維素酶有反饋抑制作用，使水解不完全，同時在轉移產物過程中，由于在不同容器中進行，易造成微生物污染[20-21]。

而SSF則與此相反，在酶水解糖化纖維素的同時加入能產生乙醇的纖維素發酵菌，使兩者在同一裝置中連續進行，工藝大大簡化，又能消除底物葡萄糖對纖維素酶的反饋抑制作用。但是也存在局限因素，如木糖的抑制作用、酶解溫度和發酵溫度不一致等。研究最多的假絲酵母菌、管囊酵母菌能夠將木糖轉化為乙醇，解決此難題。同步糖化共發酵（SSCF）是由該方法衍生出的新工藝，同樣具有廣闊應用前景。中國科學院生化工程國家重點實驗室陳洪章等在了解了SSF法之后，提出秸稈分層多級轉化液體燃料的新構想，在秸稈不經過添加化學藥品的低壓爆破處理之后，采用發酵-分離乙醇耦合系統，多級轉化燃料乙醇和生物油，降低成本費用和酶的用量，簡化生產工藝，提高酶解效率[22]。

2.2纖維素乙醇產業化發展的趨勢

目前，國外纖維素乙醇產業化研究正進入一個關鍵時期，中國在這方面也有很好的基礎，為了更快地實現產業化，應當吸取國外石油化工的實踐經驗，堅持生物精煉和乙醇聯產的創新模式，促使纖維素乙醇實現產業化。該模式即實現原料的充分利用和產品價值最大化，就是所謂的“吃干榨凈”，具體含義指利用玉米生產燃料乙醇，還能生產相關產品，如玉米油、高果糖漿、蛋白粉、蛋白飼料和其他系列產品，這樣既提升了纖維素乙醇經濟附加值，又能取得良好的經濟和社會效益，一舉兩得。

燃料乙醇將很快進入全球的成品油市場，在替代汽油供應方面發揮不可替代的作用。在未來幾年，隨著中國對石油進口依賴度加深，擴大國內燃料乙醇產能已經成為必需。但是由于糧食生產乙醇的工藝不適合我國采用，因此，纖維素乙醇研究已經成為目前研究工作的重點。纖維素乙醇研究工作涉及物理、生物工程、化學等多個領域，為了早日實現纖維素乙醇產業化，應當提出相應的發展戰略，首先，應該制定生物質能源產業的國家和地方的發展戰略，政府應采取鼓勵政策繼續加大科研資金投入；其次，利用己糖發酵菌種的構建及木質纖維原料生物量全利用等方面來提升纖維素乙醇的經濟效益：最后，要建立工業示范裝置，為纖維素乙醇產業發展提供實踐經驗[23]。纖維素乙醇作為主要的生物能源，應加快以纖維素乙醇為核心的綜合技術的開發，整合多方力量，實現優勢互補，使其在我國能源結構轉變中發揮重要的作用。

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