纖維素原料制取燃料酒精的研究概述*

盛曉曉，周如金，唐玉斌

1(江蘇科技大學生物與化學工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江，212003)2(廣東石油化工學院化工與環(huán)境工程學院，廣東茂名，525000)

隨著世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人口的不斷增長和人們生活水平的持續(xù)改善，能源消耗的加劇，使得世界能源的短缺和不斷增長的需求之間的矛盾日益突出，尋找可再生的替代能源，已經(jīng)成為維持人類社會和平和可持續(xù)發(fā)展的緊迫任務。

纖維素是地球上含量豐富的一種可再生資源，經(jīng)過預處理、糖化、發(fā)酵等工藝制取得到的燃料酒精，其生產(chǎn)成本明顯低于原油，和以糧食為原料生產(chǎn)的燃料酒精［1］;并且其比熱容、辛烷值(抗爆性)、汽化潛熱等均優(yōu)于汽油，又不含硫和灰份等雜質(zhì)，是一種優(yōu)質(zhì)無污染的液體燃料，因此國內(nèi)外都很重視對燃料酒精的開發(fā)和利用。

1 纖維素燃料酒精發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀70年代美國、巴西等國家相繼啟動了燃料酒精計劃［2］。美國政府出臺的政策很重視并積極鼓勵植物纖維原料酒精的生產(chǎn)和使用，在稅收和貸款方面給予了優(yōu)惠和支持。據(jù)2002年美國能源部國力能源技術(shù)實驗室的報道稱已經(jīng)從纖維素燃料酒精中分餾得到航空用的燃料［3］，美國能源部希望在2012年時纖維素酒精的成本能實現(xiàn)1.07美元/加侖的目標，擴大燃料酒精的應用。巴西的燃料酒精工業(yè)以甘蔗為主要原料，在世界上可謂年產(chǎn)量最多、工藝也最成熟。近年，以甘蔗渣為原料制取酒精的新技術(shù)不僅可以減少水解蔗渣的時間而且能獲得較高的轉(zhuǎn)化率，其技術(shù)的成熟性和經(jīng)濟的循環(huán)性已得到了市場的認可［4］，由巴西選育的酵母菌種也被廣泛應用［5］。日本已經(jīng)建立了較完善的纖維素燃料酒精相關(guān)的研發(fā)體系，包括項目的綜合調(diào)整和工藝系統(tǒng)的最優(yōu)化，生產(chǎn)糖化和發(fā)酵相關(guān)的酶的菌種選育專題，以及酒精膜脫水技術(shù)等研究。另外，德國、加拿大等國家在理論和生產(chǎn)銷售方面都已經(jīng)成功施行，同為發(fā)展中大國的印度也已經(jīng)開展了對燃料酒精的研究和應用［6］。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國燃料酒精產(chǎn)業(yè)起步較晚，最初是通過陳化的玉米、小麥等糧食的消化來生產(chǎn)，近年以玉米和木薯［7］為主要原料的燃料酒精產(chǎn)業(yè)迅猛增長，2005年我國已成為世界上繼巴西、美國之后第三大生物燃料酒精生產(chǎn)國和應用國?？紤]到糧食安全問題，政府提倡以非糧資源為原料發(fā)展燃料酒精產(chǎn)業(yè)，如木薯、甘薯、甜高梁，以及秸稈等農(nóng)林廢棄的纖維素，據(jù)統(tǒng)計2007年我國主要作物秸稈產(chǎn)量約為6.56億t［8］。目前以非糧為原料的燃料酒精試點項目已在多個地方正常運行，同時以農(nóng)林廢棄纖維素為原料的相關(guān)研究，也成為了生物能源工程研究領(lǐng)域的熱點，如早秈稻、水稻殼、廢棄煙葉、甜龍竹蛀粉、香蕉莖葉、小麥秸稈、一年生黑麥草等的研究。

2 燃料酒精的制取工藝

國內(nèi)外的纖維素燃料酒精的研究發(fā)展形勢大好，技術(shù)工藝也比較成熟，但是在預處理、糖化和發(fā)酵的各個環(huán)節(jié)仍有很多需進一步解決的問題。

