纖維素乙醇工程化的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向

陳星宇

摘 要：由于近年來(lái)能源安全以及環(huán)境污染的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，因此現(xiàn)在很多國(guó)家都是使用乙醇作為燃料來(lái)替代現(xiàn)在使用的汽油。纖維素乙醇在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)于原材料的選擇上是很廣泛的，并且纖維素乙醇在使用過(guò)程中低碳排放的特點(diǎn)，現(xiàn)在越來(lái)越多的受到人們的關(guān)注。本文主要就纖維素乙醇的現(xiàn)狀以及在生產(chǎn)過(guò)程中所遇到的困難進(jìn)行了闡述，根據(jù)這一系列的現(xiàn)狀探索了我國(guó)纖維素乙醇工程未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：纖維素乙醇 纖維素酶成本 進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TQ223.122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（b）-0112-02

當(dāng)前我國(guó)的乙醇原料大部分來(lái)源與糧食以及甘蔗等作物，伴隨著纖維素乙醇工程的生產(chǎn)規(guī)模的不斷增大，因此在原料的選取的問(wèn)題已經(jīng)變得越來(lái)越突出。多國(guó)政府已經(jīng)明確了乙醇工程的主要方向，很多的專家明確提出，纖維素乙醇是以后生物燃料的基礎(chǔ)，盡管在生產(chǎn)過(guò)程中存在著很多的技術(shù)性問(wèn)題，但是整個(gè)纖維素工程的商業(yè)化步伐卻沒停滯不前，在糧食為本的大前提下，我國(guó)的纖維素乙醇工程已經(jīng)從以前的糧食原料轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在非糧食原料乙醇工程。

1 纖維素乙醇技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)相關(guān)部門的專業(yè)統(tǒng)計(jì)，到現(xiàn)在為止一共有一百多個(gè)與纖維素乙醇相關(guān)的工程項(xiàng)目，在建的有8個(gè)，預(yù)計(jì)到2016年年底，一共有15個(gè)相關(guān)項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)投產(chǎn)。按照技術(shù)和工藝的發(fā)展進(jìn)程，目前業(yè)界將燃料乙醇分為3類：以玉米、小麥等糧食為原料生產(chǎn)的第1代糧食乙醇，以木薯、甘蔗、甜高粱稈等經(jīng)濟(jì)作物為原料的第1.5代非糧乙醇，以玉米秸稈、玉米芯等纖維素物質(zhì)為原料的第2代纖維素乙醇?，F(xiàn)在我國(guó)的纖維素乙醇生產(chǎn)在技術(shù)上主要有以下的幾種類型。

1.1 連續(xù)蒸汽爆破預(yù)處理

對(duì)于纖維素乙醇中的預(yù)處理技術(shù)是需要經(jīng)過(guò)很多的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定一個(gè)完整的蒸汽預(yù)處理路線；另外我國(guó)在纖維素乙醇生產(chǎn)過(guò)程中的中性預(yù)處理技術(shù)在近幾年也有著一個(gè)很大的突破，在生產(chǎn)上能夠體現(xiàn)其所具有優(yōu)勢(shì)。在裝備方面則是借鑒了現(xiàn)在的制漿造紙?jiān)O(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，由原先的間歇轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的連續(xù)設(shè)備，在技術(shù)上也取得了很大的突破。在預(yù)處理技術(shù)上還是運(yùn)用潘迪亞橫管連蒸系統(tǒng)，回看以前我國(guó)造紙行業(yè)在制漿技術(shù)上的發(fā)展過(guò)程，給現(xiàn)在的纖維素乙醇預(yù)處理技術(shù)上提供可很好的技術(shù)參考。上個(gè)世紀(jì)在造紙行業(yè)中絕大多數(shù)還是使用亞硫酸鹽來(lái)進(jìn)行制漿，但是在制漿過(guò)程中酸性物質(zhì)對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備的損害這個(gè)問(wèn)題一直得不到很好的解決，一直到堿性硫酸鹽制漿技術(shù)的產(chǎn)生，然而這個(gè)技術(shù)雖然解決了在生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于設(shè)備的損害但是運(yùn)用堿法來(lái)制漿會(huì)產(chǎn)生很多的木質(zhì)素，對(duì)于環(huán)境的破壞很嚴(yán)重，這就需要企業(yè)加大在環(huán)保上的投入，因此使用連續(xù)蒸汽爆破預(yù)處理技術(shù)能夠很好的解決這些問(wèn)題。

