蔗渣發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究進展

黃亞瓊，孫紹發(fā)，王智斌

(湖北科技學院核技術與化學生物學院，湖北咸寧 437100)

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，世界人口激增，能源危機日趨加劇。許多專家估計，世界上已知的石油儲存量約30年內(nèi)將被消耗完。所以世界各國紛紛展開新能源的研究與開發(fā)，其中以燃料乙醇的生產(chǎn)最為突出，而天然纖維素是地球上最豐富、最廉價的可再生資源。據(jù)資料表明［1-2］，植物每年通過光合作用，能產(chǎn)生高達1 515×1010t纖維素類物質(zhì)，其中纖維素、半纖維素的總量為815×1010t，而每年用于工業(yè)過程或燃燒的纖維素僅占2%左右，還有很大一部分未被利用。因此研究開發(fā)天然纖維素原料的轉(zhuǎn)化技術，將秸稈、蔗渣、廢紙、垃圾纖維等纖維素類物質(zhì)高效地轉(zhuǎn)化為糖，進一步發(fā)酵成燃料乙醇，對開發(fā)新能源，保護環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義［3-4］。

燃料乙醇被認為是最有發(fā)展前景的新型可再生能源之一，開發(fā)前景非常廣闊。第一代燃料乙醇以谷物為原料(例如玉米、小麥和稻米)，通過酶解轉(zhuǎn)化為糖，然后經(jīng)發(fā)酵而成。第二代燃料乙醇的基礎原料是生物質(zhì)，即蔗渣、廢棄的玉米秸稈和其他類型的植物纖維材料。這些原料經(jīng)過纖維素酶解轉(zhuǎn)化為糖，然后再經(jīng)發(fā)酵生成乙醇。第二代燃料乙醇由于其優(yōu)異的環(huán)境效益受到國家政策和乙醇產(chǎn)業(yè)界的青睞［5］，最近這方面的研究主要集中在天然的木質(zhì)纖維素上。據(jù)統(tǒng)計，木質(zhì)纖維素原料占地球總生物量的50%，主要包括:農(nóng)業(yè)廢棄物，如麥草、玉米秸稈、玉米芯、大豆渣、蔗渣等;工業(yè)廢棄物，如制漿和造紙廠的纖維渣、鋸末等;林業(yè)廢棄物;城市廢棄物，如廢紙、包裝紙等。由木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇可以變廢為寶，緩解廢棄物帶來的環(huán)境污染壓力［6］。

1 蔗渣的概述

1.1 蔗渣的特點分析 蔗渣是制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)品，是甘蔗在糖廠經(jīng)過多座壓榨機或用滲透法把蔗汁提取后剩下的甘蔗莖的纖維性殘渣。蔗渣產(chǎn)率一般為11.5% ～13.0%，約占甘蔗干重的24% ～27%(其中含水量約為50%)［7］。我國的糖廠每生產(chǎn)1 t的蔗糖就會產(chǎn)生2～3 t的蔗渣。我國是僅次于巴西和印度的第三甘蔗種植大國，南方蔗區(qū)甘蔗總產(chǎn)量7 000多萬 t，蔗渣的產(chǎn)量達到700萬 t［8］。

蔗渣一般含有干物質(zhì)90% ～92%，粗蛋白質(zhì)2.0%，粗纖維44% ～46%，粗脂肪0.7%，無氮浸出物42%，粗灰分2% ～3%［7］。由此可以看出，蔗渣來源集中、量大面廣，全纖維素含量高，灰分含量低，是一種重要的、較好的可再生生物質(zhì)資源，其生物轉(zhuǎn)化已成為必然趨勢。蔗渣經(jīng)過適當?shù)念A處理，用其作為乙醇發(fā)酵的原料，不僅解決了處理蔗渣的問題，為制糖工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的技術支持，也解決了燃料乙醇發(fā)酵的原料問題，變廢為寶，這對于緩解目前國際社會資源浪費、能源緊缺、環(huán)境惡化的狀況，實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展具有重大意義［9-10］。

