秸稈發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向研究
摘要：討論了秸稈發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇工藝中的主要存在問題及其發(fā)展方向。系統(tǒng)的論述了目前常用的工藝流程，通過對比預(yù)處理、水解、發(fā)酵各個工藝中不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析可行的發(fā)展方向。
1前言
能源作為現(xiàn)代社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，受到世界各國的廣泛關(guān)注。石油、煤炭、天然氣等化石燃料在價格不斷上漲，正面臨資源枯竭的危險。各國不得不加速發(fā)展替代能源，其中生物乙醇需求和發(fā)展尤為顯著。生產(chǎn)生物乙醇的原料，目前主要是糧食和糖料，存在成本高與民爭糧(爭地)等問題。2006年12月14日，國家發(fā)改委與財(cái)政部聯(lián)合下發(fā)通知嚴(yán)格控制以糧食為原料的燃料乙醇生產(chǎn)規(guī)模。所以將來生產(chǎn)生物乙醇的根本出路，勢必會向用農(nóng)作物秸稈、木屑等纖維素為原料的方向發(fā)展。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量達(dá)7億t以上[1]。如果采用適宜技術(shù)將它們水解成可發(fā)酵性糖，進(jìn)一步發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，有可能改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，對我國經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展具有十分重大的意義。
2秸稈發(fā)酵生產(chǎn)乙醇技術(shù)
植物秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素通過共價或非共價鍵緊密結(jié)合成木質(zhì)纖維素，其中纖維素和半纖維素占秸稈干重的2/3～3/4，纖維素和半纖維素可水解成單糖，進(jìn)而通過同時糖化發(fā)酵將生成的葡萄糖發(fā)酵成乙醇。由秸稈生產(chǎn)乙醇主要包括3大步驟：預(yù)處理、水解和發(fā)酵。預(yù)處理和水解的最終目的是降解植物細(xì)胞壁中碳水化合物聚合物，使之變成能被微生物發(fā)酵的單糖，最后發(fā)酵六碳糖和五碳糖生成乙醇。
2.1預(yù)處理
在整個酒精生產(chǎn)工藝中，預(yù)處理是關(guān)鍵的第1步，它的效果不僅影響最終酒精的產(chǎn)率，而且還直接影響下游的工藝成本。由植物秸稈的組成和結(jié)構(gòu)可以知道，無論采取何種工藝分解利用秸稈中的纖維素，都必須首先對秸稈原料進(jìn)行預(yù)處理，增加有效比表面積。預(yù)處理方法歸納起來包括物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。
(1)物理法。機(jī)械粉碎是纖維原料預(yù)處理的常用方法，通過切、碾和磨等工藝使纖維原料的粒度變小，增加底物和酶接觸的表面積，降低纖維素的結(jié)晶度。預(yù)處理的物理方法還包括高溫處理、微波輻射和超聲波、爆破粉碎、冷凍粉碎、聲波、電子射線等，均可使纖維素粉化、軟化，提高纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率。但物理方法存在作用不明顯，且設(shè)備成本高；條件苛刻。
(2)化學(xué)法。包括無機(jī)酸、堿和有機(jī)溶劑等方法，該法可使纖維素、半纖維素和木質(zhì)素吸脹并破壞其結(jié)晶性，使天然纖維素溶解并降解，從而增加其可消化性，但存在弊端。用稀酸處理過的纖維素中木質(zhì)素的脫除效果不佳，這在一定程度上也限制了纖維原料的酶解效率。高濃度無機(jī)酸、堿處理后纖維素和半纖維素?fù)p失大，試劑回收、中和和洗滌困難；強(qiáng)酸和強(qiáng)堿對設(shè)備的要求高。有機(jī)溶劑腐蝕性和毒性大，污染嚴(yán)重，形成產(chǎn)物多樣，產(chǎn)品得率低。這種原料預(yù)處理方式顯然也制約生物質(zhì)燃料乙醇的生產(chǎn)[2]。
(3)物理化學(xué)法。如用化學(xué)添加法和氣爆法相結(jié)合，處理效果較好，但也存在成本高，污染相對嚴(yán)重的問題。Morjanoff和Gray[3]報(bào)道說，100g甘蔗渣在加入1%的硫酸，并且水∶固體=2∶1的情況下，在220℃進(jìn)行蒸汽爆破，然后進(jìn)行酶解，可產(chǎn)生65.1g蔗糖。該預(yù)處理可使纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的機(jī)械斷裂，同時高溫高壓加劇了纖維素內(nèi)部氫鍵的破壞和有序結(jié)構(gòu)的變化，游離出新的輕基，增加了纖維素的吸附能力，也促進(jìn)了半纖維素的水解和木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化。但是這種方法對設(shè)備的要求高，能耗大，在高溫條件下部分木糖會進(jìn)一步降解生成糠醛等有害物質(zhì)。
