纖維質(zhì)原料高濃度酶解技術(shù)研究現(xiàn)狀及機(jī)理分析*

劉云云，張 宇，許敬亮，孫永明，袁振宏?，謝 君，何敏超，莊新姝

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

纖維質(zhì)原料高濃度酶解技術(shù)研究現(xiàn)狀及機(jī)理分析*

劉云云1,2，張 宇1，許敬亮1，孫永明1，袁振宏1?，謝 君2?，何敏超1，莊新姝1

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

高濃度酶解體系能夠獲得高糖濃度，顯著提高單位設(shè)備利用率，減少酒精蒸餾等生產(chǎn)成本，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。本文在介紹高固含量底物酶解技術(shù)相關(guān)研究基礎(chǔ)上，主要對高底物濃度水解體系下抑制因素進(jìn)行了分析，同時(shí)對高濃高效酶解反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及開發(fā)進(jìn)行探討。高濃度酶解體系伴隨水解液中高糖濃度和高的酒精得率，但是酶解轉(zhuǎn)化率隨著底物濃度增加而降低，這種抑制效應(yīng)的出現(xiàn)受多種因素的影響，包括纖維素酶吸附量的下降、產(chǎn)物抑制、攪拌不均使傳質(zhì)傳熱受限體系粘度增大、水與底物的作用等，可通過改變反應(yīng)溫度、攪拌方式、添加表面活性劑、利用分批補(bǔ)料等酶解技術(shù)以改善體系酶解效率，使底物高效轉(zhuǎn)化同時(shí)提高產(chǎn)物乙醇濃度，節(jié)約燃料乙醇生產(chǎn)成本。

纖維質(zhì)原料；高濃度；酶解；抑制因素；固體效應(yīng)；酶解反應(yīng)器

0 引 言

木質(zhì)纖維素原料是地球上最豐富的可再生資源，其纖維素含量可觀，且大部分未被開發(fā)利用，通過熱化學(xué)或生物法將其轉(zhuǎn)化為綠色能源被認(rèn)為是尋找替代石油、發(fā)展環(huán)境友好型新能源的最佳選擇。纖維乙醇生產(chǎn)通常需要經(jīng)過預(yù)處理、酶解和發(fā)酵過程的轉(zhuǎn)化，而生產(chǎn)過程中的酶解糖化工藝直接關(guān)系糖產(chǎn)量和最終乙醇產(chǎn)率。

為了提高纖維乙醇的生產(chǎn)效率，國際上普遍采用酶解過程提高底物濃度的方法。高濃度底物水解已被證實(shí)能顯著提高單位設(shè)備的生產(chǎn)效率，節(jié)約能耗，降低生產(chǎn)和設(shè)備成本[1,2]。但在底物濃度增加過程，反應(yīng)體系粘度提高，出現(xiàn)傳質(zhì)及攪拌困難，再者，隨著反應(yīng)時(shí)間延長，酶分子易因攪拌在反應(yīng)器中發(fā)生剪切失活等，導(dǎo)致酶解效率下降，低的原料轉(zhuǎn)化率部分抵消了高濃度水解體系的優(yōu)勢[3]。改善高濃體系酶解率需降低其抑制因素的抑制作用，同時(shí)選擇和設(shè)計(jì)新型低能耗高效率的酶解反應(yīng)器。本文主要對高濃度底物酶解技術(shù)及其反應(yīng)過程可能的抑制因素進(jìn)行探討，同時(shí)介紹了應(yīng)用高固含量酶解技術(shù)相關(guān)中試及以上水平研究成果，并討論了高效酶解反應(yīng)器的開發(fā)和設(shè)計(jì)。

