纤维素乙醇的生产工艺及其应用前景

彭静静

摘要：地球上纤维素原料丰富，又是可再生资源，利用纤维素酶水解纤维素获得乙醇是发展新能源的重要途径，具有很大的潜力。在阐述我国发展纤维素乙醇必要性的基础上，本文综述了纤维素乙醇原料预处理、水解、发酵、精馏脱水及废醪液处理等生产单元。同时，产业发展正处于工业化初期，面临能耗物耗高、废水处理难度大等难题。在此基础上，针对国内外纤维素乙醇的研究开发历程与最新进展，进一步分析了影响纤维素乙醇产业化发展的因素以及纤维素乙醇产业化发展的趋势。

关键词：纤维素原料；纤维素酶；预处理；水解；发酵；生物能源乙醇；精馏和脱水；产业化

中图分类号：S216.2 文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）07-0020-03

长期以来我国能源生产以煤炭、石油、天然气等化石能源为主，不仅消耗了大量的自然资源，而且对环境造成了严重污染。根据国家统计局发布的中国统计年鉴的数据显示，2003年能源生产总量为1.7亿t标准煤，2012年为3.3亿t标准煤，增幅达93%，我国迫切需要一种可再生能源来代替化石能源。在美国、巴西及欧洲已形成新的可再生能源-燃料乙醇产业。随着粮食价格的不断上涨，土地资源日益紧张，以粮食为原料的生物液体燃料技术发展前景并不乐观。而木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，发展纤维素生物乙醇成为我国和其他能源发达国家的必然选择[1-2]。

木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，以其作为原料生产生物乙醇是最具发展前景的生产路线，利用现代化生物技术手段开发以纤维素为原料的生物能源，已成为当今世界发达国家能源战略的重要内容。

1纤维素乙醇主要技术路线

纤维素乙醇的工艺技术路线主要包括预处理、水解、发酵、蒸馏脱水等几大环节。其中关键步骤是酶水解，该过程具有反应条件温和、过程可操纵性、对环境友好等优点。

1.1纤维素原料的预处理方法

目前，纤维素原料的预处理方法可分为物理法、化学法、物理化学相结合法以及生物法等。

1.1.1物理法常见的物理法预处理技术包括机械粉碎法、高温热水处理法、微波辐射、射线处理等等，该类处理方法操作简单，无环境污染，但需要较高的动力，其耗能约占糖化总过程耗能的60%以上。

机械粉碎法：用振动磨等物理外力将纤维素原料进行粉碎处理，可以破坏木质素和半纤维素与纤维素之间的结合层，但是木质素仍然会被保留，其结果降低三者的聚合度，改变纤维素的结晶构造。该处理方法可提高反应性能和提高糖化率，保证酶解过程中纤维素酶或木质素酶发挥作用。

高温热水处理法：即酸催化的自水解反应，原理就是在高温（200 ℃以上）且压力高于同温度下饱和蒸汽压时，使用高温液态水去除部分木质素及全部半纤维素，但高温作用会使产物有所损失，并产生一些有机酸等次级代谢产物抑制酶解与发酵过程。按照水与底物的进料顺序不同，可分为以下3种，即流动水注入、水与物料相对进料及两者平行进料，这3种方式都是利用沸水的高介电常数去溶解所有的半纤维素和1/3～2/3的木质素，但反应需要的pH值要求较高，一般控制在4～7之间，来减少副作用[3-5]。

1.1.2化学法稀酸预处理和浓酸预处理：浓酸具有腐蚀性，生产过后需要回收，因此大大增加了成本，所以稀酸水解应用的范围广，稀酸水解一般是在高温高压下进行，稀酸能够断裂纤维素内部的氢键，使得纤维素易水解且提高木聚糖到木糖的转化率，虽然该方法较其他方法比较而言有很高的转化率[6]，但是据Selig等研究表示，在高温条件下（如140 ℃处理时），在纤维素表面可能会形成一些木质素与碳水化合物复合物形成的球状液滴[7]。

碱预处理技术：该方法原理是破坏木质素和碳水化合物之间的连接，破坏生物质的结晶区，使木质素溶于碱液从而促进水解的进行。常用的碱包括Ca（OH）2和氨水等。Chen等采用价格便宜的Ca（OH）2处理TK-9芒草秸秆半纤维素，其水解率大于59.8%，木质素的去除率为40.1%[8]。Kim等发现利用NH4OH、在60 ℃條件下、采用1 ∶7的料液比处理废弃秸秆9 h可以去除70%～80%的木质素，若酶用量充足，可以将所有的纤维素水解掉[9]。

