大型藻类发酵燃料乙醇的研究进展

黄伊婷，黄清妹，杨亚会，付宁，田亚红*

（华北理工大学生命科学学院，河北唐山063210）

大型藻类发酵燃料乙醇的研究进展

黄伊婷，黄清妹，杨亚会，付宁，田亚红*

（华北理工大学生命科学学院，河北唐山063210）

大型海藻发酵燃料乙醇已成为目前生物乙醇研究的前沿热点，大型海藻具有生长周期短、资源丰富、不与粮争地等优点，发展前景广阔。该文综述了大型藻类发酵燃料乙醇的预处理方法、水解糖化以及发酵工艺的研究进展，并对其发展趋势进行了展望。利用大型藻类发酵生产燃料乙醇对缓解人类面临的粮食、能源和环境三大危机具有重要意义。

大型海藻；发酵；燃料乙醇；研究进展

随着化石能源渐趋枯竭和环境的日益恶化，全球正在共同致力于生物质能源的开发研究。在生物质能源中生物乙醇作为一种可再生能源，具有燃烧完全、效率高、无污染等特点，因此被认为是最终能够替代化石燃料的理想能源之一。目前，我国制备纤维素燃料乙醇主要侧重于秸秆、木薯、甘蔗渣和木屑等陆源原料，而由于这些木质素原料预处理成本和纤维素酶生产成本过高，同时缺乏戊糖发酵菌株，导致原料的乙醇转化率低，至今未能实现商业化生产。在此背景下，研究者们纷纷将科研重点转移到海洋生物质上。大型海藻具有可再生、无污染、不与粮争地等优点，被认为具有潜在前景的第三代能源生物质，因此，藻类发酵燃料乙醇已成为当前研究的热点。本文综述了国内外利用大型海藻生产发酵燃料乙醇的研究现状，并对其未来发展趋势进行了展望。通过对大型海藻发酵燃料乙醇的研究进展进行综述不仅为利用海带发酵生产乙醇提供了重要的技术参考，而且对开辟新海藻生物能源具有深远的实践意义。

1 海藻简介

海藻能源的原料分为微藻和大型海藻两大类。有些微藻脂肪的含量较多，可在其细胞中积累大量油脂，因此多被研究作为生产生物柴油的原料。大型海藻则指生长在潮间带或亚潮带的肉眼可见的海藻，根据所含色素可大致分为褐藻、绿藻和红藻三大类。这些不同类型的大型海藻中所含的碳水化合物的种类也不同[1]，不同大型海藻中碳水化合物的组成见表1。

表1 不同大型海藻中碳水化合物的组成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较丰富，木质素含量很少，容易进行预处理，在生物转化上具有优势。大型海藻生存范围广，生长迅速，生产技术成熟，并且不与陆生植物竞争耕地、水源、肥料等生产资源，还可以固定大气和海水中的二氧化碳，能有效缓解温室效应和海水酸化的问题，具有良好的环境效益，因此，大型藻类被认为是一种具有潜在前景的第三代能源生物质。

2 大型藻类发酵燃料乙醇的研究进展

2.1 藻类预处理

藻类预处理的目的是降低纤维素的结晶度、增大接触表面，并使纤维素结构发生改变。预处理方法大致可分为物理法、化学法、物理化学法和生物法四类，但对于藻类生物质预处理研究主要集中在物理法、化学法和物理化学法。

2.1.1 物理法

（1）机械破碎法

机械破碎法是最常见的预处理方法之一。机械破碎有切碎、球磨与锤磨等不同方式，其原理是通过降低海藻生物质原料的粒径，增加其表面积，增加纤维素的水解率。但能耗大、成本高、处理效果较差[2-3]。翁焕新等[4]发明了一种用海带提取乙醇的方法，将海带粉碎蒸煮后加入工业发酵酵母提取液进行乙醇的发酵生产。

