纖維素乙醇工程化探討

岳國君，武國慶，林鑫

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纖維素乙醇工程化探討

岳國君，武國慶，林鑫

國家能源生物液體燃料研發(fā) (實驗) 中心，北京 100020

岳國君, 武國慶, 林鑫. 纖維素乙醇工程化探討. 生物工程學報, 2014, 30(6): 816?827.Yue GJ, Wu GQ, Lin X.Insights into engineering of cellulosic ethanol. Chin J Biotech, 2014, 30(6): 816?827.

出于對能源安全、大氣污染的擔憂以及促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的考慮，世界許多國家使用乙醇作為含氧添加劑或交通運輸燃料來替代汽油。纖維素乙醇生產(chǎn)原料豐富，且具有明顯的低碳排放特性而備受關注。隨著全球范圍內(nèi)幾套大型纖維素乙醇示范裝置的相繼試車，工程化問題將得到解決，并有望在2015?2016年完成裝置的經(jīng)濟性考核，逐步進入商業(yè)化階段。為避免原料“與人爭糧，與糧爭地”，1代燃料乙醇將逐步向2代纖維素乙醇過渡。本文在綜述近期國內(nèi)外纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化概況的基礎上，從化學工程和生物工程的角度對預處理、酶制劑及酶解工藝、戊糖/己糖共發(fā)酵菌株及工藝、裝備等幾個方面的技術進展進行剖析，討論了工程化遇到的主要問題，探討了我國纖維素乙醇技術的發(fā)展方向。

纖維素乙醇，預處理，纖維素酶成本，轉(zhuǎn)化效率，裝備，工程化，進展

出于對能源安全、大氣污染的擔憂以及振興農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的考慮，世界許多國家使用乙醇作為含氧添加劑或燃料來替代汽油，并制定了一系列配套的支持政策。美國和巴西的燃料乙醇應用規(guī)模全球最大，分別占本國汽油燃料消費量的10%和50%以上。以美國為例，2013年使用30%的玉米生產(chǎn)了3 949萬t燃料乙醇，使美國石油對外依存度降低6%，降低汽油消費價格0.5?1.5美元/加侖，燃料乙醇替代了源于4.62億桶原油精煉的汽油，這些原油相當于美國從委內(nèi)瑞拉和伊拉克進口量的總和，燃料乙醇行業(yè)創(chuàng)造8.6萬個直接工作崗位、30萬個間接就業(yè)崗位和440億美元GDP，上繳83億美元稅收，對農(nóng)業(yè)純收入貢獻1 310億美元。E10乙醇汽油可使CH減排9.7%，CO減排36%，苯系污染物減排39%，氣溶膠排放減少。美國橡樹嶺國家實驗室的研究表明，與普通汽油E0相比，E10乙醇汽油的顆粒物 (PM) 減排量為6%?6.6%，E20乙醇汽油的顆粒物 (PM) 減排量能達到29.4%?41.8%。

生物質(zhì)液體燃料產(chǎn)品原料廣泛，如農(nóng)林廢棄物、能源作物等，而對適合做能源作物的植物已有明確的結論。但是，目前國際上糧食和甘蔗仍舊是燃料乙醇的主要原料。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大，使用這些原料的問題變得越來越突出。美國政府已確定了產(chǎn)業(yè)方向，認為纖維素乙醇是走向下一代生物燃料的基石。盡管目前遭遇“添加上限”的問題，纖維素商業(yè)化項目并未受阻，2014年美國將有6個纖維素乙醇工廠完成建設。在“不與民爭糧”方針的指引下，我國已逐漸由糧食乙醇向非糧乙醇轉(zhuǎn)變，目前已有3套木薯燃料乙醇裝置投產(chǎn)，4個木薯乙醇項目獲批待建。

作為能源產(chǎn)品來說，能量投入/產(chǎn)出比和溫室氣體排放量是評價生物液體燃料是否可行的兩個關鍵因素。而對于以淀粉、糖或能源作物為原料生產(chǎn)的燃料乙醇，種植環(huán)節(jié)的能耗占到化石能源總消耗的30%；相對于乙醇本身的產(chǎn)出能量 (27.6 MJ/kg乙醇) 而言占到了40%以上。與非糧原料木薯和甜高粱相比，玉米秸稈在土地使用率、能耗、環(huán)境排放量和耗水量方面都占據(jù)絕對優(yōu)勢，是最有開發(fā)前景的生物質(zhì)原料。全生命周期能效和排放分析已有很多研究，纖維素乙醇從兩方面都強于1代及1.5代原料已成為共識。因此，原料必須轉(zhuǎn)向農(nóng)林廢棄物，發(fā)展相應的纖維素乙醇技術。

