大型藻類發(fā)酵燃料乙醇的研究進展

黃伊婷，黃清妹，楊亞會，付寧，田亞紅*

（華北理工大學生命科學學院，河北唐山063210）

大型藻類發(fā)酵燃料乙醇的研究進展

黃伊婷，黃清妹，楊亞會，付寧，田亞紅*

（華北理工大學生命科學學院，河北唐山063210）

大型海藻發(fā)酵燃料乙醇已成為目前生物乙醇研究的前沿熱點，大型海藻具有生長周期短、資源豐富、不與糧爭地等優(yōu)點，發(fā)展前景廣闊。該文綜述了大型藻類發(fā)酵燃料乙醇的預處理方法、水解糖化以及發(fā)酵工藝的研究進展，并對其發(fā)展趨勢進行了展望。利用大型藻類發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇對緩解人類面臨的糧食、能源和環(huán)境三大危機具有重要意義。

大型海藻；發(fā)酵；燃料乙醇；研究進展

隨著化石能源漸趨枯竭和環(huán)境的日益惡化，全球正在共同致力于生物質(zhì)能源的開發(fā)研究。在生物質(zhì)能源中生物乙醇作為一種可再生能源，具有燃燒完全、效率高、無污染等特點，因此被認為是最終能夠替代化石燃料的理想能源之一。目前，我國制備纖維素燃料乙醇主要側(cè)重于秸稈、木薯、甘蔗渣和木屑等陸源原料，而由于這些木質(zhì)素原料預處理成本和纖維素酶生產(chǎn)成本過高，同時缺乏戊糖發(fā)酵菌株，導致原料的乙醇轉(zhuǎn)化率低，至今未能實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。在此背景下，研究者們紛紛將科研重點轉(zhuǎn)移到海洋生物質(zhì)上。大型海藻具有可再生、無污染、不與糧爭地等優(yōu)點，被認為具有潛在前景的第三代能源生物質(zhì)，因此，藻類發(fā)酵燃料乙醇已成為當前研究的熱點。本文綜述了國內(nèi)外利用大型海藻生產(chǎn)發(fā)酵燃料乙醇的研究現(xiàn)狀，并對其未來發(fā)展趨勢進行了展望。通過對大型海藻發(fā)酵燃料乙醇的研究進展進行綜述不僅為利用海帶發(fā)酵生產(chǎn)乙醇提供了重要的技術參考，而且對開辟新海藻生物能源具有深遠的實踐意義。

1 海藻簡介

海藻能源的原料分為微藻和大型海藻兩大類。有些微藻脂肪的含量較多，可在其細胞中積累大量油脂，因此多被研究作為生產(chǎn)生物柴油的原料。大型海藻則指生長在潮間帶或亞潮帶的肉眼可見的海藻，根據(jù)所含色素可大致分為褐藻、綠藻和紅藻三大類。這些不同類型的大型海藻中所含的碳水化合物的種類也不同[1]，不同大型海藻中碳水化合物的組成見表1。

表1 不同大型海藻中碳水化合物的組成Table 1 Compositions of carbohydrate in differentmacroalgae

由表1可知，大型海藻中碳水化合物的含量比較豐富，木質(zhì)素含量很少，容易進行預處理，在生物轉(zhuǎn)化上具有優(yōu)勢。大型海藻生存范圍廣，生長迅速，生產(chǎn)技術成熟，并且不與陸生植物競爭耕地、水源、肥料等生產(chǎn)資源，還可以固定大氣和海水中的二氧化碳，能有效緩解溫室效應和海水酸化的問題，具有良好的環(huán)境效益，因此，大型藻類被認為是一種具有潛在前景的第三代能源生物質(zhì)。

2 大型藻類發(fā)酵燃料乙醇的研究進展

2.1 藻類預處理

藻類預處理的目的是降低纖維素的結(jié)晶度、增大接觸表面，并使纖維素結(jié)構發(fā)生改變。預處理方法大致可分為物理法、化學法、物理化學法和生物法四類，但對于藻類生物質(zhì)預處理研究主要集中在物理法、化學法和物理化學法。