2.1 預處理

在燃料酒精制取中起作用的主要是纖維素和半纖維素，纖維素原料成分是木質(zhì)纖維素，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，由于木質(zhì)素、半纖維素對纖維素的保護作用以及纖維素本身的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，天然的木質(zhì)纖維素直接進行水解時，纖維素轉(zhuǎn)化為糖的效率很低，為了提高水解率，必須采取有效的預處理工藝脫除木質(zhì)素。

2.1.1 物理法

自然界中的纖維素原料主要是秸稈等，體積大，存貯難，一定程度的機械粉碎是必不可少的，通常有機械粉碎，微波和超聲波法，蒸汽爆破法以及高溫熱水法等。微波和超聲波法只能較小程度除去木質(zhì)素和纖維素的結(jié)晶區(qū);蒸汽爆破法能破壞木質(zhì)素和半纖維素結(jié)合層，并造成纖維素晶體和纖維束的爆裂，大大增加纖維素酶的易感性;高溫熱水能使木質(zhì)纖維素中的半縮醛鍵斷裂成酸，大幅度提高纖維素的酶消化性，但較難控制分解度，也有一定的污染。物理法對設備要求較高，除了微波和超聲波法具有節(jié)能的優(yōu)點外，其他方法都存在能耗大的缺點。

2.1.2 化學法

常用的主要有堿法和酸法兩種。堿法最大的優(yōu)點是能較好的降解木質(zhì)素，但堿的濃度過高會造成纖維素的損失和較大的污染，Kim等人［9］利用氨水浸泡大麥秸稈做預處理，木質(zhì)素水解率為66%;濃酸法對纖維素的水解十分有效，但亦存在污染嚴重的問題;目前國內(nèi)外常采用稀酸法，半纖維素溶出率高，僅對木質(zhì)素的去除較弱。另外Mosier等人［10］用雙氧水等氧化劑預處理木質(zhì)纖維素，能脫去50%的木質(zhì)素和大部分半纖維素，纖維素水解率高達95%，反應過程的一些副產(chǎn)物如糠醛及其衍生物，對后續(xù)反應產(chǎn)生了一定抑制作用。

2.1.3 生物法

常用于降解木質(zhì)素的微生物有白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等真菌，其中白腐菌是生物預處理法中最常用的一種微生物，主要通過產(chǎn)生一系列的木質(zhì)素氧化酶來降解木質(zhì)素;也可用專一的木質(zhì)素酶處理原料，但成本較高。生物法反應條件溫和，對設備要求簡單，成本較低，但所需反應周期長，并且在降解木質(zhì)素的同時也會降解半纖維素和纖維素，例如白腐菌中的典型菌株黃孢原毛平革菌就存在這一缺陷［11］，所以，篩選木質(zhì)素選擇性強且木質(zhì)素降解能力強的菌株是目前生物預處理法優(yōu)化的關(guān)鍵。

2.1.4 聯(lián)合法

實際生產(chǎn)過程中單獨采用一種方法往往不能滿足要求，常常要聯(lián)合使用兩種或兩種以上的方法，才能達到較好的處理效果。El-Zawawy等人［12］以化學制漿法、蒸汽爆破法、微波處理為前處理分別與酸解酶解進行組合試驗，處理稻草和玉米芯，結(jié)果驗證了不同的搭配對葡萄糖轉(zhuǎn)化率和酒精產(chǎn)量有顯著的影響。黃玉龍等人［13］，聯(lián)合了酸堿處理、冷凍、高溫高壓等的物理化學的方法對小麥秸稈進行預處理，結(jié)果表明經(jīng)稀硫酸在121℃高溫蒸煮小麥秸稈60min后，溶液中還原糖含量顯著提高，秸稈降解率可達20.6%。