雖然纖維素乙醇技術日臻成熟，進入工業(yè)示范，但目前在預處理、酶制劑與酶解工藝、戊糖/己糖共發(fā)酵菌株與工藝以及設備裝備方面依然有待提升。本文在綜述國際纖維素乙醇技術發(fā)展的基礎上，從化學工程和生物工程的角度剖析了纖維素乙醇各工序在工程化進程中遇到的主要問題，提出我國纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干思考，探討了纖維素乙醇技術的發(fā)展方向。

1 纖維素乙醇技術現(xiàn)狀

據(jù)國際能源署 (IEA)統(tǒng)計，截至目前共有102個纖維素項目，有3個示范項目已運轉(zhuǎn)，8個項目在建，預計至2016年將有15個項目投產(chǎn)。以生物化學轉(zhuǎn)化路線生產(chǎn)纖維素乙醇的主要商業(yè)化裝置如表1所示，預計2014年纖維素乙醇產(chǎn)能將超過30萬t/年。

從表1可以看出，多家技術路線，各展其長，但各商業(yè)化的裝置均未經(jīng)長期生產(chǎn)實踐考核，還沒有形成為多數(shù)企業(yè)普遍接受的主流工藝。

國內(nèi)已有萬噸級裝置如表2所示，也未見長期連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的考核報道，更沒有公布規(guī)范的技術經(jīng)濟評價材料。國內(nèi)均采用自主研發(fā)技術，并結合副產(chǎn)品建設生產(chǎn)裝置。

表1 世界主要纖維素乙醇商業(yè)化裝置[8-10]

Note: DOE0.5* and USDA0.75* refers to the interest-free loan amount ($100 million) provided by the U.S. Department of Energy (DOE) and the United States Department of Agriculture (USDA), and so on; ton/a: ton per year; M: million dollars.

表2 國內(nèi)建成的纖維素乙醇示范裝置情況[15-17]

1.1 連續(xù)蒸汽爆破預處理

預處理技術經(jīng)過幾百套小試、中試驗證，幾條技術路線逐漸清晰，商業(yè)化裝置主要集中在添加化學試劑的連續(xù)蒸汽預處理路線；中性預處理技術也有重大突破，優(yōu)勢比較突出。裝備方面則借鑒現(xiàn)代制漿造紙設備廠的成熟經(jīng)驗，從間歇轉(zhuǎn)向連續(xù)設備，并取得突破。連續(xù)預處理設備有潘地亞 (Pandia) 橫管連蒸系統(tǒng)和適合更大規(guī)模的卡米爾 (Kamyr) 立式連續(xù)蒸煮系統(tǒng)。如美國POET-DSM首套商業(yè)化裝置即采用Andritz公司設計制造的立式連續(xù)蒸煮系統(tǒng)。國外Abengoa和Beta-Renewables公司首套商業(yè)化裝置的預處理設備均采用連續(xù)預處理設備，并由造紙設備公司負責設計制造。

高效的預處理工藝能有效改變植物細胞壁的結構和組成分布，去除細胞壁微纖絲的半纖維素外鞘，暴露結晶纖維素內(nèi)核，打開了酶分子進入的通道，從而顯著地提高其對酶作用的敏感性，同時預處理后的底物要具有高的糖收率和低含量的降解產(chǎn)物。預處理過程會引起纖維素的結晶度、晶型和聚合度的變化。在蒸汽預處理過程中，纖維素聚合度下降，同時高壓蒸汽的驟然釋放，破壞了纖維素晶體內(nèi)部的氫鍵，增加了纖維素還原性末端基，使無定形區(qū)破壞并提高了纖維素結晶度。稀酸預處理中，半纖維素的水解和溶解被認為是導致纖維素酶可及面積增大的主要機制。在氨爆 (AFEX) 工藝過程中，除了發(fā)生堿性降解和類似蒸汽爆破的效果外，液氨處理還使纖維素結晶度下降，部分纖維素從纖維素Ⅰ型晶型向纖維素Ⅲ型晶型轉(zhuǎn)變；此外，半纖維被降解成寡糖并被脫去乙?；?，大部分木質(zhì)素解聚重排，從而對酶具有高的可及性。