1.2 蔗渣轉(zhuǎn)化為燃料乙醇的現(xiàn)狀 20世紀70～80年代，我國糖廠的蔗渣主要是供糖廠本身作為燃料燒掉或廢棄，這種利用方法的經(jīng)濟價值非常低。蔗渣中的纖維素可轉(zhuǎn)化為糖，制成乙醇或飼料酵母。巴西從20世紀80年代開發(fā)的用蔗渣生產(chǎn)乙醇的技術居世界領先地位，并已在多個國家注冊了專利，運用新技術可從1 t蔗渣中提取109～180 L乙醇［11］。1980年，美國普度大學Tsao教授主持的再生資源實驗室(LORRE)成功地用D-木糖異構酶將木糖異構化成木酮糖，用酵母將木酮糖發(fā)酵成乙醇，為大規(guī)模利用半纖維素生產(chǎn)乙醇開辟新途徑。為了合理有效地利用蔗渣，古巴政府與聯(lián)合國開發(fā)總署簽署并成立了工業(yè)技術基金會(FII)，其任務是，以蔗渣為原料，通過酶法來生產(chǎn)乙醇。日本三家公司建成一個新型的擁有最先進設備的乙醇廠，他們將蔗渣粉碎，然后用產(chǎn)生纖維素酶的細菌處理，將纖維素分解為糖，再用固定化酵母連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。每天處理720 kg蔗渣，可以生產(chǎn)200 L的乙醇［12］。目前，世界產(chǎn)糖大國，如巴西、古巴、中國等日益重視蔗渣的深加工利用，其重點在于把大量的蔗渣纖維素經(jīng)濟、有效地水解成還原糖，并進一步發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇、生物柴油等重要產(chǎn)品［13］。

2 蔗渣生產(chǎn)燃料乙醇的方案

2.1 蔗渣生產(chǎn)燃料乙醇流程 木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)乙醇是未來燃料乙醇的發(fā)展方向，蔗渣和其他的木質(zhì)纖維原料一樣，其生產(chǎn)燃料乙醇主要流程見圖1［3］。原料首先經(jīng)過物理、化學和生物方法預處理得到糖化液，然后經(jīng)微生物菌株(釀酒酵母、運動單孢菌)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，再進行蒸餾，脫水得到無水乙醇。木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)燃料乙醇主要存在以下兩方面的問題:①木質(zhì)纖維預處理與酶解效率偏低;②缺少對木質(zhì)纖維水解糖液中的毒性物質(zhì)具有耐受性、具有良好乙醇生產(chǎn)性能，能充分利用水解液中的已糖和戊糖的微生物菌株。

圖1 蔗渣生產(chǎn)燃料乙醇主要流程

2.2 蔗渣的預處理方法 基于纖維質(zhì)原料結(jié)構的復雜性和致密性，如圖2，對其進行適當?shù)念A處理，可以提高轉(zhuǎn)化利用率和轉(zhuǎn)化效率。預處理目的就是破壞纖維質(zhì)原料的致密結(jié)構，破壞木質(zhì)素對纖維素的包裹作用，降低纖維素的結(jié)晶度。高效的預處理可以減少纖維質(zhì)原料酶解過程中纖維素酶的用量，從而降低酶轉(zhuǎn)化的成本，提高纖維素制乙醇的經(jīng)濟可行性［14］。目前常用的預處理方法主要分為:物理法、化學法以及生物法。

圖2 木質(zhì)纖維素的交聯(lián)結(jié)構示意

2.2.1 物理法。蒸汽爆破法是目前國內(nèi)外研究最多的物理方法之一，其主要作用在于去除半纖維素。它將纖維素原料和水或水蒸氣快速加熱至180～210℃，保持1～10 min后，立即降壓，高壓蒸汽滲入至纖維內(nèi)部，以氣流的方式從封閉的空隙中釋放出來，造成纖維發(fā)生一定的機械斷裂;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)構的變化，游離出新的羥基，提高了纖維素的吸附能力，也促進了半纖維素的自水解以及木質(zhì)素的軟化［15］。Martin等采用蒸汽爆破法處理蔗渣，用能利用木糖的的釀酒酵母，在溫度為30℃時發(fā)酵不脫毒的水解液，24 h就可達到38%的乙醇得率［16］。Purchuse等用蒸汽爆破法預處理蔗渣，同時糖化發(fā)酵可使80%的纖維素成分轉(zhuǎn)化乙醇，其可利用糖的基質(zhì)濃度為5%，纖維素酶僅為 5 U/g［12］。