2.2 糖化

纖維素是一種已聚糖，半纖維素主要是戊聚糖，糖化就是指纖維素和半纖維素水解成含幾個單糖的低聚糖的過程。

2.2.1 酸水解法

無機酸催化纖維素分解的機理是:酸在水中解離并產(chǎn)生H+，H+與水構(gòu)成不穩(wěn)定的水合氫離子。當纖維鏈上的β-1，4葡萄糖苷鍵和水合氫離子接觸時，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(wěn)定的4價氧，當氧鍵斷裂時，與水反應生成2個羥基，并重新放出H+，溶液中游離H+濃度越高水解速度越快，故多采用強酸，又可分為稀酸水解、濃酸水解。稀酸水解一般要求在高溫高壓條件下進行，能耗大，時間要求嚴格，時間過短原料水解不完全，時間過長會使單糖進一步降解成糠醛等化學物質(zhì)，糠醛等降解物對后續(xù)微生物發(fā)酵有毒副作用，此時最好選用特定的菌種，如Georgieva等人［14］選用耐熱厭氧菌Thermoanaer bacter BG1L1對稀酸水解的方法進行補充改善。濃酸水解反應溫度和壓力相對溫和，對半纖維素，纖維素的水解也十分有效，分步水解時單糖得率可達90%以上，添加某些無機鹽為輔助催化劑還可進一步促進酸解作用，但污染大，操作繁瑣，還需酸回收系統(tǒng)。

另外，超低酸水解(Extremly low sulfuric acid，ELA)因其設備腐蝕少、環(huán)境污染少等優(yōu)點而成為近年來研究熱點。它最初是酶水解的預處理，經(jīng)改進發(fā)現(xiàn)超低酸水解也能帶來很高的糖得率。美國可再生能源實驗室以超低濃度酸水解工藝在連續(xù)逆流反應器、收縮滲濾床(BSFT)和間歇床(BR)進行研究，發(fā)現(xiàn)連續(xù)逆流反應器在超低酸條件下可得到90%的葡萄糖轉(zhuǎn)化率，BSFT的反應速度是BR的3倍，是一種很有前途的工藝［15］。

總之，酸水解法水解速度快，但是其缺點在于不僅需要耐酸、耐熱、耐壓的特殊設備，還會使水解所生成糖發(fā)生進一步分解或聚合反應，也會產(chǎn)生一些抑制微生物生長的副產(chǎn)物，發(fā)酵前還需要一定的脫毒處理否則影響后續(xù)酒精發(fā)酵，同時也存在污染問題，因此在工業(yè)生產(chǎn)中不易實施。

2.2.2 酶水解法

產(chǎn)纖維素酶的微生物有真菌和細菌，典型的木霉纖維素酶是3種酶的混合物，包括葡聚糖內(nèi)切酶(EG)、纖維二糖水解酶(CBH)和 β-葡萄糖苷酶(BG)［16］。首先，葡聚糖內(nèi)切酶作用于微纖維的非結(jié)晶區(qū)，使其露出許多非還原性末端，隨后葡聚糖外切酶從非還原性末端依次分解產(chǎn)生纖維二糖，隨后部分降解的纖維素進一步由內(nèi)切葡聚糖酶和葡聚糖外切酶協(xié)同作用，分解生成纖維二糖、三糖等低聚糖，最后由β-葡聚糖苷酶作用分解成葡萄糖。纖維素酶水解的限制步驟是葡聚糖內(nèi)切酶對無定型纖維素的水解，產(chǎn)生新的非還原末端，進而實現(xiàn)葡聚糖外切酶和β-葡萄糖苷酶的作用。酶水解的最大優(yōu)點是反應條件溫和、能耗低、效率高、選擇性強、三廢少，缺點是速度慢、周期長。

目前纖維素酶主要依賴真菌中的霉菌生產(chǎn)，活力仍很低，與淀粉酶相比通常要相差2個數(shù)量級以上，使纖維素的水解速率和效率都極其低下，生產(chǎn)成本過高，這也是酶法降解纖維素的技術(shù)瓶頸。獲得纖維素酶高產(chǎn)、高活力菌株，優(yōu)化酶組分組成，并在此基礎(chǔ)上采用固定化酶等進一步提高酶的穩(wěn)定性和使用壽命，是解決這一問題的根本所在。梁鮮香等人［17］采用導入了β-葡萄糖苷酶基因的pYBGA1酵母進行酒精的發(fā)酵使得酵母可以發(fā)酵還原性單糖和纖維二糖等混合糖，從而提高了發(fā)酵酒精的產(chǎn)率。