先進的預處理不僅自身的成本低，而且會對所有其他生物過程的操作成本產(chǎn)生實際和廣泛的影響，表3總結比較了幾種主要預處理技術的特點和對下游工序的影響。

稀酸預處理由于其低的酶加量和較高的木糖收率，使纖維素乙醇的經(jīng)濟性得到改善，商業(yè)化成為可能，但也面臨著高溫下設備腐蝕和后續(xù)高鹽污水處理的問題。中性預處理技術由于不添加化學品，降低了設備腐蝕和污水處理的難度，但需要更高的反應溫度和壓力，這對連續(xù)反應器的設計提出挑戰(zhàn)，高的酶加入量和較低的木糖收率也考驗著工藝過程的經(jīng)濟性?？傮w來看，目前添加少量化學試劑預處理工藝經(jīng)濟性更好，也為多數(shù)示范裝置所采用，然而中性預處理始終是工藝的發(fā)展方向，這取決于酶制劑與預處理技術的共同進步。

回顧造紙行業(yè)制漿工藝的發(fā)展歷程，為纖維素乙醇預處理工藝提供了重要借鑒。19世紀中期至20世紀中期造紙行業(yè)普遍采用亞硫酸鹽制漿法，酸性蒸煮對設備的腐蝕和污水處理一直難以解決，直到被堿性硫酸鹽制漿法取代。但堿法制漿產(chǎn)生的黑液富含木質(zhì)素，環(huán)保處理投資大、成本高。最近幾年開發(fā)的中性制漿法減少了化學品的應用，其制漿的效果正進行中試試驗。

1.2 提高酶活性

纖維素酶的使用量是由兩方面決定的，一是預處理對底物酶解性能的改善，二是酶自身活性的提高。前者通過預處理過程，以酸性或堿性機理切斷糖苷鍵或酯鍵，打開半纖維素、木質(zhì)素與纖維素間的交聯(lián)結構，顯著改善了酶對底物的可及性，有效降低了酶的加入量。后者則通過菌株篩選、基因表達等手段提高酶的活性和產(chǎn)量。以諾維信公司的酶制劑產(chǎn)品為例，Cellulast 1.5 L、CTec、CTec2、CTec3的酶活性逐步提高，前三者濾紙酶活分別為75、94、120 FPU/mL，CTec2與Cellulast 1.5 L相比，濾紙酶活提高了60%；而CTec3的轉(zhuǎn)化效率又是CTec2的1.5倍，其半纖維素酶的活性也顯著提高。CTec2及CTec3的酶制劑蛋白含量顯著增加，提高了對酚類、木寡糖等抑制物及單糖產(chǎn)物的耐受能力，可以在較少的酶使用量下，直接酶解不水洗的預處理物料。

表3 主要預處理技術特點及對下游工序的影響[21-25]

不同纖維素酶系組分的復配及與半纖維素酶的復配是提高纖維素酶制劑降解效率、降低酶用量的重要策略。其作用機制是協(xié)同作用，即兩種或兩種以上酶共同作用時，其催化效率遠高于這些酶的單獨連續(xù)作用。協(xié)同作用僅在兩種酶分別作用纖維素/半纖維素的不同區(qū)域時才會發(fā)生，一種酶為另一種酶提供了新的作用位點。氧化酶同樣會與纖維素酶發(fā)生協(xié)同作用，如近年來備受關注的GH61糖苷酶家族蛋白具有糖苷氧化酶活性，可以通過氧化反應使得纖維素被部分氧化降解，并在一定程度上破壞其結晶結構，從而使纖維素更容易被纖維素酶降解，其開發(fā)與應用可能是提高木質(zhì)纖維素可降解性的另一種有效途徑。近期研究人員發(fā)現(xiàn)一種叫做CelA的纖維素酶，其消化纖維素的速度比當前市場上主要的纖維素酶要快近兩倍，還能夠消化木糖。它是一種非常復雜的酶，由2個催化結構域和 3個結合模體構成，具有兩個互補的催化結構域可協(xié)同發(fā)揮作用，這很可能是導致它高效降解纖維素的原因。如果這種酶能夠在更大型的測試中繼續(xù)表現(xiàn)良好，可能會改變商業(yè)纖維素酶“雞尾酒”設計藍圖，幫助降低纖維素乙醇等生物燃料的制造成本。