2.1.1 物理法

（1）機械破碎法

機械破碎法是最常見的預處理方法之一。機械破碎有切碎、球磨與錘磨等不同方式，其原理是通過降低海藻生物質(zhì)原料的粒徑，增加其表面積，增加纖維素的水解率。但能耗大、成本高、處理效果較差[2-3]。翁煥新等[4]發(fā)明了一種用海帶提取乙醇的方法，將海帶粉碎蒸煮后加入工業(yè)發(fā)酵酵母提取液進行乙醇的發(fā)酵生產(chǎn)。

（2）高溫熱水法

高溫熱水法是在高溫高壓（溫度＞200℃，壓力大于同溫度下的飽和蒸汽壓）使用液態(tài)水對海藻生物質(zhì)原料進行預處理的方法。其實質(zhì)是利用高溫促使植物纖維素原料中半纖維素水解生成少量醋酸進而催化半纖維素的水解。這一處理過程的優(yōu)點是由于沒有化學物質(zhì)的加入，無污染，并能降低糠醛等發(fā)酵抑制物的生成量。CHOIW Y等[5]用高溫液化（high temperature liquefaction，HTL）來處理大型海藻孔石莼（Ulva pertusa kjellman），結(jié)果發(fā)現(xiàn)在最佳條件下（15MPa、150℃、15m in），葡萄糖和木糖的轉(zhuǎn)化率分別為9.08%和21.14%，并且5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，HMF）的質(zhì)量濃度只有40mg/L，遠遠少于其他的預處理過程。OKUDA K等[6]分別在溫度為423 K和473 K的條件下用熱液處理綠藻（M onostroma nitidum W ittrock）和紅藻（Solieriapacifica），結(jié)果表明綠藻和紅藻的單糖含量分別為0.51 g/g生物質(zhì)和0.62 g/g生物質(zhì)。

（3）高能輻射法

利用高能射線（如電子射線、γ射線）對藻類原料進行預處理，使生物質(zhì)的表面結(jié)構特征發(fā)生變化，降低纖維素的聚合度和結(jié)晶度，有利于酶解[7]。YOONM等[8]研究了不同劑量γ射線對海藻生物質(zhì)進行輻照后再用稀硫酸進行水解，發(fā)現(xiàn)γ輻照會破壞海藻細胞壁結(jié)構，水解液中還原糖的濃度大幅度的提高。由于高能輻射設備投入過大，成本過高，難于規(guī)?；瘧谩?/p>

（4）超聲波處理法

超聲波是一種頻率介于2×104～2×109Hz之間的聲波。廣泛用于細胞的破碎操作中。作用機理是超聲波使液體中產(chǎn)生微氣泡，靠微氣泡的振蕩形成剪切力，這種剪切力強烈的促進大顆粒的破碎，并使與后續(xù)酶促反應的表面積增大[9]。近年來，研究者開始廣泛關注將超聲波預處理運用于藻類生物質(zhì)預處理，ZHOU C等[10]利用超聲來對條斑紫菜（Porphyra yezoensis）中的多糖進行提取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，條斑紫菜的多糖降解率隨著超聲功率和反應溫度的增加而增大，而隨著初始pH的降低而增加。CHOIJA H等[11]研究發(fā)現(xiàn)，長期的聲波降解操作中生物能源（乙醇/氫能）的產(chǎn)量比短期聲波降解法提高7倍多。因此，超聲波預處理是提高海藻乙醇產(chǎn)量及后續(xù)糖化效率行之有效的方法，但其費用高，難工業(yè)化[12]。