（2）高温热水法

高温热水法是在高温高压（温度＞200℃，压力大于同温度下的饱和蒸汽压）使用液态水对海藻生物质原料进行预处理的方法。其实质是利用高温促使植物纤维素原料中半纤维素水解生成少量醋酸进而催化半纤维素的水解。这一处理过程的优点是由于没有化学物质的加入，无污染，并能降低糠醛等发酵抑制物的生成量。CHOIW Y等[5]用高温液化（high temperature liquefaction，HTL）来处理大型海藻孔石莼（Ulva pertusa kjellman），结果发现在最佳条件下（15MPa、150℃、15m in），葡萄糖和木糖的转化率分别为9.08%和21.14%，并且5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，HMF）的质量浓度只有40mg/L，远远少于其他的预处理过程。OKUDA K等[6]分别在温度为423 K和473 K的条件下用热液处理绿藻（M onostroma nitidum W ittrock）和红藻（Solieriapacifica），结果表明绿藻和红藻的单糖含量分别为0.51 g/g生物质和0.62 g/g生物质。

（3）高能辐射法

利用高能射线（如电子射线、γ射线）对藻类原料进行预处理，使生物质的表面结构特征发生变化，降低纤维素的聚合度和结晶度，有利于酶解[7]。YOONM等[8]研究了不同剂量γ射线对海藻生物质进行辐照后再用稀硫酸进行水解，发现γ辐照会破坏海藻细胞壁结构，水解液中还原糖的浓度大幅度的提高。由于高能辐射设备投入过大，成本过高，难于规模化应用。

（4）超声波处理法

超声波是一种频率介于2×104～2×109Hz之间的声波。广泛用于细胞的破碎操作中。作用机理是超声波使液体中产生微气泡，靠微气泡的振荡形成剪切力，这种剪切力强烈的促进大颗粒的破碎，并使与后续酶促反应的表面积增大[9]。近年来，研究者开始广泛关注将超声波预处理运用于藻类生物质预处理，ZHOU C等[10]利用超声来对条斑紫菜（Porphyra yezoensis）中的多糖进行提取，结果发现，条斑紫菜的多糖降解率随着超声功率和反应温度的增加而增大，而随着初始pH的降低而增加。CHOIJA H等[11]研究发现，长期的声波降解操作中生物能源（乙醇/氢能）的产量比短期声波降解法提高7倍多。因此，超声波预处理是提高海藻乙醇产量及后续糖化效率行之有效的方法，但其费用高，难工业化[12]。

2.1.2 化学法

（1）酸处理

根据使用的酸的浓度不同，可以分为浓酸预处理和稀酸预处理。与浓酸相比，稀酸预处理（主要为无机酸，如硫酸、盐酸等）应用更为广泛。FENG D等[13]研究了4种不同的酸：稀H2SO4、稀HCl、稀H3PO4和C4H4O4对浒苔预处理的影响，结果发现在同等条件下，稀硫酸的处理效果最好。张维特等[14]确定了水解绿潮藻生物质最佳条件为温度90℃、时间70 m in、硫酸体积分数5%、料水比4.5∶100（g∶m L）。PARK JH等[15]用一种连续稀硫酸水解方法来处理一种红藻石花菜（Gelidium amansii），结果发现低熔点的琼脂能有效促进海藻生物质的流动，进而提高了反应液中糖的浓度。BAEY J等[16]将裙带菜、昆布、紫菜进行酸洗涤的预处理后，发现海藻中的灰分含量有效的降低了。以上研究表明，酸预处理已发展成熟，并且具有工艺简单、价格低等优点，但酸处理条件比较苛刻，处理过程中的降解产物对生物质发酵有抑制作用，另外，酸处理的时间也比较长[17]。

（2）碱处理

常用碱液包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨等。碱液处理的机理是皂化木聚糖和半纤维素之间交联的酯键。其优点为发酵抑制物的生成量较少、生产成本低且易于操作[18-20]。碱液处理广泛的用于木质纤维素的预处理中，但由于海藻不含木质素或含量极少，故碱液预处理很少采用。HARUN R等[21]用NaOH来处理一种绿藻（Chlorococcum infusionum），在NaOH含量为0.75%条件下120℃处理30m in时，生成葡萄糖的最高质量分数为350mg/g。然而ESHAQ FS等[22]则发现碱液不适合处理水绵属的绿藻（Spirogyra），因为这种藻的碳水化合物主要是由纤维素和淀粉组成的，碱液对淀粉的水解效率很低，导致最终经发酵产生的乙醇的含量很少。