1.3 開發(fā)戊糖/己糖共發(fā)酵菌株和新的代謝途徑

國外非常重視戊糖發(fā)酵菌株的開發(fā)，通過基因工程技術改造普通釀酒酵母使其能夠代謝戊糖生產(chǎn)乙醇的研究已持續(xù)了近20年。國外企業(yè)及研究機構將真菌或細菌的戊糖代謝途徑在釀酒酵母中得到高活性表達，來提高基因工程酵母的乙醇發(fā)酵特性，并取得了突破。下一步將繼續(xù)改進戊糖酵母的性能，尤其是提高對水解物中抑制物的耐受性，提高生產(chǎn)強度。隨著戊糖/己糖共發(fā)酵菌株性能不斷改進，共發(fā)酵工藝已成為趨勢。幾種商業(yè)化菌株在各國多套中試裝置上進行測試并已經(jīng)或準備在商業(yè)化裝置上應用，如表4所示。其中424A (LNH-ST) 已在中糧500 t/年的纖維素乙醇中試上進行測試，總糖利用率超過85.0%，乙醇轉(zhuǎn)化率超過42.0%，效果良好。

傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵由于丙酮酸途徑產(chǎn)生CO，降低了葡萄糖碳原子利用率。美國加州大學的研究人員開創(chuàng)了一種新的混合途徑非氧化糖酵解 (NOG) ，他們重新改造了最核心的代謝途徑，并找到了一種新方法增加乙酰輔酶A的產(chǎn)出，將葡萄糖的6個碳原子轉(zhuǎn)化為3個乙酰輔酶A分子，因此不會因為二氧化碳損失2個碳原子。這種新的代謝合成途徑解決了乙醇生產(chǎn)過程中的局限性——損失碳水化合物原料中1/3的碳原子，有望使目標產(chǎn)物產(chǎn)量提高30%，從而使乙醇與生物質(zhì)合成烴具有競爭性。

2 工程化遇到的主要問題

纖維素乙醇技術經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，完成了中試試驗，經(jīng)過示范裝置驗證，現(xiàn)已有多套萬噸級規(guī)模的商業(yè)化裝置在建。從裝置規(guī)模來看，在美國農(nóng)業(yè)條件非常好的地區(qū)，原料收集半徑可達80 km，最大裝置規(guī)模約7.5萬t/年，每形成萬t/年生產(chǎn)能力的投資強度在2 200萬?4 670萬美元之間，折合人民幣約為1.36億?2.89億元(詳見表1)。

表4 幾種主要商業(yè)化共發(fā)酵菌株性能分析[36-39]

美國斯坦福公司2008年對纖維素乙醇進行技術經(jīng)濟評價，結論是與2008年在美國建設同樣規(guī)模的玉米干法乙醇相比，稀酸預水解法乙醇產(chǎn)品成本高近1倍，裝置投資高近1倍，固定資產(chǎn)回報率 (ROI) 相應降低。近期從國內(nèi)外多家中試運轉(zhuǎn)和示范裝置測算成本情況來看，成本仍然高于汽油價格，尤其是原料成本、酶制劑成本、折舊和污水處理費用占較大比例。

目前，纖維素乙醇酶解底物固含量一般在20%?25%，得到糖的濃度在100?140 g/L，發(fā)酵后乙醇濃度約4%?6% (/)。而當蒸餾單元進料中乙醇濃度高于4% (/) 時蒸餾能耗較 低。但即使這樣，與玉米乙醇相比，能耗仍舊偏高。各項技術指標對比如表5所示。

展望今后的纖維素乙醇進程，對實現(xiàn)工程化中遇到的主要問題進行大致的梳理。

2.1 設備系統(tǒng)穩(wěn)定運行的可靠性

設備是纖維素乙醇生產(chǎn)的基礎，設備的可靠性是裝置長周期運行的前提。工廠的非計劃停工會造成巨大損失。分析纖維素乙醇裝置各操作單元，高溫高壓下預處理進料設備的磨蝕和酸堿對設備的腐蝕問題較嚴重，預處理設備較其他設備更容易發(fā)生故障。為此，首先要正確選擇設備材質(zhì)，其次要對在苛刻條件下常與物料接觸表面進行耐磨蝕的特殊處理，反應器進行襯里處理。對于易沖刷、易腐蝕部位，還應進行定期定點測厚，重點監(jiān)控，并采取合適的應對措施，確保腐蝕速率在可控范圍內(nèi)。