2.1.2 化學法

（1）酸處理

根據(jù)使用的酸的濃度不同，可以分為濃酸預處理和稀酸預處理。與濃酸相比，稀酸預處理（主要為無機酸，如硫酸、鹽酸等）應用更為廣泛。FENG D等[13]研究了4種不同的酸：稀H2SO4、稀HCl、稀H3PO4和C4H4O4對滸苔預處理的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在同等條件下，稀硫酸的處理效果最好。張維特等[14]確定了水解綠潮藻生物質(zhì)最佳條件為溫度90℃、時間70 m in、硫酸體積分數(shù)5%、料水比4.5∶100（g∶m L）。PARK JH等[15]用一種連續(xù)稀硫酸水解方法來處理一種紅藻石花菜（Gelidium amansii），結(jié)果發(fā)現(xiàn)低熔點的瓊脂能有效促進海藻生物質(zhì)的流動，進而提高了反應液中糖的濃度。BAEY J等[16]將裙帶菜、昆布、紫菜進行酸洗滌的預處理后，發(fā)現(xiàn)海藻中的灰分含量有效的降低了。以上研究表明，酸預處理已發(fā)展成熟，并且具有工藝簡單、價格低等優(yōu)點，但酸處理條件比較苛刻，處理過程中的降解產(chǎn)物對生物質(zhì)發(fā)酵有抑制作用，另外，酸處理的時間也比較長[17]。

（2）堿處理

常用堿液包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨等。堿液處理的機理是皂化木聚糖和半纖維素之間交聯(lián)的酯鍵。其優(yōu)點為發(fā)酵抑制物的生成量較少、生產(chǎn)成本低且易于操作[18-20]。堿液處理廣泛的用于木質(zhì)纖維素的預處理中，但由于海藻不含木質(zhì)素或含量極少，故堿液預處理很少采用。HARUN R等[21]用NaOH來處理一種綠藻（Chlorococcum infusionum），在NaOH含量為0.75%條件下120℃處理30m in時，生成葡萄糖的最高質(zhì)量分數(shù)為350mg/g。然而ESHAQ FS等[22]則發(fā)現(xiàn)堿液不適合處理水綿屬的綠藻（Spirogyra），因為這種藻的碳水化合物主要是由纖維素和淀粉組成的，堿液對淀粉的水解效率很低，導致最終經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇的含量很少。

2.1.3 物理化學法

（1）蒸汽爆破法

蒸汽爆破是一種物理化學操作，生物質(zhì)原料在160～260℃蒸汽中高壓驟降至常壓，使生物質(zhì)爆炸性分解。該方法優(yōu)點是能破壞纖維原料結(jié)構、增加比表面積、酶解效率高、無污染。其缺點為設備要求較高、能耗較大、生成糠醛等發(fā)酵抑制物[23-24]。VIOLA E等[25]研究了蒸汽爆破對大葉藻（Zosteramarina）和石莼（Ulva armoricana）處理后產(chǎn)生乙醇和甲烷的效果影響，結(jié)果表明，海藻表面發(fā)生了顯著變化，其細胞表面結(jié)構發(fā)生了嚴重的破壞，進而提高了酶的水解效率。李德茂等[26]發(fā)明公開了一種利用蒸汽爆破法預處理海藻發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇的方法，先將海藻用酸液進行預處理后再用機械破碎方法將海藻粉碎并與水混合，隨后用蒸汽爆破機對海藻原料進行爆破，接著進行酶解糖化和乙醇的發(fā)酵生產(chǎn)。

（2）CO2爆破法

CO2爆破法是指在高溫高壓下使固體原料和CO2反應，一段時間后壓力驟降，造成纖維素晶體的爆裂。木質(zhì)纖維的水解率較高，但爆破效果差、成本高[27-28]，因此近年來鮮為報道。

2.2 藻類水解糖化工藝

藻類生物質(zhì)中的纖維素經(jīng)過水解糖化后產(chǎn)生的單糖可進行發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，水解糖化效率直接影響整個轉(zhuǎn)化工藝的效率和乙醇產(chǎn)量。目前較有效的糖化工藝有酸法水解和酶水解。

（1）稀酸水解糖化

稀酸水解過程酸的含量大約為2%～5%，需要高溫（160℃）和高壓（1MPa）。其作用原理是藻類生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素分子是由β-1,4糖苷鍵組成的高分子化合物，在一定氫離子濃度、溫度和時間的作用下會持續(xù)降解，直至分解成單糖類物質(zhì)。其優(yōu)點為反應速率較快，糖的得率在90%左右，技術成熟。但設備腐蝕嚴重，需要耐酸耐壓設備，環(huán)境污染較大，水解的同時會產(chǎn)生一些抑制生物生長的副產(chǎn)物，如糖醛、酚類物質(zhì)等，不利于后續(xù)的乙醇發(fā)酵。JANG SS等[29]研究發(fā)現(xiàn)利用酸可以有效水解大型海藻成單糖；JEONG T S等[30]用酸處理海帶將其糖化，糖化液中接種釀酒酵母進行酒精發(fā)酵，酵母可利用糖轉(zhuǎn)化率和乙醇轉(zhuǎn)化率均可達到預期效果。由此可見，稀酸法在作為一種理想的預處理方法的同時，也是一種有效的水解糖化方法。