2.3 發(fā)酵

2.3.1 直接發(fā)酵

直接發(fā)酵法就是纖維素原料不進行酸解或酶解前處理，直接進行發(fā)酵。熱纖梭菌是能夠直接利用纖維素生成酒精，但分解纖維素能力不如木霉，也有粗糙脈孢菌可以分泌纖維素酶，同時能夠?qū)⒗w維素發(fā)酵為酒精。Okamoto等人［18］即在無外加酸和酶的情況下利用白腐菌直接由小麥麩和水稻秸稈發(fā)酵得到酒精。單獨使用以上某種菌進行發(fā)酵時，周期長，產(chǎn)量低，通?？梢栽俳臃N發(fā)酵單孢菌進行混合發(fā)酵，有助于提高產(chǎn)量。直接發(fā)酵要求的工藝設備簡單，成本低廉，但酒精產(chǎn)率不高，易產(chǎn)生有機酸副產(chǎn)物的不足限制了此工藝的發(fā)展和應用。

2.3.2 分離發(fā)酵

分離發(fā)酵(separate hydrolysisand fermentation，SHF)是指水解和發(fā)酵分開進行，將纖維素先用纖維素酶糖化，再經(jīng)酵母發(fā)酵，也稱水解發(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℃，第一階段，纖維素降解產(chǎn)生的葡萄糖會對纖維素酶產(chǎn)生反饋抑制，而半纖維素水解糖化產(chǎn)生的木糖也會對纖維素酶產(chǎn)生抑制作用，影響纖維素的糖化;第二階段，酒精發(fā)酵的末端產(chǎn)物會抑制與發(fā)酵相關(guān)的酶的活性，降低酒精得率，必須不斷從發(fā)酵罐中移出酒精，較高的底物濃度也會對整個發(fā)酵過程產(chǎn)生抑制作用。

2.3.3 同步糖化發(fā)酵

同步糖化發(fā)酵(simultaneous saccharification and fermentation，SSF)是指利用纖維素酶和酵母同時糖化發(fā)酵生產(chǎn)酒精。該工藝最大的優(yōu)點是可消除葡萄糖的反饋抑制，提高纖維素水解速率，同時對設備要求低，整個過程無污染。此法存在木糖的抑制作用、糖化與發(fā)酵條件不協(xié)調(diào)等問題，對于后者目前主要采用耐熱酵母進行發(fā)酵。Johanssot等人［19］以云杉木為原料同步糖化發(fā)酵分餾得到燃料酒精，Park等人［20］從工業(yè)河泥中分離得到的耐熱酵母KNU5377在50℃SSF系統(tǒng)中發(fā)酵得到較高產(chǎn)量的酒精。

3 纖維素燃料酒精技術(shù)的發(fā)展方向

當前國內(nèi)外纖維素酒精的商業(yè)化存在的主要障礙包括生物催化劑效力不夠強大、纖維素酶成本高和綜合設備成本高［21］。我國技術(shù)工藝不夠先進和成熟，較高的成本成為阻礙纖維素燃料酒精的推廣的瓶頸，為簡化工藝、降低成本，人們進行了大量的研究。其中將纖維素轉(zhuǎn)化過程中的纖維素酶生產(chǎn)、纖維素水解、六碳糖發(fā)酵、五碳糖發(fā)酵4個中間轉(zhuǎn)化過程在同一反應器中完成的聯(lián)合生物工藝(consolidated bioprocessing，CBP)［22］引起了人們的關(guān)注。聯(lián)合生物工藝相對于其他一體化程度較低的工藝過程，對技術(shù)要求很高，對設備要求低，符合生產(chǎn)成本低，效率高的工業(yè)化要求。進一步改善優(yōu)化生產(chǎn)工藝，成功構(gòu)建篩選相關(guān)的高效菌株，逐步實現(xiàn)聯(lián)合生物工藝的生產(chǎn)，將會是纖維素燃料酒精走向產(chǎn)業(yè)化的大好途徑。

3.1 生產(chǎn)工藝的改進

纖維素預處理的方法雖多，但都存在弊端，因此不斷改進現(xiàn)有預處理方法以得到更有效并適用于工業(yè)化生產(chǎn)的方法是一個重要的研究內(nèi)容，同時，進一步研究探索多種方法的聯(lián)合使用以提高處理效果。

纖維素糖化的水解效率和單糖產(chǎn)量，直接影響著發(fā)酵過程的酒精產(chǎn)率。酶水解所需的條件在工業(yè)利用中體現(xiàn)的優(yōu)越性，注定其將成為今后研究和應用主要方向。