(4)生物法。生物法是采用降解木質(zhì)素的微生物如白腐真菌、褐腐真菌、軟腐真菌和其他細(xì)菌等在培養(yǎng)過程中可以產(chǎn)生分解木質(zhì)素的酶類，從而可以專一性地降解木質(zhì)素，提高纖維素和半纖維素的酶解糖化率。它具有條件溫和，專一性強(qiáng)，不存在環(huán)境污染，處理成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是目前可利用的菌種很少，因此必須分離或選育木質(zhì)素氧化酶活性高，而不產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶的菌種。
今后對預(yù)處理的發(fā)展方向是：在結(jié)合糖化、發(fā)酵整個完整工藝的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的預(yù)處理方法進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)，其中利用濕氧化法或蒸汽爆破法對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理是較為實(shí)際的，工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的可能性較大；同時進(jìn)一步了解纖維素結(jié)構(gòu)對酶解的影響，深入研究預(yù)處理過程的物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，構(gòu)建出合理的預(yù)處理模型，從而找出最佳的工藝條件，設(shè)計(jì)出相匹配的反應(yīng)器，從而找到更為經(jīng)濟(jì)有效、低污染的預(yù)處理技術(shù)，才能推動纖維素乙醇實(shí)現(xiàn)工業(yè)化發(fā)展。
2.2水解
秸稈物質(zhì)在一定溫度和催化劑作用下，其中的纖維素和半纖維素加水分解成為單糖的過程即為水解。常用的催化劑有無機(jī)酸和纖維素酶，以酸作為催化劑稱作酸水解，包括濃酸水解和稀酸水解，以酶作為催化劑稱作酶水解。
(1)濃酸水解。指濃度在30%以上的硫酸或鹽酸將生物質(zhì)水解成單糖的方法，其水解過程是纖維素→酸復(fù)合物→低聚糖→葡萄糖。優(yōu)點(diǎn)是糖轉(zhuǎn)化率高，無論纖維素還是半纖維素都能達(dá)到90%以上，缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢，工藝復(fù)雜，酸必須回收且費(fèi)用高。
(2)稀酸水解。一般指用10%以內(nèi)的硫酸或鹽酸等無機(jī)酸為催化劑將纖維素、半纖維素水解成單糖的方法，水解過程為纖維素→水解纖維素→可溶性多糖→葡萄糖。優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)進(jìn)程快，適合連續(xù)生產(chǎn)，酸液不用回收；缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)化率低(約為50%)，所需溫度和壓力較高，副產(chǎn)物較多，反應(yīng)器材質(zhì)要求高。
(3)酶水解。酶水解是始于20世紀(jì)50年代的生化反應(yīng)，是較新的纖維素水解技術(shù)。利用纖維素酶對生物質(zhì)中的纖維素進(jìn)行糖化進(jìn)而發(fā)酵生成乙醇。酶解過程不需要外加化學(xué)藥品，副產(chǎn)物較少，提純過程相對簡單，生成糖不會發(fā)生二次分解，因此越來越受到各國重視，甚至有人預(yù)測酶水解有替代酸水解的趨勢。秸稈原料的酶水解在整個生產(chǎn)燃料乙醇成本中占60%左右，故控制酶水解的成本，對整個乙醇生產(chǎn)成本的控制，起著非常重要的作用。
發(fā)展方向：由于酶水解中酶解效率較低，酶解周期長，酶需用量較大，轉(zhuǎn)化率不高及水解液中糖濃度較低等方面的原因，所以篩選和誘變纖維素酶高產(chǎn)菌種研發(fā)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，或是提高纖維素酶的利用效率都是在酶水解逐漸代替酸水解的過程中不可忽略的捷徑。
2.3發(fā)酵
傳統(tǒng)的葡萄糖轉(zhuǎn)化成酒精的工藝是很簡單的，但是秸稈類物質(zhì)轉(zhuǎn)化成酒精時涉及的生物催化反應(yīng)(纖維素水解、己糖發(fā)酵和戊糖發(fā)酵)由于組合的程度不同，工藝過程變化也很大，其中將纖維素水解與發(fā)酵共同進(jìn)行的工藝就有多種。
總的來說發(fā)酵方式可以分為以下幾種：