1.2 提高酶活性

如何提高酶的活性是在現(xiàn)在纖維素乙醇工程中比較重要的技術(shù)，酶的活性主要是由兩個(gè)部分所決定的，第一，就是現(xiàn)在的預(yù)處理技術(shù)能夠有效提升底物酶解性。第二，酶的活性主要是由自己本身來(lái)提高的。預(yù)處理技術(shù)能夠運(yùn)用酸性或者堿性的溶劑來(lái)有效的阻斷酯鍵，這樣就能打開半纖維素以及木質(zhì)素之間的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而有效的改進(jìn)了酶對(duì)于底物的可及性，使得酶的使用量大大的降低。而后者會(huì)運(yùn)用菌株，該種方式可以有效提高酶的活性。

1.3 開發(fā)戊糖/己糖共發(fā)酵菌株和新的代謝途徑

相比較與國(guó)外，其很注重對(duì)于戊糖發(fā)酵菌株的開發(fā)，運(yùn)用轉(zhuǎn)變基因的技術(shù)手段來(lái)改變釀酒酵母，使得其能夠正常的代謝出戊糖生產(chǎn)乙醇這項(xiàng)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外的研究已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了。在外國(guó)的企業(yè)或者相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)把一些真菌的戊糖代謝的途徑在釀酒酵母菌中得到了很高的活性表達(dá)，從而大大的提高酵母菌的乙醇發(fā)酵特點(diǎn)，而且取得了很大的進(jìn)步。尤其是提高對(duì)水解物中抑制物的耐受性，提高生產(chǎn)強(qiáng)度。隨著戊糖/己糖 共發(fā)酵菌株性能不斷改進(jìn)，共發(fā)酵工藝已成為趨 勢(shì)。美國(guó)加州大學(xué)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6個(gè)碳原子轉(zhuǎn)化為 3個(gè)乙酰輔酶 A 分子，因此不會(huì)因?yàn)槎趸紦p失 2 個(gè)碳原子。這種新的代謝合成途徑解決了乙醇生產(chǎn)過(guò)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(biāo)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(jìng)爭(zhēng)性。

2 工程化遇到的主要問(wèn)題

從纖維素乙醇工程的生產(chǎn)成本來(lái)看，其在生產(chǎn)上的成本還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在的汽油價(jià)格，特別是在制造過(guò)程中的原料成本、酶制劑成本以及在生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的污染處理費(fèi)用都占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中很大的比例?，F(xiàn)在限制我國(guó)纖維素乙醇生產(chǎn)工藝的最主要問(wèn)題有以下幾個(gè)：第一，成產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)槲覀冎涝O(shè)備是生產(chǎn)過(guò)程中的最基礎(chǔ)條件，設(shè)備也是纖維素乙醇工程的基礎(chǔ)，一個(gè)設(shè)備的可依賴性是在生產(chǎn)過(guò)程中的前提。在纖維素乙醇生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備以及各種操作，在非正常情況下會(huì)對(duì)預(yù)處理設(shè)備造成損害，對(duì)于設(shè)備也存在一定的腐蝕性，從而使得預(yù)處理設(shè)備較其它的設(shè)備而言更易受到破壞，在生產(chǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生故障。第二，酶的成本，相關(guān)數(shù)據(jù)表面，在纖維素乙醇工程中，酶的成本問(wèn)題是除了原料成本之外第二大問(wèn)題，由于纖維素酶的活力比其它的淀粉酶的活力低，因而，纖維素乙醇工程中在酶的使用是淀粉乙醇酶的用量幾十倍，另外纖維素乙醇酶的價(jià)格在一定程度上還是高于淀粉酶，這兩點(diǎn)就充分的體現(xiàn)了酶的成本一直偏高。

3 發(fā)展方向探討

隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的不斷發(fā)展，纖維素乙醇裝備技術(shù)也不斷的改變，其裝備已經(jīng)通過(guò)了終極測(cè)試，現(xiàn)在正在經(jīng)歷示范裝置驗(yàn)證的過(guò)程。其主要的技術(shù)是參考了我國(guó)現(xiàn)代的制漿造紙技術(shù)以及傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵設(shè)備在制造上的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于現(xiàn)在的設(shè)備可靠性以及安全性是需要進(jìn)行驗(yàn)證的。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，在以后的應(yīng)用中也需要以纖維素乙醇裝備技術(shù)為基礎(chǔ)，再結(jié)合纖維素乙醇在每個(gè)階段中物料特點(diǎn)，進(jìn)一步的創(chuàng)新來(lái)研究開發(fā)出新的效率高的預(yù)處理裝備，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(shè)備以及同步糖化發(fā)酵設(shè)備，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高酶解和發(fā)酵效率，最終達(dá)到提高發(fā)酵液乙醇的濃度，降低纖維素乙醇成本的目的。

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