1 高濃度底物酶解過程抑制因素

高固體濃度對應(yīng)在含水量低的水解體系進(jìn)行酶解，通過增加底物含量獲得高濃度糖液最終提高乙醇濃度，降低產(chǎn)物分離過程酒精的蒸餾成本。在低含水量條件下，系統(tǒng)容量增加，可減少能耗和熱量消耗、混合物的冷卻成本及廢水產(chǎn)生量[4]。國外有報(bào)道評估：底物濃度從5%增加至8%時(shí)，乙醇生產(chǎn)總成本減少近20%[2]。繼續(xù)增加底物濃度能進(jìn)一步節(jié)約成本，但是研究表明，在底物濃度高于10%時(shí)纖維質(zhì)原料開始不能有效轉(zhuǎn)化，一次加料上限為12%～15%[2]?？赡茉?yàn)?，隨著底物含量增加，終產(chǎn)物和抑制物相應(yīng)增多，漿料粘度增大，底物得不到有效攪拌導(dǎo)致酶不能充分接觸，高濃度的抑制作用逐漸增強(qiáng)，纖維素轉(zhuǎn)化率隨之下降[5]。

有學(xué)者通過建模分析對水解過程抑制機(jī)制做了探討[6,7]。目前，低效轉(zhuǎn)化率伴隨的可能抑制因素包括產(chǎn)物抑制、其他化合物像半纖維素衍生的抑制劑和木質(zhì)素等、傳質(zhì)限制或其他相關(guān)不溶性固體物質(zhì)含量增加而對酶吸附產(chǎn)生影響、纖維素酶用量等（圖1）。

圖1 高濃度底物酶解過程可能的抑制因素Fig. 1 Factors limiting high solids enzymatic hydrolysis

2 高濃底物酶解技術(shù)

2.1 補(bǔ)料酶解

高濃度水解體系中由于抑制作用增強(qiáng)，酶解轉(zhuǎn)化率隨著底物濃度增加而下降。研究者們通過改變加料方式利用補(bǔ)料分批次操作將水解底物加入反應(yīng)體系，即在初始底物水解一定時(shí)間后再補(bǔ)加進(jìn)新鮮物料以減少一次加料引起的混合不均和攪拌等抑制問題，提高最終固體濃度[7]。分批補(bǔ)料的關(guān)鍵是確定反應(yīng)過程補(bǔ)料時(shí)間和加料方式以及酶的添加次序以獲得高的轉(zhuǎn)化率[8]。補(bǔ)料過程部分底物和酶的不同添加方式見表1。

Hodge等[6]利用分批補(bǔ)料方式酶解25%（底物濃度）預(yù)處理后的玉米秸桿，在酶用量為10.7 FPU/g底物條件下，纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%，但是反應(yīng)時(shí)間增加了一倍（168 h）。通過增加酶用量或者使用耐高糖濃度的酶可以縮短反應(yīng)時(shí)間，Yang等[8]在酶用量為20 FPU/g底物、反應(yīng)時(shí)間為30 h條件下分批補(bǔ)料酶解30%的底物，酶解轉(zhuǎn)化率達(dá)70.6%。Ma等[9]分批酶解25%稀酸預(yù)處理后的木薯渣，分批加酶情況下底物轉(zhuǎn)化率可達(dá)84%，而一次加料的轉(zhuǎn)化率僅為50%?？梢?，高濃度底物分批補(bǔ)料酶解是提高原料轉(zhuǎn)化率的有效方法。Rosgaard等[7]也對各種補(bǔ)料及加酶方式進(jìn)行了研究，得出分批加料、一次加酶在最初反應(yīng)過程可獲得更高的糖含量，且葡萄糖最終濃度與加酶方式關(guān)系不大。另外，Chandra等[10]的研究表明，低濃底物酶解不適宜用分批補(bǔ)料。試驗(yàn)酶解10%汽爆后的玉米秸稈，酶用量為5 FPU/g和60 FPU/g底物，在一次加料情況下，葡萄糖得率分別為66%和90%，當(dāng)?shù)孜锓峙尤牒笃咸烟堑寐式禐?5%和80%，水解速率也相應(yīng)降低。葡萄糖得率和反應(yīng)速率下降可能是由于酶與木聚糖和木質(zhì)素的無效結(jié)合或者纖維素酶無法從水解產(chǎn)物中解附而引起的。

表1 分批補(bǔ)料酶解過程底物和酶的添加方式Table 1 Substrates and enzyme adding mode in fed-batch hydrolysis