應注重加強自動化控制技術應用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。通過提高儀表檢測系統(tǒng)精度和可控性，保證設備系統(tǒng)運行的穩(wěn)定可靠性，精準控制預處理、酶解和發(fā)酵過程中酸堿pH值、溫度、壓力和流量等關鍵參數(shù)，防止擴培及發(fā)酵過程染菌等造成的非計劃停工，盡可能減少過程中糖的損失，提高乙醇收率。

2.2 酶成本

纖維素酶對纖維素的水解效率低下是纖維素乙醇工業(yè)化生產(chǎn)的主要瓶頸之一，酶成本仍是纖維素乙醇成本僅次于原料的一項大支出 (20%?30%)。由于纖維素酶的比活力明顯低于淀粉酶，從而使纖維素乙醇的用酶量是淀粉乙醇用酶量的30?50倍，中糧集團500 t/年的纖維素乙醇中試裝置的多年運行經(jīng)驗也驗證了這一點；并且纖維素酶的價格總體上并不低于淀粉酶，以上兩點是導致酶成本居高不下的最主要原因。

近幾年酶制劑成本及構成情況如表6所示 (從裝置的實際運行情況來看，由于底物不同和售價的不同，酶成本會高于表中數(shù)據(jù))。可以看出與玉米乙醇酶制劑成本約60元/t乙醇相比，未來纖維素酶成本還有很大的降低空間。

表5 玉米乙醇和纖維素乙醇技術指標對比

表6 酶制劑成本及構成分析[43-46]

*An average annual exchange rate between US dollar and RMB is 6.77 in 2010 and 6.31 in 2011 respectively.

**Enzyme protein accounts for circa 20% of the mass of liquid enzyme.

除了酶的自身生產(chǎn)成本外，酶制劑的精制、運輸?shù)冗^程的成本將占總成本1/3以上。酶制劑的生產(chǎn)通常要對菌種發(fā)酵產(chǎn)生的粗酶液進行分離除菌絲和孢子、濃縮、穩(wěn)定配方等制備過程，后續(xù)還有儲存和運輸過程，使用酶制劑過程中又需要加水稀釋，酶的提濃和稀釋過程會耗費能量。因此將產(chǎn)酶單元集成到乙醇生產(chǎn)裝置中，直接用粗酶液酶解底物已成為趨勢，而且未經(jīng)加工的粗酶液有更高的水解效率。如POET-DSM的7.5萬t/年和杜邦的8.3萬t/年的商業(yè)化裝置均將采用原位產(chǎn)酶、用酶模式，有效降低酶的成本。

2.3 酶解、發(fā)酵效率

與淀粉酶解過程相比，纖維素酶解效率低，反應時間長。淀粉加入液化酶經(jīng)噴射液化后，在3 h內(nèi)即完成長鏈糖苷鍵的斷裂生產(chǎn)糊精 (低分子寡糖)，在全糖化工藝中加入糖化酶約10 h時葡萄糖DE值可超過90%，總的酶加入量約占原料總重的0.2%，這種高效的酶催化作用使淀粉糖化過程容易實現(xiàn)，降低了淀粉產(chǎn)糖的成本。纖維素酶根據(jù)酶的活性不同，酶加入量通常約占木質(zhì)纖維素原料總重的2%?5%，而且酶解72 h或者更長時原料轉(zhuǎn)化率才超過85%。與淀粉酶相比，纖維素酶效率要低100倍以上 (g糖/g酶?h)，成本高出約30倍。

目前先進的玉米乙醇技術，發(fā)酵50 h醪液乙醇濃度即可達到15% (/)，發(fā)酵效率達到3.0 g乙醇/(h?L)。而纖維素酶解液中混合糖濃度偏低 (10%?14%)，乙酸等酵母抑制物濃度較高 (2?5 g/L)，而基因工程菌株對戊糖、己糖代謝的不同步性延緩了整個發(fā)酵過程。通常發(fā)酵72 h后，乙醇濃度僅達到5% (/)，發(fā)酵效率僅約0.7 g乙醇/(h?L)，不到玉米乙醇的1/4。