（2）酶水解糖化

酶水解是利用微生物分泌的纖維素酶將纖維素水解為葡萄糖等單糖的過程。酶水解具有選擇性高，葡萄糖收率高，且水解生成的糖不會進一步分解，所用設備簡單，無需耐酸、耐壓、耐熱等優(yōu)點。但酶水解法也存在著缺點：如酶水解工藝對原料的要求較高，原料需先進行預處理；酶的生產(chǎn)成本高，需加強其重復利用；酶水解的反應時間長；酶水解效果易受各種因素的干擾等，因此，水解糖化過程通常將酸法和酶法結(jié)合起來，利用酸對原料進行預處理，打開木質(zhì)纖維結(jié)構，可大大提升后續(xù)酶水解效率。LEE JY等[31]利用0.06%的稀酸在170℃條件下處理海帶15m in，再經(jīng)β-葡糖苷酶水解后，水解液中的葡萄糖含量達29.09%，是未處理的4倍。若在酸處理后同時加入纖維素酶、β-葡糖苷酶和酵母菌（Saccharomycescerevisiae）DK 410362進行同步糖化發(fā)酵，最終可獲得6.65g/L的乙醇產(chǎn)量。LEES等[32]用稀酸水解和酶水解聯(lián)合處理裙帶菜，但糖化得率較低，僅有0.013 g葡萄糖/g裙帶菜。吳信等[33]研究了海帶渣中多糖的水解，最佳水解方案為超高壓酸解-酶解聯(lián)合水解，在最優(yōu)工藝條件下海帶渣多糖的水解率可高85.16%。KIM N J等[34]研究發(fā)現(xiàn)用酸和商業(yè)化酶水解海帶后，水解液含有30.5%的甘露醇和6.98%的葡萄糖。牟海津等[35]發(fā)明了以海藻加工廢棄物為原料的生物乙醇的制備方法，將海藻加工廢棄物進行酸或堿處理后再加入纖維素酶和纖維二糖酶進行復合酶解，再進行乙醇發(fā)酵。美國國家能源部可再生能源實驗室（national renewableenergy laboratory，NREL）以及日本新能源產(chǎn)業(yè)的技術綜合開發(fā)機構（new energy and industrial technology developmentorganization，NEDO）工藝中均采酶解法。總之，采用不同的水解制糖工藝各有其優(yōu)缺點，而酸酶結(jié)合法可以互補不足，因此得到了更為普遍的認可與推崇，是生產(chǎn)中常見的糖化方法。

2.3 藻類發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇工藝

常見的海藻燃料乙醇的發(fā)酵工藝主要有分步糖化發(fā)酵法（separatehydrolysisand fermentation，SHF）、同步發(fā)酵糖化法（simultaneoussaccharificationand fermentation，SSF）和同步糖化共發(fā)酵（simultaneoussaccharification and cofermentation，SSCF）。

（1）分步糖化法（SHF法）

分步糖化法是一種比較傳統(tǒng)成熟的制取生物乙醇的方法。分步糖化發(fā)酵是將纖維素糖化和后續(xù)的乙醇分步進行，其優(yōu)點是糖化和發(fā)酵都可在各自最佳的條件下進行。其優(yōu)點是設備簡單、成本低廉、原料轉(zhuǎn)化率較高，但乙醇產(chǎn)率不高，產(chǎn)生有機酸等副產(chǎn)物。

