木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

曹炎鑫

【摘要】作為僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，生物質(zhì)能源地位越來(lái)越重要。而木質(zhì)纖維素的預(yù)處理技術(shù)則能夠?qū)θ剂弦掖嫉纳a(chǎn)具有直接的影響。本文主要從木質(zhì)纖維素乙醇生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)入手，重點(diǎn)預(yù)處理技術(shù)、水解及發(fā)酵等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析和闡述，并對(duì)木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇的市場(chǎng)前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】木質(zhì)纖維素；燃料；乙醇；預(yù)處理技術(shù)

引言

木質(zhì)纖維素取材廣泛且造價(jià)低廉，主要由纖維素、半纖維素構(gòu)成，是重要的燃料乙醇的生產(chǎn)原料。就目前而言，雖然利用木質(zhì)纖維素進(jìn)行燃料乙醇的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)初具可行性，但因其生產(chǎn)工藝十分復(fù)雜，且耗能較高等問(wèn)題，對(duì)木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇形成嚴(yán)重的阻礙。本文針對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析、研究。

1、木質(zhì)纖維素乙醇生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 預(yù)處理

1.1.1 物理方法

（1）機(jī)械粉碎。所謂的機(jī)械粉碎指的是使用球磨、碾磨等設(shè)備對(duì)纖維素加以粉碎的過(guò)程。粉碎后的物料粉末是不具備膨潤(rùn)性的，且體積較小，基質(zhì)濃度較高，對(duì)于酶解過(guò)程中的木質(zhì)素酶以及纖維素酶的揮發(fā)有著重要作用，然而處理效果不盡人意，且具有較高的耗能。

（2）熱液處理。將物料投入高壓熱水中，可以使得物料中的半縮醛鍵斷裂并形成酸，而在酸的作用下，半纖維素就會(huì)水解成為單糖。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素酶解效率較高，且其水解物可以直接用于燃料乙醇的生產(chǎn)。

（3）微波處理。微波處理操作簡(jiǎn)便、用時(shí)短且具有明顯的糖化效果，然而成本較高，使得工業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中受到限制。微波處理不僅能夠?qū)χ参锢w維素中的超分子結(jié)構(gòu)加以改變，導(dǎo)致纖維素結(jié)晶區(qū)的尺寸出現(xiàn)變化，還能對(duì)木質(zhì)素和半纖維素進(jìn)行講解，有效提升植物纖維素的糖化效率。

（4）超聲波。超聲波形成的空化作用對(duì)傳質(zhì)具有一定的強(qiáng)化作用，同時(shí)對(duì)材料結(jié)構(gòu)也具有一定影響。眾所周知，木質(zhì)纖維素是由纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素三部分構(gòu)成，因此想要取得良好的處理效果，就必須進(jìn)一步降低發(fā)酵過(guò)程中的傳質(zhì)阻力，同時(shí)將其包裹結(jié)構(gòu)打破。

（5）高能輻射。該方法主要是通過(guò)對(duì)電子射線、γ射線來(lái)預(yù)處理纖維原料，已達(dá)到增加其活性和降低聚合度的目的。其中電子輻射不僅能夠降低纖維素的聚合度，改變分子量的結(jié)構(gòu)特性，促使其集中分布，還能夠松散纖維素的結(jié)構(gòu)，并對(duì)纖維素晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，增加纖維素的活性，對(duì)其后續(xù)的水解十分有利。

1.1.2 化學(xué)方法

（1）稀酸處理法。通常情況下，可在130-200℃采用0.5%-1%稀硫酸與木質(zhì)纖維素進(jìn)行反應(yīng)幾分鐘，從而使得原料的結(jié)構(gòu)得以疏松，對(duì)纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)得以破壞，大大提升了水解速率。在這一過(guò)程中，半纖維素能夠有效水解成為木糖。

（2）氨回收過(guò)濾法。氨溶液在150-170℃高溫下，可以對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行充分潤(rùn)漲，對(duì)半纖維素及木質(zhì)素之間的化學(xué)鍵造成了嚴(yán)重破壞。使用氨回收過(guò)濾法能夠有效出去七成以上的木質(zhì)素，并水解五成的半纖維素，使得九成以上的纖維素得以保留。