2.1.3 物理化学法

（1）蒸汽爆破法

蒸汽爆破是一种物理化学操作，生物质原料在160～260℃蒸汽中高压骤降至常压，使生物质爆炸性分解。该方法优点是能破坏纤维原料结构、增加比表面积、酶解效率高、无污染。其缺点为设备要求较高、能耗较大、生成糠醛等发酵抑制物[23-24]。VIOLA E等[25]研究了蒸汽爆破对大叶藻（Zosteramarina）和石莼（Ulva armoricana）处理后产生乙醇和甲烷的效果影响，结果表明，海藻表面发生了显著变化，其细胞表面结构发生了严重的破坏，进而提高了酶的水解效率。李德茂等[26]发明公开了一种利用蒸汽爆破法预处理海藻发酵产燃料乙醇的方法，先将海藻用酸液进行预处理后再用机械破碎方法将海藻粉碎并与水混合，随后用蒸汽爆破机对海藻原料进行爆破，接着进行酶解糖化和乙醇的发酵生产。

（2）CO2爆破法

CO2爆破法是指在高温高压下使固体原料和CO2反应，一段时间后压力骤降，造成纤维素晶体的爆裂。木质纤维的水解率较高，但爆破效果差、成本高[27-28]，因此近年来鲜为报道。

2.2 藻类水解糖化工艺

藻类生物质中的纤维素经过水解糖化后产生的单糖可进行发酵生产乙醇，水解糖化效率直接影响整个转化工艺的效率和乙醇产量。目前较有效的糖化工艺有酸法水解和酶水解。

（1）稀酸水解糖化

稀酸水解过程酸的含量大约为2%～5%，需要高温（160℃）和高压（1MPa）。其作用原理是藻类生物质中的纤维素、半纤维素分子是由β-1,4糖苷键组成的高分子化合物，在一定氢离子浓度、温度和时间的作用下会持续降解，直至分解成单糖类物质。其优点为反应速率较快，糖的得率在90%左右，技术成熟。但设备腐蚀严重，需要耐酸耐压设备，环境污染较大，水解的同时会产生一些抑制生物生长的副产物，如糖醛、酚类物质等，不利于后续的乙醇发酵。JANG SS等[29]研究发现利用酸可以有效水解大型海藻成单糖；JEONG T S等[30]用酸处理海带将其糖化，糖化液中接种酿酒酵母进行酒精发酵，酵母可利用糖转化率和乙醇转化率均可达到预期效果。由此可见，稀酸法在作为一种理想的预处理方法的同时，也是一种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纤维素酶将纤维素水解为葡萄糖等单糖的过程。酶水解具有选择性高，葡萄糖收率高，且水解生成的糖不会进一步分解，所用设备简单，无需耐酸、耐压、耐热等优点。但酶水解法也存在着缺点：如酶水解工艺对原料的要求较高，原料需先进行预处理；酶的生产成本高，需加强其重复利用；酶水解的反应时间长；酶水解效果易受各种因素的干扰等，因此，水解糖化过程通常将酸法和酶法结合起来，利用酸对原料进行预处理，打开木质纤维结构，可大大提升后续酶水解效率。LEE JY等[31]利用0.06%的稀酸在170℃条件下处理海带15m in，再经β-葡糖苷酶水解后，水解液中的葡萄糖含量达29.09%，是未处理的4倍。若在酸处理后同时加入纤维素酶、β-葡糖苷酶和酵母菌（Saccharomycescerevisiae）DK 410362进行同步糖化发酵，最终可获得6.65g/L的乙醇产量。LEES等[32]用稀酸水解和酶水解联合处理裙带菜，但糖化得率较低，仅有0.013 g葡萄糖/g裙带菜。吴信等[33]研究了海带渣中多糖的水解，最佳水解方案为超高压酸解-酶解联合水解，在最优工艺条件下海带渣多糖的水解率可高85.16%。KIM N J等[34]研究发现用酸和商业化酶水解海带后，水解液含有30.5%的甘露醇和6.98%的葡萄糖。牟海津等[35]发明了以海藻加工废弃物为原料的生物乙醇的制备方法，将海藻加工废弃物进行酸或碱处理后再加入纤维素酶和纤维二糖酶进行复合酶解，再进行乙醇发酵。美国国家能源部可再生能源实验室（national renewableenergy laboratory，NREL）以及日本新能源产业的技术综合开发机构（new energy and industrial technology developmentorganization，NEDO）工艺中均采酶解法。总之，采用不同的水解制糖工艺各有其优缺点，而酸酶结合法可以互补不足，因此得到了更为普遍的认可与推崇，是生产中常见的糖化方法。