1.1.3物理化学方法氨冷冻爆破法：类似于蒸汽爆破法，其区别之处在于氨处理对设备的要求和所需的能耗降低，在蒸煮的过程中加入氨，同时还要注意氨的有效回收，其原理是液氨在50～80 ℃、1.5 MPa条件下，采用物理方法，将压力骤降，使液氨蒸发，使木质素晶体爆裂，破坏木质素与糖类的连接，脱去部分木质素，使得木质素的结构得以破坏，增加纤维素表面积和酶解的可及度。随后向系统加入固液混合物，经过蒸发的氨通过压缩可以得到有效回收。Alizadeh等采用柳枝为原料，将葡聚糖的转化率从20%提高到90%，木质纤维素原料的酶解速率得到较大提高，另外该方法避免了酶的降解，无干扰抑制物的产生，因此处理过后无需处理[10]。

1.1.4生物方法自然界中有多种能够分解木质素的微生物，其中分解能力最强的是木腐菌，包括3种：百腐菌、软腐菌、褐腐菌。百腐菌能分泌胞外氧化酶包括漆酶、过氧化酶、锰过氧化酶等，因此百腐菌是自然界最主要的木质素降解菌，这些木质素降解酶能有效、彻底地将木质素降解成为水和二氧化碳。

1.2发酵酶解

发酵酶解技术是木质素生产纤维素乙醇技术的关键，国内研究人员经过多年的探索，取得了较好的进展，如生产成本下降，生产工艺流程简化。酶解发酵主要将五碳糖或六碳糖经过微生物发酵同时转化为乙醇。利用木质纤维素原料生物转化乙醇主要有4种途径：分步水解和发酵（SHF）、同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）和直接微生物转化（DMC）[11]。

1.2.1分步水解和发酵（SHF）分步水解和发酵的原理是，2个过程独立进行，其优点就是各步能在各自适宜的温度下（50～55 ℃酶解，35～340 ℃发酵）进行，有利于反应完全，纤维素酶首先将纤维素原料水解，再将得到的C5或C6分别发酵生产乙醇，也可共发酵产乙醇，该途径最大的缺点就是酶解过程中的水解产物积累会抑制酶的活性，导致水解不彻底。世界上第一座纤维素乙醇示范装置是加拿大Iogen公司于2004年在渥太华建立的，该公司以纤维素为原料利用SHF工艺，固液分离水解糖，利用工程菌生产乙醇，产能1 800 t/年。瑞典的O-Vik公司以木屑为原料采用SHF工艺建立的乙醇厂，成本只有0.46欧元[12]。美国的Verenium则以甘蔗渣为原料，采用稀酸水解，采用基因工程大肠杆菌发酵生产乙醇，1 t 干生物质年产100加仑乙醇[13]。

1.2.2同步糖化发酵（SSF）同步糖化和发酵，即在同一个反应容器里，纤维素酶解与葡萄糖的乙醇发酵同时进行，微生物能直接利用酶解产生的糖，这样避免了对纤维素酶的反馈抑制作用，SSF是目前生产乙醇最主要的方式，国内外的中试装置上基本都采用此方法，主要代表就是瑞典Lund大学，采用木屑为原料，利用工程酵母发酵，其原料转化率可达90%，提高乙醇产量。在生产过程中，原料在经过预处理之后，加入纤维素酶和酵母共发酵，不能被酶解的木质素则被分离出来，通过再利用提供能量，通过乙醇蒸馏工艺进行回收。

1.2.3同步糖化共发酵（SSCF）SSCF法是SSF法的改进，最主要的优势在于对戊糖的利用。半纤维素中含有丰富的戊糖，如木聚糖、阿拉伯聚糖，在SSF法中大量戊糖并未能转化成乙醇；如果在发酵过程中接种能够将戊糖转化为乙醇的微生物，将大大提高发酵液中最终乙醇含量。Su等研究发现，利用重组的Zymomonas mobilis发酵玉米秸秆，在SSCF法中，当葡萄糖存在时，缩短了木糖的发酵时间；但葡萄糖与木糖会竞争相同的膜转运蛋白，而且蛋白优先转运葡萄糖，在培养基中葡萄糖含量降低到一定程度后，菌种才开始利用木糖进行发酵[14]。现阶段SSCF法采用混合菌种发酵居多，在下一步研究过程中，应开发能够同时利用戊糖和己糖发酵产乙醇的新菌种[1-2]。

1.2.4直接微生物转化（DMC）直接微生物转化又称为统合生物工艺，即原料中木质纤维素成分通过某些能够产生纤维素酶的微生物群生产乙醇的工艺，同时该微生物还能利用发酵糖生产乙醇，这就要求该种微生物同时具有以下3个步骤：产纤维素酶、酶解纤维素、发酵产乙醇。目前，研究最多的就是粗糙脉孢菌和尖镰孢菌这2种真菌，该菌有独立的纤维素酶生产，在有氧和半通氧2种状态下，分别产水解后的底物和发酵糖为乙醇，方法简便，和普遍使用的SSF相比，无需额外酶的加入，能够同时利用五碳糖或六碳糖，具有很广的应用前景。Mascoma公司利用酵母和细菌共同完成产生纤维素酶和发酵产乙醇的工艺步骤，酶生产单元大大减少，在中试装置上使用该技术，降低了成本，减少了费用[15]。