2.2 水解酶類對高濃體系的影響

高濃度底物酶解過程原料轉(zhuǎn)化率低主要是由于主產(chǎn)物糖部分以低聚物和聚合物的形式存在，不能用于后續(xù)發(fā)酵過程。研究者們從酶學(xué)角度進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，以多酶組合復(fù)配和替代酶進(jìn)行研究。Lau等[11]利用除纖維素酶和β-葡萄糖苷酶之外的木聚糖酶和果膠酶以減少半纖維素對纖維素水解的阻礙作用。Xue等[1]將纖維素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶進(jìn)行組合水解蒸汽爆破麥稈，三者組合提高了纖維素轉(zhuǎn)化率，尤其是對低濃和初始水解反應(yīng)過程，混合酶的選用及組合比例對優(yōu)化糖得率非常重要。

除了酶的添加機(jī)制和酶用量外，酶的類型對原料液化也有很大影響。商業(yè)用纖維素酶是粗酶混合物，如里氏木霉纖維素酶是纖維二糖酶、纖維內(nèi)切酶、木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的混合物。這些酶可以協(xié)同作用或者分開使用。Sjizarto等[12]評估了酶對熱化學(xué)法預(yù)處理麥稈的液化能力，結(jié)果顯示纖維內(nèi)切酶在纖維素糖化過程起關(guān)鍵作用，其單獨(dú)使用可使系統(tǒng)粘度降低90%。纖維二糖酶和木聚糖酶對粘度降低幾乎沒有作用，即使在相同條件下糖得率和纖維內(nèi)切酶相似。

里氏木霉纖維素酶系是研究中最常用的酶系，其他微生物在特定條件下也可能產(chǎn)生高性能的水解酶。Matano等[13]利用部分純化的耐熱芽孢桿菌產(chǎn)生的纖維素酶進(jìn)行水解實(shí)驗(yàn)，快速酶解36 h后，芽孢桿菌纖維素酶與商業(yè)纖維素酶效果相當(dāng)。用這種酶水解10%預(yù)處理后的牧草，96 h后葡萄糖收率在46.2%～48.7%之間。商業(yè)纖維素酶的成本很高，研究使微生物能同時(shí)產(chǎn)酶并糖化發(fā)酵纖維質(zhì)底物是節(jié)約成本的有效途徑。

3 固體效應(yīng)分析

高濃度水解體系在獲得高糖含量的同時(shí)，酶解轉(zhuǎn)化率隨固體濃度增加而呈下降趨勢。Kristensen等[14]對這種固體效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制進(jìn)行了分析，可能影響因素包括：底物成分和基質(zhì)效應(yīng)、產(chǎn)物抑制、水含量和纖維素酶的吸附。以濾紙為底物，當(dāng)水解體系底物濃度增加時(shí)，酶解轉(zhuǎn)化率與木質(zhì)纖維素原料呈現(xiàn)相同的下降趨勢。由此推斷，木質(zhì)素可能不是造成固體效應(yīng)的因素。底物濃度在5%和20%體系中，酶解48 h考察產(chǎn)物抑制時(shí)發(fā)現(xiàn)完全不同的葡萄糖轉(zhuǎn)化效果（64.5%和38.6%或者30 g/L和86 g/L）。但在以上兩個(gè)體系都同時(shí)加入50 g/L的葡萄糖液底物最終轉(zhuǎn)化率幾乎相似（底物轉(zhuǎn)化率分別為29.7%和26.3%或者64 g/L和109 g/L）。以上實(shí)驗(yàn)并沒有解釋出現(xiàn)相似轉(zhuǎn)化率的原因，但可推測水解體系中有其他成分充當(dāng)了產(chǎn)物抑制的角色或者葡萄糖濃度達(dá)到一定值后酶的活動(dòng)都會被限制。