1.1.3 物理化學(xué)法（蒸汽爆破法）。當(dāng)前，木質(zhì)纖維原料預(yù)處理過(guò)程中，使用最為廣泛的便是蒸汽爆破法。具體步驟如下：第一，物料用水加熱到200℃，保持0.5-15分鐘，生物質(zhì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)在高溫高壓下，極易被水分子穿透，并迅速減壓，導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)出現(xiàn)機(jī)械斷裂。與此同時(shí)，高溫高壓對(duì)纖維素內(nèi)氫鍵結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞，新的羥基產(chǎn)生，大大提升了纖維素的吸附能力，對(duì)木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化和半纖維素的水解具有一定的促進(jìn)作用。蒸汽爆破技術(shù)成本較低，預(yù)處理效果良好，但是對(duì)設(shè)備具有較高的要求，能耗大，且預(yù)處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生糖醛等有害物質(zhì)。

1.1.4 生物法。通常情況下，可以使用褐腐菌、白腐菌以及軟腐菌等微生物對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行講解。因生物法對(duì)設(shè)備要求不高，成本低廉，對(duì)于木質(zhì)素的分解和消化有著較高的效率，然而生物法尚處于試驗(yàn)階段，還未大規(guī)模的用于工業(yè)生產(chǎn)。

1.2 水解

1.2.1 酸水解。在催化作用中，使用無(wú)機(jī)酸能夠?qū)⒗w維素有效轉(zhuǎn)化為單糖，成本較低。但是在整個(gè)濃酸水解中，還會(huì)產(chǎn)生一些有機(jī)酸、酚類以及醛類化合物等物質(zhì)，這些物質(zhì)對(duì)微生物的發(fā)酵有著一定的抑制作用。因超低酸水解對(duì)設(shè)備要求低、環(huán)境污染小，逐步被人們所關(guān)注。

1.2.2 酶水解。所謂酶水解指的是運(yùn)用纖維素酶將纖維素有效轉(zhuǎn)化為單糖的一個(gè)過(guò)程。作為一種復(fù)合酶，纖維素酶主要由葡聚糖外切酶、葡聚糖內(nèi)切酶以及β-葡萄糖苷酶等三部分組成。此外纖維素酶除了用于生產(chǎn)燃料乙醇，還可以在其它化學(xué)品聯(lián)產(chǎn)中使用，所以纖維素酶的利用能夠進(jìn)一步擴(kuò)展纖維素的應(yīng)用領(lǐng)域。在木纖維素生產(chǎn)燃料乙醇的過(guò)程中，酶水解具有眾多優(yōu)勢(shì)：常溫狀態(tài)下就可以產(chǎn)生反應(yīng)，具有較高的糖化得率且水解副產(chǎn)物少，整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有有害物質(zhì)產(chǎn)生。但就目前而言，纖維素酶酶活低是其技術(shù)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，對(duì)木纖維素生產(chǎn)燃料乙醇的工業(yè)化形成嚴(yán)重制約。

1.3 發(fā)酵。所謂發(fā)酵指的是纖維素以及半纖維素進(jìn)行水解之后形成的五碳糖和六碳糖在酵母等一系列微生物的作用下產(chǎn)生乙醇的過(guò)程。就目前而言，對(duì)于六碳糖發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝比較成熟，而五碳糖發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝尚處于發(fā)展階段。具體來(lái)說(shuō)，可以分為以下三種方式：

1.3.1 直接發(fā)酵法。直接發(fā)酵法，顧名思義，能夠?qū)⒗w維素直接代謝成為乙醇，其中以熱纖梭菌最著名，其主要是由棕櫚酒分解得到，但是分解能力比不上木霉。此外，粗糙脈孢菌可以用于纖維素的分解上。如果對(duì)這兩種菌種進(jìn)行單獨(dú)使用，不但發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)，其醪液酒度也比較低，所以通常采用混合發(fā)酵法，有效提高醪液的乙醇濃度，縮短發(fā)酵時(shí)間。