2.4 裝備效率

在解決了預處理設備之后，核心是解決黏度多變系統(tǒng)的“三傳一反”問題。預處理物料酶解時 (20%?30%的底物濃度)，起始黏度高達 2 500?4 000 mPa·s，但在酶解2?5 h后，黏度會迅速降低至100 mPa·s以下。現(xiàn)有單獨的間歇反應器已無法滿足纖維素酶解這種高效混合和快速降黏特點需求，開發(fā)快速混酶降黏與酶解分步進行的半連續(xù)高效新型酶解反應器迫在眉睫。中糧集團聯(lián)合諾維信公司開發(fā)了半連續(xù)的酶解設備，并在500 t/年的纖維素乙醇中試上進行了驗證，與傳統(tǒng)間歇酶解設備相比在相同水解率的情況下可降低酶解過程能耗約20%。丹麥Dong Energy公司的4 000 t/年Inbicon纖維素乙醇試驗裝置則開發(fā)適合了高固含量的臥式螺帶攪拌槳連續(xù)酶解設備，嘗試解決高黏物料與酶的混合、酶解以及降低能耗的問題。底物黏度可快速降低源于酶解過程中物料的平均粒度尺寸不斷變小，改變了底物的流變性能。因此，為使高固、高黏物料體系下酶和物料快速均勻混合，充分發(fā)揮酶的作用，必須深入研究模擬高固、高黏底物的流變性質(zhì)，為開發(fā)高效的酶解裝備提供理論基礎。

目前，乙醇生產(chǎn)受限于酵母性能，偏低的發(fā)酵效率使發(fā)酵罐體積超過上千立方米，而 5萬t/年規(guī)模纖維素乙醇發(fā)酵罐的體積達 2 000 m。龐大的發(fā)酵罐和水耗造成傳質(zhì)傳熱效率的降低，導致能耗增加。提高發(fā)酵效率的本質(zhì)是改進共發(fā)酵菌株的性能，同時對發(fā)酵反應器進行深入研究，提高效率，降低水耗和能耗。

3 發(fā)展方向探討

3.1 博采眾長，集成創(chuàng)新，開發(fā)纖維素乙醇成套裝備

纖維素乙醇裝備跟隨技術的發(fā)展，也完成了中試考核，正在經(jīng)歷示范裝置驗證過程。其主要借鑒了現(xiàn)代制漿造紙和傳統(tǒng)乙醇發(fā)酵行業(yè)的設備制造經(jīng)驗，設備的可靠性亟待驗證，效率有待提升。未來應在此基礎上，結合纖維素乙醇不同工段的物料特性，進一步集成創(chuàng)新，開發(fā)高效規(guī)?；A處理裝備 (尤其是耐受更高壓力的中性預處理設備喂料器等)，強化傳質(zhì)傳熱過程，降低糖的損失；依據(jù)酶制劑和發(fā)酵菌株特性，開發(fā)適合高固、高黏底物的半連續(xù)、連續(xù)酶解設備以及同步糖化發(fā)酵設備，縮短反應時間，提高酶解和發(fā)酵效率，最終達到提高發(fā)酵液乙醇的濃度，降低纖維素乙醇成本的目的。

3.2 協(xié)同開發(fā)預處理與酶解工藝，降低預處理強度，提高酶制劑效率

近年來，學術界對植物細胞壁化學組成與超微結構在預處理、酶解過程中的變化進行深入細致的研究，從機理上加深對轉(zhuǎn)化過程的理解，為預處理新工藝和裝備的開發(fā)奠定基礎。國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界在示范裝置上將對稀酸汽爆、中性汽爆和氨爆預處理等多條路線進行考核，最終在相互競爭中優(yōu)勝劣汰，形成經(jīng)濟可行的實用路線。因為預處理工藝的選擇會影響水解所需酶的數(shù)量和類型，因此預處理和酶解工藝的協(xié)同開發(fā)至關重要，要找到兩者影響總成本的平衡點；從長遠角度來看應逐步降低預處理的強度 (溫度、停留時間和酸堿度等)，充分發(fā)掘生物催化劑的特性——酶制劑的高效性和專一性，通過提高酶制劑的活性和優(yōu)化配方來彌補降低預處理強度而產(chǎn)生的不利因素。如中性預處理底物中含有大量的半纖維素，因此開發(fā)適合中性預處理的復合酶制劑需要有更高的半纖維素酶活力，酶制劑的活性與配方組成決定了中性預處理技術的可行性。