高效糖化的關(guān)鍵是酶與底物的有效接觸，系統(tǒng)含水量過低，可能會直接影響酶的性能。在酶解過程中，溶劑水不僅作為底物和酶接觸作用的先決條件，而且對整個(gè)反應(yīng)過程中酶的運(yùn)輸機(jī)制和中間產(chǎn)物和終產(chǎn)品之間的質(zhì)量傳遞機(jī)制至關(guān)重要。水可以增加底物表面潤滑性，在給定剪切速率下降低所需的剪切應(yīng)力進(jìn)而降低體系粘度。不同物料的吸水性不同，當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到20%時(shí)，只有少量游離水存在，底物表觀粘度增加，攪拌和混合更加困難。含水量少、固體濃度過高可能直接影響酶的功能與酶解效率。

Kristensen等[14]研究了水含量對酶解體系的影響。乙醇可以維持體系粘度，以油醇替代體系中25%的自由水，減少水含量后酶解固液比發(fā)生變化，此時(shí)葡萄糖得率降低了5%。但是當(dāng)?shù)孜餄舛扔?0%增加到25%（相當(dāng)于減少25%的水分），葡萄糖得率減少了12%。Kristensen等認(rèn)為這種葡萄糖得率下降的差異表明含水量顯然不是固體效應(yīng)出現(xiàn)的限制因素。纖維素酶的吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)孜锖坑?%增加至25%時(shí)，纖維素酶的吸附量由40%減少至17%，同時(shí)底物轉(zhuǎn)化率由～60%降至＜50%。底物轉(zhuǎn)化率下降與酶的吸附量相關(guān)，表明纖維素酶沒有有效吸附到底物上而導(dǎo)致葡萄糖得率下降。水解液中產(chǎn)物葡萄糖和纖維二糖的增加阻礙了纖維素酶的吸附，高濃度底物水解體系產(chǎn)物抑制機(jī)制和酶的吸附抑制機(jī)制研究是提高其整個(gè)水解過程轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。

Roberts等[15]研究了在高濃度酶解過程體系粘度變化情況下水與底物的相互作用情況，將過量的葡萄糖和甘露糖添加到5%固含量的反應(yīng)體系，其酶解效率下降至與15%固體濃度時(shí)相似。Roberts等認(rèn)為水解率下降是由水被約束引起的，與單糖對酶活力的影響截然相反，很可能缺水限制了協(xié)同酶的均勻分布，進(jìn)而影響了酶解速率。與Kristensen等的研究結(jié)論相反，Roberts等認(rèn)為水（或者缺水）對整個(gè)酶解速率都有很大影響，前面研究中以油醇替代水來維持缺水條件下體系粘度不變，均衡的粘度使底物得到充足混合，因此不會影響整個(gè)環(huán)境酶的擴(kuò)散與作用。但是這些研究結(jié)果與水對木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化過程的影響相矛盾，他們強(qiáng)調(diào)了過程的有效攪拌。前期研究中通過油醇改善了高濃水解體系的粘度問題，底物即使在缺水條件下仍得到了充足攪拌，后期簡單降低了液固比而未考慮體系的粘度。這些研究都突出了量化高濃度底物酶解過程單一抑制因素（缺水、高粘度、足夠的攪拌等），而所有這些因素都是相互影響相互作用的。

4 體系粘度對底物混合的影響

在高濃水解體系中，由于底物得不到充分?jǐn)嚢?，水解產(chǎn)物和抑制物積累而使體系傳質(zhì)傳熱受到限制，使用粘度調(diào)節(jié)劑可以改善纖維底物的液化性能。Knutsen等[16]對18種不同化學(xué)添加劑對漿料流變性能和水解速率的影響進(jìn)行了評估研究，一些表面活性劑如CPCL、CTAB、十二烷基苯磺酸鈉（NaDBS）和十二烷基磺酸鈉（SDS）等，在纖維漿料中的添加量為2%時(shí)，能明顯影響漿料的流變性能，使體系粘度較不添加化學(xué)品的漿料粘度降低近4倍。Ma[9]等研究了表面活性劑Tween-80對酶解效果的影響，發(fā)現(xiàn)10%底物濃度時(shí)其并未顯著提高酶解效率，但當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾又?5%時(shí)，添加2 g/L的Tween-80使酶解效率提高了30%。這些研究雖改善了體系粘度，但是作用機(jī)制和經(jīng)濟(jì)價(jià)值還有待進(jìn)一步討論。