2.3 藻类发酵产燃料乙醇工艺

常见的海藻燃料乙醇的发酵工艺主要有分步糖化发酵法（separatehydrolysisand fermentation，SHF）、同步发酵糖化法（simultaneoussaccharificationand fermentation，SSF）和同步糖化共发酵（simultaneoussaccharification and cofermentation，SSCF）。

（1）分步糖化法（SHF法）

分步糖化法是一种比较传统成熟的制取生物乙醇的方法。分步糖化发酵是将纤维素糖化和后续的乙醇分步进行，其优点是糖化和发酵都可在各自最佳的条件下进行。其优点是设备简单、成本低廉、原料转化率较高，但乙醇产率不高，产生有机酸等副产物。

（2）同步糖化发酵（SSF法）

同步糖化发酵法是将纤维素酶的水解反应与乙醇发酵过程放置于同一个反应器中同时进行。此过程中纤维素酶水解藻类物质产生的葡萄糖能迅速被发酵微生物所利用，故纤维二糖和葡萄糖等底物的浓度很低，高浓度的纤维二糖和葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用可以解除[36]，在工艺上采用一步发酵法，降低了设备投资，缩短了总生产时间，提高了乙醇产量。但是同步糖化发酵法也存在一些不利因素：如纤维素酶的酶解过程与乙醇发酵过程最佳温度不一致，可能会降低纤维素酶的酶解效率。

（3）同步糖化共发酵工艺（SSCF）

同步糖化共发酵，即将海藻原料酶解、己糖发酵和戊糖发酵同时进行，可采用混菌发酵或木糖代谢工程菌进行。同步糖化共发酵在同步糖化发酵的基础上，进一步简化了设备，缩短了发酵周期，同时能够有效利用传统酵母无法利用的五碳糖，因而对该工艺的研究日趋增多。PERALTARUIZR Y等[37]利用Aspen Plus7.1软件来模拟海藻乙醇发酵工艺，模拟结果表明，SSCF工艺乙醇产量最大，为23.6%，SSF和SHF工艺乙醇产量分别为20.1%和18.5%。该法推广的关键在于开发能同时进行五碳糖和六碳糖发酵的高效的生物菌种。

此外，许多研究团队也对大型海藻发酵生产燃料乙醇技术进行了研究，表2列举了目前一些团队的研究成果。总体来看，由于选用的海藻种类、预处理方式、水解糖化以及发酵方式等的不同，乙醇收率差别较大。

表2 不同大型海藻发酵乙醇的结果Table 2 Results of ethanol fermentation by differentmacroalgae

3 发展趋势

当前及今后的藻类燃料乙醇的研究将集中在：①获得低成本的海藻生物质原料，建立产能海藻栽培和采收技术，采用分子生物学的原理改良藻种，提高海藻产能特质；②研发高效低成本海藻预处理技术；③筛选海藻多糖降解微生物，将组成复杂的生物质高效地降解；④为避免其反馈抑制，选育高耐受乙醇的微生物菌株，明确发酵菌株乙醇代谢的机理，提高乙醇转化率。⑤确定最佳海藻乙醇发酵工艺，优化发酵条件如发酵时间、料液比、接种量，发酵温度、pH等。另外，研究海藻燃料乙醇副产品的加工技术，也将是未来海藻燃料乙醇发展的方向。

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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

华北理工大学大学生创新项目（X2016263）

黄伊婷（1996-），女，本科生，研究方向为发酵工艺优化。

*通讯作者：田亚红（1979-），女，讲师，硕士，研究方向为发酵工艺优化。