3.3 構建高效的產(chǎn)酶工程菌及乙醇發(fā)酵菌株，發(fā)展原位產(chǎn)酶/菌株、用酶/菌株模式

當前，國際上的先進產(chǎn)酶菌株和共發(fā)酵菌株均為少數(shù)幾家專業(yè)公司和研究機構所掌握，國內(nèi)公司也已開發(fā)了自己的酶制劑和共發(fā)酵菌株。今后一段時期內(nèi)酶制劑的重點應是通過基因工程途徑提高酶的產(chǎn)量，通過理性設計的蛋白質(zhì)工程技術和酶的體外定向進化技術提高酶的比活力或者提高酶的熱穩(wěn)定性、pH穩(wěn)定性等。發(fā)酵菌株則通過基因工程途徑及馴化技術進一步提高菌株對抑制物的耐受性，并繼續(xù)探索進一步提高碳原子利用率的代謝途徑。產(chǎn)業(yè)方面纖維素乙醇生產(chǎn)商應與酶制劑公司及乙醇菌株公司深度合作，發(fā)展原位產(chǎn)酶/菌株、用酶/菌株的模式，從而大幅度降低酶制劑/菌株在精制、運輸和包裝方面的成本。

3.4 共發(fā)酵優(yōu)先，力爭能源產(chǎn)品最大化

未來通過微生物技術和裝備技術的進步，提高反應體系固含量，以增加可發(fā)酵糖濃度和成熟醪液的乙醇濃度，這是纖維素乙醇技術的重要發(fā)展方向。雖然戊糖可以用來生產(chǎn)沼氣，但單位木糖生產(chǎn)沼氣與生產(chǎn)乙醇相比，無論從產(chǎn)品熱值還是從產(chǎn)品價值來說前者均處于劣勢，因此優(yōu)化戊糖/己糖共發(fā)酵菌株性能和工藝，盡量提高糖醇轉(zhuǎn)化率，提高乙醇得率是另一個發(fā)展方向，以上兩點可有效提高纖維素乙醇的能量產(chǎn)出/投入比值。當然對于化學組成極其復雜的木質(zhì)纖維素原料來講，分級利用，拓寬能源產(chǎn)品的品種是提高總能效的方向，要以能源產(chǎn)品產(chǎn)出最大化為目標，應重點考慮建設乙醇?沼氣?電力聯(lián)產(chǎn)裝置。

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(本文責編 陳宏宇)

Insights into engineering of cellulosic ethanol

Guojun Yue, Guoqing Wu, and Xin Lin

National Energy Research Center of Liquid Biofuels, Beijing 100020, China

For energy security, air pollution concerns, coupled with the desire to sustain the agricultural sector and revitalize the rural economy, many countries have applied ethanol as oxygenate or fuel to supplement or replace gasoline in transportation sector. Because of abundant feedstock resources and effective reduction of green-house-gas emissions, the cellulosic ethanol has attracted great attention. With a couple of pioneers beginning to produce this biofuel from biomass in commercial quantities around the world, it is necessary to solve engineering problems and complete the economic assessment in 2015?2016, gradually enter the commercialization stage. To avoid “competing for food with humans and competing for land with food”, the 1st generation fuel ethanol will gradually transit to the 2nd generation cellulosic ethanol. Based on the overview of cellulosic ethanol industrialization from domestic and abroad in recent years, the main engineering application problems encountered in pretreatment, enzymes and enzymatic hydrolysis, pentose/hexose co-fermentation strains and processes, equipment were discussed from chemical engineering and biotechnology perspective. The development direction of cellulosic ethanol technology in China was addressed.

cellulosic ethanol, pretreatment, cellulase cost, conversion efficiency, equipment, engineering, progress

February 11, 2014; Accepted: March 10, 2014

National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No. 2012AA022304).

Guoqing Wu. Tel:+86-10-56989586; Fax: +86-10-8561-5955; E-mail: wugq@cofco.com

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃) (No. 2012AA022304) 資助。

網(wǎng)絡出版時間：2014-04-15

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13345/j.cjb.140073.html