提高水解反應(yīng)溫度是降低粘度的另一途徑，因此耐高溫纖維素酶是關(guān)鍵。Szijarto等[17]研究發(fā)現(xiàn)，來自耐熱生物的EGs酶能較好降低纖維漿料的粘度。嗜熱木霉EG酶在溫度高達(dá)75℃時(shí)仍能繼續(xù)降低體系粘度。不同來源纖維素酶的反應(yīng)條件不同，溫度、酶的組成及底物濃度都需要優(yōu)化。

底物攪拌對纖維原料的轉(zhuǎn)化有很大影響。Zhang等[18]發(fā)現(xiàn)在樁式攪拌反應(yīng)器中酶解高濃度底物（17%～20%）的原料液化時(shí)間相對搖瓶大大縮短。混合攪拌器可使底物濃度達(dá)到35%，酶解反應(yīng)1 h后底物開始液化，而在搖瓶中至少需要40 h。液化時(shí)間減少是由于反應(yīng)器中底物及時(shí)得到有效的攪拌，同時(shí)大的纖維束被打斷。反應(yīng)器是節(jié)約能耗、解決攪拌問題的有效途徑。高濃度底物節(jié)約了反應(yīng)器數(shù)量，使單位反應(yīng)器效率大大提高，但原料轉(zhuǎn)化率隨之降低，在給定條件下需要對系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性做出分析。

5 高濃度底物酶解反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

目前高濃底物酶解主要采用水平反應(yīng)器[19-21]，底物在重力或自由下落過程通過劃槳攪拌，使得顆粒沉淀和反應(yīng)產(chǎn)物局部積聚減少至最小，同時(shí)保證酶的均勻分布。該反應(yīng)器較易在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上進(jìn)行放大，在相同攪拌條件下比立式攪拌器能量需求少[21]。

丹麥Dong能源公司現(xiàn)具有不同規(guī)模的水平反應(yīng)器用于實(shí)驗(yàn)室和放大規(guī)模研究，并已成功研制工業(yè)化規(guī)模11 000 L容量的反應(yīng)器[2,20]。這些反應(yīng)器通常使用40%固含量的底物反應(yīng)體系，纖維質(zhì)大顆粒在機(jī)械攪拌下會被切割成細(xì)小纖維[20]，這種剪切作用提高了底物的表面積，使酶與底物混合度提高。

葉輪的幾何構(gòu)型可影響酶解效率，Zhang等[18]研究了螺旋葉槳立式反應(yīng)器酶解底物情況。與典型的Rushton葉輪劃槳相比（圖2a～2b），螺旋形葉輪槳更適于高粘度、非牛頓流體的攪拌，其各項(xiàng)性能都比Rushton葉輪槳好。其他幾何學(xué)攪拌槳包括板框式葉輪攪拌器和雙彎刀葉輪攪拌器（圖2c～2d），都具有高效的轉(zhuǎn)化率，其中板框式葉輪槳比雙彎刀葉輪槳酶解轉(zhuǎn)化率高近18%，板框式葉輪攪拌槳在反應(yīng)器的每一深度具有更一致的攪拌混合機(jī)制，而軸向流雙彎刀葉輪攪拌槳在軸與單片之間存在距離。

另一樁式攪拌槳反應(yīng)器如圖2e所示，其旋轉(zhuǎn)軸配備有放射延伸狀掛鉤。在其9 L中試反應(yīng)器中，水解20%（w/w）未漂白硬木木漿，漿料液化時(shí)間僅為1 h，較搖瓶40 h大為減少。此攪拌槳反應(yīng)器已被證實(shí)對高濃纖維素原料有較好的糖化效果。

以上帶不同類型攪拌槳的酶解反應(yīng)器提供了提高高粘度漿料混合性能的不同方式。一個(gè)有效的混合機(jī)制較大程度由葉輪槳片的幾何構(gòu)型決定，在反應(yīng)器中不同葉輪對漿料的作用依攪拌槳形狀主要區(qū)別在攪拌速率和剪切效果上[22]，以上這些研究在不同原料轉(zhuǎn)化的實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步探討。