1.3.2 水解發(fā)酵兩步法。水解發(fā)酵兩步法指的是將水解和發(fā)酵分開(kāi)進(jìn)行，其中木質(zhì)纖維素的水解酶主要來(lái)自于曲霉、木霉和青霉。水解發(fā)酵兩步法的優(yōu)勢(shì)在于不需要進(jìn)行脫毒處理，缺陷在于成本高、周期長(zhǎng)且具有葡萄糖反饋等問(wèn)題。

1.3.3 同步糖化發(fā)酵。同步糖化發(fā)酵指的是利用纖維素酶分解木質(zhì)纖維素的過(guò)程，并加入適量酵母菌，使得糖化與發(fā)酵在同一容器內(nèi)進(jìn)行。與水解發(fā)酵兩步法比較，同步糖化法具有以下優(yōu)勢(shì)：第一，SSF對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程有著一定的促進(jìn)作用，進(jìn)一步減輕了酶解產(chǎn)物的抑制作用；第二，酶用量得以降低，使得纖維素的酶解成本得以大幅度減少；第三，大大縮短了整個(gè)過(guò)程的反應(yīng)時(shí)間；第四，葡萄糖的生成與消失幾乎是同步進(jìn)行，有效提升了發(fā)酵效率。然而同步糖化發(fā)酵液存在著一定的缺點(diǎn)，即酵母的發(fā)酵速度與酶的糖化速度的協(xié)調(diào)問(wèn)題難以控制。如果糖化速度過(guò)快，而發(fā)酵速度慢，則會(huì)有大量的單糖積累產(chǎn)生，給雜菌提供了生長(zhǎng)的溫床，從而導(dǎo)致發(fā)酵升酸幅度過(guò)大；如果糖化速度慢，而發(fā)酵速度快，則會(huì)出現(xiàn)因酵母缺少碳源在對(duì)生長(zhǎng)產(chǎn)生一定影響。

2、木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇的存在問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，利用木質(zhì)纖維素發(fā)酵來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。然而雖然木質(zhì)纖維素原料價(jià)格比較低，但是生產(chǎn)工藝十分復(fù)雜，且設(shè)備投入及生產(chǎn)具有較高的成本，使得這項(xiàng)工藝至今無(wú)法得到大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。想要實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；约暗统杀净€需要解決眾多問(wèn)題，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：第一，加大對(duì)預(yù)處理技術(shù)進(jìn)一步創(chuàng)新研究，力爭(zhēng)找到高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境污染程度低且副產(chǎn)物少的工藝技術(shù)，切實(shí)提升纖維素酶的可作用位點(diǎn)。第二，在對(duì)多種預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行綜合處理的基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)高效的木質(zhì)素降解以及纖維素轉(zhuǎn)化的微生物，并通過(guò)對(duì)離子對(duì)液體利用實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維素的處理，有效提升酶解效率。第三，低成本且高產(chǎn)纖維素酶的微生物進(jìn)行篩選、研究，比如可以通過(guò)對(duì)細(xì)胞表面進(jìn)行固定化展示技術(shù)來(lái)對(duì)纖維素酶基因在發(fā)酵微生物中進(jìn)行穩(wěn)定表達(dá)，有效降低生產(chǎn)成本。第四，對(duì)糖化液中的葡萄糖、木糖以及阿拉伯糖進(jìn)行高效利用，實(shí)現(xiàn)燃料乙醇的生產(chǎn)，這也是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化的核心所在，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：其一，通過(guò)對(duì)相關(guān)基因工程技術(shù)的利用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)菌的構(gòu)建；其二，運(yùn)用對(duì)反芻動(dòng)物的瘤胃、白蟻腸道的模擬等仿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然纖維素降解系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。第五，想要木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇實(shí)現(xiàn)低成本和工業(yè)化，必須實(shí)現(xiàn)預(yù)處理工藝的簡(jiǎn)化、能源的低投入以及乙醇的高產(chǎn)出，所以如何提高木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的效率和降低成本成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。

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