(1)水解發(fā)酵二段法(SHF)。將纖維素先用纖維素酶糖化，再經(jīng)酵母發(fā)酵成酒精的方法，即所謂水解發(fā)酵二段法。這種方法可以分別使用水解和發(fā)酵各自的最適條件(分別為50℃和30℃)，但是酶水解產(chǎn)生的產(chǎn)物會反饋抑制水解反應(yīng)。
隨著水解過程中葡萄糖濃度的不斷升高，酶解反應(yīng)很快就因?yàn)楫a(chǎn)物抑制作用而使反應(yīng)速度降低，反應(yīng)進(jìn)行不完全。
(2)同步糖化發(fā)酵(SSF)。在加入纖維素酶的同時接種酒精發(fā)酵的酵母，可使生成的葡萄糖立即被酵母發(fā)酵成酒精；去除了產(chǎn)物抑制，就可以不妨礙纖維素糖化的繼續(xù)進(jìn)行，酒精得率可明顯提高。這就是所謂的同步糖化發(fā)酵技術(shù)。SSF技術(shù)的關(guān)鍵是選擇最適的酵母。酶解的最適溫度約為50℃，而普通釀酒的最適發(fā)酵溫度通常約30℃。
選擇耐高溫酵母有利于SSF技術(shù)的應(yīng)用。杜秉海[4]等采用固態(tài)同步糖化發(fā)酵工藝，利用纖維素酶曲和酒精活性干酵母對纖維廢渣進(jìn)行固態(tài)酒精發(fā)酵，可使酒醅酒度達(dá)到8.7%。夏黎明[6]等在間歇填料條件下，玉米稈原料的用量為120g/L，7d后糖化率達(dá)89.2%。
(3)同步糖化共發(fā)酵(SSCF)。就是在發(fā)酵罐內(nèi)同時發(fā)酵戊糖和己糖。在中試條件下，普度大學(xué)構(gòu)建的重組酵母LNH2ST菌株進(jìn)行同步糖化共發(fā)酵4天，78.4%的可用葡萄糖和56.1%的可用木糖被轉(zhuǎn)化成乙醇。
(4)統(tǒng)合生物工藝(CBP)。統(tǒng)合生物工藝，先前被稱為直接微生物轉(zhuǎn)化，可將纖維素酶生產(chǎn)、水解和發(fā)酵組合在一步里完成。自然界中的某些微生物具有直接把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的能力。CBP代謝工程也可以通過兩條途徑進(jìn)行：使用能降解纖維素的微生物或是能產(chǎn)生乙醇的基因工程菌；使用發(fā)酵產(chǎn)物的得率和耐性都已經(jīng)過考驗(yàn)的菌株，如酵母通過外源纖維素酶的表達(dá)使其也能降解轉(zhuǎn)化纖維素。
(5)固定化細(xì)胞發(fā)酵法。固定化酵母細(xì)胞發(fā)酵法能使反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞濃度提高，細(xì)胞可連續(xù)使用，最終提高發(fā)酵液的乙醇濃度。固定化細(xì)胞發(fā)酵的新動向是混合固定細(xì)胞發(fā)酵，如酵母與纖維二糖酶一起固定化，將纖維二糖轉(zhuǎn)化成乙醇。
它既實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過程的連續(xù)化操作，又消除了葡萄糖效應(yīng)對木糖發(fā)酵的影響，保證了木糖發(fā)酵與葡萄糖發(fā)酵在串聯(lián)流程中的同步性，從而大大縮短了混合糖發(fā)酵的周期，保證了整體發(fā)酵速率。這是一項(xiàng)具有工業(yè)前景的新工藝。
發(fā)展方向：完善同步糖化發(fā)酵法和并行糖化共發(fā)酵法的技術(shù)；選育纖維素直接發(fā)酵菌的菌種，用以開發(fā)直接發(fā)酵法，使工藝流程一體化，減少流程的步驟，降低能量的需求。
3討論
雖然我國開始用生物質(zhì)材料生產(chǎn)乙醇的時間不是很長，最近幾年，在預(yù)處理、酶水解、發(fā)酵和工藝流程的一體化方面有了很大的改善。但是這種狀態(tài)距離產(chǎn)業(yè)化還相當(dāng)?shù)倪b遠(yuǎn)，因?yàn)槿藗兩形凑业接媒斩捴迫剂弦掖嫉母叩寐史椒ê图夹g(shù)。到目前為止，用秸稈制取燃料乙醇，其轉(zhuǎn)化率非常低，大約只有8%～10%(國內(nèi))和18%～20%(國外)，單位成本高，對生物質(zhì)資源的消耗也過大，同時會消耗大量的水資源，并產(chǎn)生相當(dāng)?shù)呐欧盼廴尽?br />
所以，為了使乙醇生產(chǎn)的工藝流程具有經(jīng)濟(jì)可行性，并且進(jìn)一步提高乙醇的總產(chǎn)量，提高轉(zhuǎn)化階段的生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，我們必須明確研究方向，找到突破的瓶頸，才能為我國秸稈轉(zhuǎn)化燃料乙醇的規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、低成本生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
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四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 馮瑋，宋鵬，向文良，楊志榮 摘自中國新能源網(wǎng)