6 中試和示范工程

一些在中試水平運(yùn)行的工廠不斷上線，這些試點(diǎn)將為改善實(shí)驗(yàn)過程不能發(fā)現(xiàn)的難點(diǎn)問題提供有用價(jià)值。2010年，丹麥Dong能源公司下一子公司成立了年產(chǎn)530萬L酒精的示范規(guī)模酒精廠，酶解過程中體系的底物濃度在25%～30%（w/w），酶用量較低為3～6FPU/gDM。但是其過程的每條線路都具備處理40%（w/w）底物濃度的能力[20,23]，為擴(kuò)大發(fā)展需要，該廠具有400 L～11 000 L等不同規(guī)模的反應(yīng)器。另外，預(yù)處理和發(fā)酵過程底物濃度分別在20%～40%和～18%范圍內(nèi)，反應(yīng)結(jié)束后，剩余富含木質(zhì)素的底物（40%～95%）將被燃燒以熱能和電能的形式回收利用在原料糖化過程。

美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室最近將反應(yīng)器容量擴(kuò)增到4 000 L，用于底物濃度 ≥20%（w/w）的酶解體系[24]。轉(zhuǎn)化過程設(shè)計(jì)為半連續(xù)運(yùn)行，預(yù)處理在帶劃槳的水平反應(yīng)器中進(jìn)行，在液化24～30 h后，漿料加入立式攪拌槽進(jìn)行酶水解反應(yīng)。采用這種方式每天可將0.5～1 t干基生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇。

圖2 用于高濃底物酶解的不同類型攪拌槳 (a) 水平攪拌槳, (b) 拉什頓攪拌槳, (c) 板框式攪拌槳, (d) 雙彎刀攪拌槳, (e) 樁式攪拌槳Fig. 2 Different types of impellers used in high-solids enzymatic hydrolysis: (a) helical impeller； (b) rushton impeller； (c) plate-and-frame impeller； (d) double-curved-blade impeller； (e) peg mixer

7 燃料乙醇生產(chǎn)成本

燃料乙醇商業(yè)化發(fā)展主要依靠生產(chǎn)成本的降低。據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)報(bào)道，2012年，纖維素乙醇生產(chǎn)成本為0.94 $/L（3.56 $/gal），隨著技術(shù)不斷革新，有望在2016年與玉米乙醇生產(chǎn)成本持平降至0.67 $/L（2.54 $/gal）。據(jù)目前已有的半商業(yè)化工廠生產(chǎn)情況，燃料乙醇可以盈利的最低售價(jià)為0.94 $/L，比2008年小試規(guī)模成本1.75 $/L減少了46%。乙醇最低售價(jià)主要由生產(chǎn)成本決定，生產(chǎn)成本占總成本的41%，原料和酶分別占27%和16%。美國杰能科公司已成功將纖維素酶的生產(chǎn)成本降低至0.026～0.053 $/L，到2016年，通過不斷研發(fā)，纖維素酶的成本有望降低到0.021 $/L[25]。加拿大Iogen公司合資投產(chǎn)了1.5萬t/a的谷物轉(zhuǎn)化裝置，乙醇產(chǎn)量達(dá)到400萬L/a，其采用新開發(fā)的酶和發(fā)酵技術(shù)可使乙醇生產(chǎn)成本降低至0.238 $/L，目前該公司谷物乙醇生產(chǎn)成本為0.291 $/L[26]。

提高乙醇得率可以減少成本，據(jù)彭博財(cái)經(jīng)報(bào)道，每千噸玉米秸稈的最大理論乙醇產(chǎn)量為427 L。2008年，乙醇得率達(dá)到58%，2012年增加至66%，乙醇產(chǎn)率的提高使其最低售價(jià)降低了28%。以高底物濃度獲得高產(chǎn)量的乙醇，在補(bǔ)料技術(shù)及相關(guān)機(jī)理研究基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)酶解發(fā)酵過程，使底物高效轉(zhuǎn)化同時(shí)提高產(chǎn)物乙醇濃度。據(jù)估計(jì)至2016年，乙醇得率有望最大可超過75%，2025年提高至96%[25]。