（2）同步糖化發(fā)酵（SSF法）

同步糖化發(fā)酵法是將纖維素酶的水解反應與乙醇發(fā)酵過程放置于同一個反應器中同時進行。此過程中纖維素酶水解藻類物質(zhì)產(chǎn)生的葡萄糖能迅速被發(fā)酵微生物所利用，故纖維二糖和葡萄糖等底物的濃度很低，高濃度的纖維二糖和葡萄糖對纖維素酶的反饋抑制作用可以解除[36]，在工藝上采用一步發(fā)酵法，降低了設備投資，縮短了總生產(chǎn)時間，提高了乙醇產(chǎn)量。但是同步糖化發(fā)酵法也存在一些不利因素：如纖維素酶的酶解過程與乙醇發(fā)酵過程最佳溫度不一致，可能會降低纖維素酶的酶解效率。

（3）同步糖化共發(fā)酵工藝（SSCF）

同步糖化共發(fā)酵，即將海藻原料酶解、己糖發(fā)酵和戊糖發(fā)酵同時進行，可采用混菌發(fā)酵或木糖代謝工程菌進行。同步糖化共發(fā)酵在同步糖化發(fā)酵的基礎上，進一步簡化了設備，縮短了發(fā)酵周期，同時能夠有效利用傳統(tǒng)酵母無法利用的五碳糖，因而對該工藝的研究日趨增多。PERALTARUIZR Y等[37]利用Aspen Plus7.1軟件來模擬海藻乙醇發(fā)酵工藝，模擬結(jié)果表明，SSCF工藝乙醇產(chǎn)量最大，為23.6%，SSF和SHF工藝乙醇產(chǎn)量分別為20.1%和18.5%。該法推廣的關鍵在于開發(fā)能同時進行五碳糖和六碳糖發(fā)酵的高效的生物菌種。

此外，許多研究團隊也對大型海藻發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇技術進行了研究，表2列舉了目前一些團隊的研究成果?？傮w來看，由于選用的海藻種類、預處理方式、水解糖化以及發(fā)酵方式等的不同，乙醇收率差別較大。

表2 不同大型海藻發(fā)酵乙醇的結(jié)果Table 2 Results of ethanol fermentation by differentmacroalgae

3 發(fā)展趨勢

當前及今后的藻類燃料乙醇的研究將集中在：①獲得低成本的海藻生物質(zhì)原料，建立產(chǎn)能海藻栽培和采收技術，采用分子生物學的原理改良藻種，提高海藻產(chǎn)能特質(zhì)；②研發(fā)高效低成本海藻預處理技術；③篩選海藻多糖降解微生物，將組成復雜的生物質(zhì)高效地降解；④為避免其反饋抑制，選育高耐受乙醇的微生物菌株，明確發(fā)酵菌株乙醇代謝的機理，提高乙醇轉(zhuǎn)化率。⑤確定最佳海藻乙醇發(fā)酵工藝，優(yōu)化發(fā)酵條件如發(fā)酵時間、料液比、接種量，發(fā)酵溫度、pH等。另外，研究海藻燃料乙醇副產(chǎn)品的加工技術，也將是未來海藻燃料乙醇發(fā)展的方向。

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Research progresson fuelethanol fermentation from macroalgae

HUANG Yiting,HUANGQingmei,YANG Yahui,FU Ning,TIAN Yahong*
(North China University ofScience and Technology,College ofLife Science,Tangshan 063210,China)

The fuelethanol fermentation w ithmacroalgae has become a current research hotspot,themacroalgae hasmany advantages such as short vegetative cycle,abundant resource,no contestw ith grains,and ithasw ide developmentprospects.The progressof pretreatment,hydrolytic saccharification and fermentation process ofmacroalgae fermented fuel ethanolwas reviewed and the prospectof its developmentwas given in this paper. The production of fuelethanolbymacroalgae fermentation is important to the threemajor crisesofhuman food,energy and environment.

macroalgae;fermentation;fuelethanol;research progress

TS216.2

0254-5071（2017）08-0026-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.08.006

2017-03-22

華北理工大學大學生創(chuàng)新項目（X2016263）

黃伊婷（1996-），女，本科生，研究方向為發(fā)酵工藝優(yōu)化。

*通訊作者：田亞紅（1979-），女，講師，碩士，研究方向為發(fā)酵工藝優(yōu)化。