1.3精馏和脱水技术

精馏和脱水技术主要是提纯产物乙醇，其工艺类似于淀粉燃料乙醇的生产过程。精馏和脱水技术可以借鉴淀粉质原料燃料乙醇生产工艺中已经发展成熟的工业化技术，木质纤维素类原料发酵液中乙醇浓度比较低，一般情况下均在5%以下，致使精馏操作能耗高。有研究者建议，在木质纤维素水解液乙醇发酵工艺中耦合渗透蒸发技术来提高进入精馏系统发酵液中乙醇浓度，但是渗透蒸发系统本身的动力消耗也比较大，而且渗透蒸发所用的透醇膜容易被菌体污染的问题也很突出。

2纤维素乙醇发展展望

2.1纤维素乙醇产业化发展的局限

目前，木质纤维素类生物质制备生物乙醇因其在生产、能耗和政策支持3个方面存在问题[16]，不能实现大范围的工业化生产。生产技术方面存在工艺流程和预处理技术2个方面的限制，能源利用率存在成本和产出之比高低问题，以及存在政府是否颁布相应的支持条例的问题。

首先，从原料上来看，木质纤维素由于自身坚固[17]的细胞壁结构和难以水解的结晶纤维素，使得生产燃料乙醇需要较高[18]的成本费用，其次，从生产工艺流程来看，制备燃料乙醇要经过预处理、酶解、发酵等过程，在预处理过程中，不同的处理方法针对不同的原料有不同的处理效果，虽然对燃料乙醇提供了有力的支持，但是也存在不同程度的局限之处[19]。在水解和发酵方面，一般采用的技术工艺是分步水解和发酵（SHF）、同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）和直接微生物转化（DMC）。分步水解和发酵的反应特点是纤维素水解和水解液发酵可以在不同的反应容器中进行，所以两者可以选择适宜条件。其缺点在于，水解产物糖对纤维素酶有反馈抑制作用，使水解不完全，同时在转移产物过程中，由于在不同容器中进行，易造成微生物污染[20-21]。

而SSF则与此相反，在酶水解糖化纤维素的同时加入能产生乙醇的纤维素发酵菌，使两者在同一装置中连续进行，工艺大大简化，又能消除底物葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用。但是也存在局限因素，如木糖的抑制作用、酶解温度和发酵温度不一致等。研究最多的假丝酵母菌、管囊酵母菌能够将木糖转化为乙醇，解决此难题。同步糖化共发酵（SSCF）是由该方法衍生出的新工艺，同样具有广阔应用前景。中国科学院生化工程国家重点实验室陈洪章等在了解了SSF法之后，提出秸秆分层多级转化液体燃料的新构想，在秸秆不经过添加化学药品的低压爆破处理之后，采用发酵-分离乙醇耦合系统，多级转化燃料乙醇和生物油，降低成本费用和酶的用量，简化生产工艺，提高酶解效率[22]。

2.2纤维素乙醇产业化发展的趋势

目前，国外纖维素乙醇产业化研究正进入一个关键时期，中国在这方面也有很好的基础，为了更快地实现产业化，应当吸取国外石油化工的实践经验，坚持生物精炼和乙醇联产的创新模式，促使纤维素乙醇实现产业化。该模式即实现原料的充分利用和产品价值最大化，就是所谓的“吃干榨净”，具体含义指利用玉米生产燃料乙醇，还能生产相关产品，如玉米油、高果糖浆、蛋白粉、蛋白饲料和其他系列产品，这样既提升了纤维素乙醇经济附加值，又能取得良好的经济和社会效益，一举两得。

燃料乙醇将很快进入全球的成品油市场，在替代汽油供应方面发挥不可替代的作用。在未来几年，随着中国对石油进口依赖度加深，扩大国内燃料乙醇产能已经成为必需。但是由于粮食生产乙醇的工艺不适合我国采用，因此，纤维素乙醇研究已经成为目前研究工作的重点。纤维素乙醇研究工作涉及物理、生物工程、化学等多个领域，为了早日实现纤维素乙醇产业化，应当提出相应的发展战略，首先，应该制定生物质能源产业的国家和地方的发展战略，政府应采取鼓励政策继续加大科研资金投入；其次，利用己糖发酵菌种的构建及木质纤维原料生物量全利用等方面来提升纤维素乙醇的经济效益：最后，要建立工业示范装置，为纤维素乙醇产业发展提供实践经验[23]。纤维素乙醇作为主要的生物能源，应加快以纤维素乙醇为核心的综合技术的开发，整合多方力量，实现优势互补，使其在我国能源结构转变中发挥重要的作用。

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