8 總 結(jié)

本文在介紹高濃底物酶解技術(shù)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對高濃酶解系統(tǒng)可能出現(xiàn)的抑制因素、固體效應(yīng)出現(xiàn)的原因進(jìn)行了分析，并討論了相關(guān)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，主要結(jié)論總結(jié)如下：

（1）分批補(bǔ)料系統(tǒng)能有效提高底物轉(zhuǎn)化率，已被廣泛應(yīng)用于高濃度底物的轉(zhuǎn)化過程；使用表面活性劑能改善底物粘度并已在實(shí)驗(yàn)室得到成功應(yīng)用，但其經(jīng)濟(jì)性還有待研究。高濃度糖生產(chǎn)伴隨低的原料轉(zhuǎn)化率，水對整個(gè)反應(yīng)過程的作用仍有爭議，酶的成本居高不下，復(fù)合酶的添加能促進(jìn)聚糖降解其添加方式需進(jìn)一步優(yōu)化；

（2）固體效應(yīng)出現(xiàn)有很多影響因素，包括纖維素酶吸附量的下降，產(chǎn)物抑制，攪拌不均使傳質(zhì)傳熱受限體系粘度增大，水與底物的作用等，可通過改變反應(yīng)溫度、攪拌方式添、添加表面活性劑等改善體系的酶解效率；不同類型攪拌槳提供了改善底物粘度的不同方式，水平式混合反應(yīng)器有較好的酶解效果，目前已被廣泛應(yīng)用至高濃底物酶解和其他工業(yè)過程。

（3）高濃度酶解體系伴隨水解液中高糖濃度和高的酒精得率，節(jié)約了生產(chǎn)成本并降低能量消耗，相對中低濃度的反應(yīng)系統(tǒng)其更具有應(yīng)用價(jià)值。盡管高濃度底物酶解已經(jīng)在中試規(guī)模得到成功應(yīng)用，但是其低含水量、高粘度使得攪拌和傳質(zhì)過程受到限制，產(chǎn)物抑制物的增加使得反應(yīng)時(shí)間延長、增加酶的成本等問題在其工廠化推廣過程還需進(jìn)一步討論。

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Study on Enzymatic Hydrolysis Technology and Mechanism Based on High Solids Cellulose Substrate

LIU Yun-yun1,2, ZHANG Yu1, XU Jing-liang1, SUN Yong-ming1, YUAN Zhen-hong1, XIE Jun2, HE Min-chao1, ZHUANG Xin-shu1
(1. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China； 2. Institute of new energy and new materials, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

High solids hydrolysis is a direct and convenient technology to produce high concentration sugars, which can dramatically improve the utilization of the unit equipment and reduce purification costs. This review analyzed the inhibitory factors in high solids enzymatic hydrolysis system and discussed the reactors design operated at high solids loading for improving the system efficiency. Enzymatic hydrolysis at high solids loading can obtain high concentration sugars and ethanol, however, the enzymatic conversion efficiencies were decreased with the solids increasing. There were several factors contributed to this inhibitory effect, including the decline adsorption of the cellulase, inhibition from the hydrolysates, high viscosity caused by stirring and mixing difficulty, and lack of available water, etc. Enzymatic efficiency can be improved by altering the reaction temperature and stirring mode, using of surfactant and fed-batch saccharification strategy. The ethanol yield is therefore enhanced the production cost is saved.

lignocellulose； high solids； enzymatic hydrolysis； inhibited factors； solid effects； enzymolysis reactor

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.03.004

2095-560X（2015）03-0184-07

劉云云（1985-），女，在職博士，助理研究員，主要從事木質(zhì)纖維原料糖化與發(fā)酵技術(shù)研究。

2015-04-01

2015-04-15

國家自然科學(xué)基金（21306196，21176237，21211140237）；廣州科技項(xiàng)目（2013J4300026）

? 通信作者：袁振宏，E-mail：yuanzh@ms.giec.ac.cn；謝 君，E-mail：xiejun@scau.edu.cn

袁振宏（1953-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)原料高效轉(zhuǎn)化技術(shù)與工藝研究。