為減輕發(fā)酵過程中酒精對菌株生長及酒精生成的抑制作用，可以采用真空、氣提、膜分離等高效技術(shù)，將新生成酒精不斷分離出去，使發(fā)酵罐中的酒精濃度始終≤10%，這樣不僅可以提高發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力、還可以節(jié)省后續(xù)蒸餾燃料的消耗。此外，采用非等溫同時糖化發(fā)酵法(NSSF)可以有效解決同步糖化發(fā)酵法條件不協(xié)調(diào)的問題;采用固定化細胞發(fā)酵工藝，可以大幅度減少菌種消耗、降低生產(chǎn)成本。

3.2 相關(guān)菌株的篩選構(gòu)建

現(xiàn)今研究者們還需對木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)與降解特性關(guān)系進一步研究闡明，這能夠更好的以基因工程、代謝工程和蛋白工程等現(xiàn)代生物技術(shù)為手段，開展纖維素原料制取燃料酒精的整個工藝流程中相關(guān)菌株的篩選及構(gòu)建，這將有益于提高工藝一體化的程度，為聯(lián)合生物工藝提供優(yōu)良的菌株。

3.2.1 降解木質(zhì)素的菌株

在預處理生物法中用來降解木質(zhì)素的微生物有白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等真菌，其中白腐菌是最常用的;白腐菌通過產(chǎn)生一系列的木質(zhì)素氧化酶(MnPs，LiPs和漆酶等)來降解木質(zhì)素。目前較多的研究認為蟲擬蠟菌是這類白腐菌的典型代表，由于缺乏葡聚糖外切酶活力以及對羥基的抑制機制，使其能很好地降解木質(zhì)素而保留纖維素組分［11］，因此以蟲擬蠟菌為改造對象進行的研究值得期待。

3.2.2 產(chǎn)纖維素酶的菌株

纖維素糖化的纖維素酶產(chǎn)生菌有綠色木霉、李氏木霉、根霉、青霉等，其中綠色木霉應用最廣，開發(fā)具有一定工業(yè)和市場潛力的新酶源是當前纖維素酶的主要研究趨勢，內(nèi)容包括菌株選育、菌種發(fā)酵培養(yǎng)、產(chǎn)酶活力的檢測以及酶的分離純化。有研究已得到的能大量生產(chǎn)高活力纖維素降解酶系的發(fā)酵用菌，仍可以對其基因進行修飾和改造，有望進一步提高酶的產(chǎn)量和活力，同時改進酶的回收利用技術(shù)也有利于降低酶的成本。另外依賴蛋白質(zhì)工程改造天然纖維素酶的結(jié)構(gòu)，去促進酶活性中心的作用位點與纖維素的結(jié)合，能夠提高酶作用的敏感性，有利于糖化。

3.2.3 發(fā)酵菌株

纖維素和半纖維素糖化后最終是六碳糖(以葡萄糖為主)的發(fā)酵為主，五碳糖(以木糖為主)的發(fā)酵相對困難，目前菌種研究主要集中于釀酒酵母［23－24］、運動發(fā)酵單胞菌［25］、大腸桿菌和克雷白氏桿菌等，均不能直接發(fā)酵五碳糖，所以研究者們一直致力于通過基因工程的手段來解決發(fā)酵菌株對五碳糖的發(fā)酵問題，大腸桿菌和克雷白氏桿菌具有較寬的底物利用范圍引起了研究者的關(guān)注。國內(nèi)外的研究者已經(jīng)對纖維素發(fā)酵的菌種進行了大量的研究工作，也得到了具有一定效率的重組菌株。但這些工作基本上是基于單個基因或是某個代謝途徑的幾個基因的改造，部分改變了細胞的代謝平衡，得到新的表型，這種有限的改變并沒能夠解決木糖代謝途徑中的復雜問題，使得構(gòu)建得到的重組菌株還未能在商業(yè)化中得到推廣應用，即使如此這些成果也為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

4 展望

我國是一個發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國，人口眾多、化石資源有限，從農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的改善、新能源的開發(fā)等多方面考慮，以纖維素原料制取燃料酒精的研究和發(fā)展有著重要的意義。我們相信，依靠政府的大力支持和科研工作者的努力鉆研，我國工業(yè)化生產(chǎn)纖維素酒精方面將會取得長足的發(fā)展和進步。

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