2.2.2 化學法。酸法和堿法是最常用的化學法。酸處理是通過水解糖鏈與木質(zhì)素相連，以及木質(zhì)素本身之間緊密相連的基團，破壞木質(zhì)素的結(jié)構。堿處理主要是消化木質(zhì)素的矩陣結(jié)構，并使纖維素結(jié)構發(fā)生腫脹和膨化，使纖維素酶更容易接觸到纖維素和半纖維素。Hernaddez-Salas等用1.2%(V/V)的HCl在液固比為15∶1，溫度為121℃，壓力為1.1 kg/cm2條件下處理蔗渣4 h，可以得到37.21%的產(chǎn)糖率［17］。Cheng等用1.25%(W/W)的 H2SO4在121 ℃，1.5 kg/cm2條件下處理蔗渣120 min，蔗渣底物濃度為10%時可以得到59.1 g/L 的總糖［18］。Peng等用3%的 NaOH，以 25∶1的液固比，在50℃下處理蔗渣3 h，可以得到27.65%的產(chǎn)糖率［19］。

2.2.3 生物法。生物法目前應用最多的是白腐菌。白腐菌有纖維素酶、半纖維素酶類，在降解木質(zhì)素的同時還會造成部分纖維素和半纖維素的損失。它們屬于擔子菌類的真菌，主要是通過木素過氧化酶、錳過氧化物酶和漆酶等木質(zhì)素分解酶系有效并有選擇地降解植物纖維原料中的木質(zhì)素，從而提高其酶解效率［20］。研究發(fā)現(xiàn)，從南美分離出的42種白腐菌處理長纖維蔗渣30和60 d后，主要是降解了木質(zhì)素，大部分的菌株都能引起殘留纖維相對含量的增加，經(jīng)膨化后的蔗渣用白腐菌處理，酶解率高達92%［21］。

2.3 蔗渣的酶解糖化及發(fā)酵 蔗渣主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，這幾類化合物的降解都需要多種酶共同作用才能完成。不同來源的纖維素酶具有不盡相同的性質(zhì)，纖維素酶的3種分解纖維素組分酶的比例可能不同。多酶在蔗渣降解試驗的結(jié)果表明:用單一纖維素酶降解蔗渣，生物轉(zhuǎn)化率一般很低，用多酶降解蔗渣，能夠提高纖維素及半纖維素的分解效率。研究者用不同纖維素酶酶解蔗渣，最高水解率為62.2% ，最低為43.2%;在纖維素酶中加入半纖維素酶酶解蔗渣，蔗渣水解率有不同程度的提高，最大提高到31.0%［22］。

在發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的過程中，對于蔗渣轉(zhuǎn)變乙醇中生成物纖維二糖、葡萄糖的抑制作用和同時糖化發(fā)酵都引起了人們的重視。所謂同時糖化發(fā)酵，就是把可將糖轉(zhuǎn)化成乙醇的酵母種到有纖維素、纖維素酶或產(chǎn)生纖維素酶的微生物的糖化器里，使糖化發(fā)酵同時進行。糖化生成的葡萄糖由能夠轉(zhuǎn)化成乙醇的微生物直接將其轉(zhuǎn)化為乙醇，從而消除了葡萄糖的抑制作用。荒井等用堿處理稻草，纖維素酶為Acuceladse和Meielase的混合酶，及酵母進行同時糖化發(fā)酵，單式糖化率為58%，而同時糖化發(fā)酵則纖維素幾乎完全被分解［12］。如果添加木糖異構酶，乙醇轉(zhuǎn)化率大幅度提高，乙醇收率可達理論值的92%～95%。

3 小結(jié)與展望

蔗渣雖然是糖廠的廢棄物，但其中含有大量的綜纖維素(纖維素和半纖維素)，用其生產(chǎn)燃料乙醇被給予厚望。鑒于能源、環(huán)境和再生資源利用等問題，蔗渣的預處理、糖化和轉(zhuǎn)化為乙醇的研究已勢在必行，并將帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。盡管目前仍存在一些困難和問題，但相信隨著科學研究不斷地深入，有效利用蔗渣生產(chǎn)燃料乙醇將日趨成熟。

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