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程荷芳，衛(wèi)民
(中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，國家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點開放性實驗室，江蘇南京210042）
摘要：綜述了植物纖維原料酶水解制燃料乙醇的幾種常見預(yù)處理方法，兩步法發(fā)酵和同步糖化發(fā)酵，國內(nèi)外植物纖維酶水解法制燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀并總結(jié)了目前酶水解制取燃料乙醇存在的問題及對應(yīng)的對策。
植物纖維是地球上廉價且豐富的可再生資源，植物通過光合作用使光能以生物能形式固定生成量每年高達50×109噸干物質(zhì)，這些能量相當于目前世界能耗總量的10倍。目前，世界各國燃料乙醇的生產(chǎn)原料主要是糧食和經(jīng)濟作物。美國以玉米，巴西以甘蔗，歐盟國家以甜菜和小麥為主要原料制取燃料乙醇。而植物纖維原料作為世界上最豐富，數(shù)量多而且可再生性的原料，其中的纖維素、半纖維素可水解為六碳糖、五碳糖。以它為原料制取燃料乙醇是可再生能源中最有希望取得重大突破的領(lǐng)域。
1植物原料的預(yù)處理方法
預(yù)處理是酶水解所特有的。由于構(gòu)成植物纖維的三大主要成分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素間相互纏繞及纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，利用植物纖維原料酶水解制燃料乙醇的工藝中一個首要解決的問題是原料的預(yù)處理。預(yù)處理的目的是除去或降低木質(zhì)素含量，溶解半纖維素，破壞纖維素天然的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使原料變得疏松從而增大酶與纖維素的接觸面積，提高酶的水解率。目前，植物纖維原料預(yù)處理的方法應(yīng)用比較廣泛的有：物理法中的機械粉碎法、蒸汽爆破法；化學(xué)法中的酸處理，堿處理及生物酶法預(yù)處理。
1.1機械粉碎法
機械粉碎法是指通過切、碾、磨等機械粉碎工藝使生物質(zhì)原料的粒度變小、增加纖維原料的內(nèi)表面積并破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，以增加其和酶的接觸面積。機械粉碎法包括干法粉碎、濕法粉碎、振動球磨碾磨及壓縮碾磨。其中振動球磨的效率相對較高，碾磨之后的原料粒徑一般在0.2~2mm之間。但總體而言，機械粉碎法的成本較高，而且處理的材料也有一定的局限性。
1.2蒸汽爆破法
蒸汽爆破法是使高溫蒸汽與生物質(zhì)混合，經(jīng)一定時間后開閥降壓，在以水蒸氣為有效熱載體的條件下，使纖維原料迅速升溫而不使生成的糖過分稀釋，噴射出的蒸汽和液化物質(zhì)由于壓力降低而迅速冷卻。而且高溫高壓使纖維素內(nèi)部氫鍵破壞，結(jié)晶結(jié)構(gòu)松散，也促進了半纖維素水解成酸類和木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化。蒸汽爆破的效果主要取決于停留時間、處理溫度、原料粒度和含水量等。較高溫度和較短停留時間(270℃，1min)或是較低溫度和較長停留時間(190℃，10min)均有利于半纖維素溶解及水解的條件。
廖雙泉等用蒸汽爆破法處理椰衣纖維，結(jié)果使纖維素含量比未處理樣品提高17.05%，同時木質(zhì)素含量降低6.63%，其他成分含量降低了10.42%，實現(xiàn)了原料雜質(zhì)組分的有效降低。陳洪章等采用低壓無污染蒸汽爆破法處理秸稈，將纖維素原料放裂成細小的纖維束狀，實現(xiàn)了原料的組分分離和結(jié)構(gòu)變化。南京林業(yè)大學(xué)余世袁教授在植物纖維經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理后，用里氏木霉制備的纖維素酶進行酶水解，纖維素和半纖維素水解得率達71.3%。
以稀硫酸或甘油濕潤生物質(zhì)后再以蒸汽爆破更有利于提高預(yù)處理效率并幾乎能除去半纖維素。Schell先用硫酸預(yù)浸原料，再用蒸汽爆破處理，最后用氫氧化鈉去除木質(zhì)素，結(jié)果表明酶解率升高。陳洪章等將蒸汽爆破法與甘油進行組合預(yù)處理，實現(xiàn)了秸稈原料的化學(xué)水平組分分離；該法比機械粉碎法消耗低，可間歇也可連續(xù)操作但木糖損失多，且產(chǎn)生對發(fā)酵有害的物質(zhì)，消耗大量蒸汽。蒸汽爆破法是目前研究較熱且被寄予厚望的一種預(yù)處理方法并已用于商業(yè)化水解半纖維素。
1.3酸處理
酸處理是最經(jīng)典的植物纖維原料的預(yù)處理方法，有濃酸和稀酸處理兩種思路。濃酸對纖維素的水解很有成效，但濃酸腐蝕性大，對其設(shè)備要求很高。而且必須對酸回收利用以減少環(huán)境污染。稀酸預(yù)處理已被廣泛應(yīng)用于植物纖維原料酶水解中。半纖維素在100℃以下就能較好的溶解在稀酸中，因此稀酸預(yù)處理能降解大部分的半纖維素為木糖和其它糖，這些單糖在預(yù)處理階段就能脫除且有較好的得率。
Sun等采用0.6%、0.9%、1.2%、1.5%的稀硫酸在121℃下預(yù)處理黑麥，處理時間為30、60、90min。當預(yù)處理濃度高于1.2%，時間超過60min時，有50%～66%的木聚糖(半纖維素的主要成分)被水解為木糖。Kyoung等用二次稀硫酸水解100g鐵杉木碎屑，得到13.6g葡萄糖，10.5g甘露糖和半乳糖以及2.8g木糖，分別為理論值的46％，98％，85％。不過酸預(yù)處理容易產(chǎn)生發(fā)酵抑制物，且發(fā)酵前需使酸中和。稀硫酸預(yù)處理已被用于生產(chǎn)糠醛。
1.4堿處理
堿處理是利用木質(zhì)素能溶解于堿性溶液的特點，用稀堿溶液處理破壞植物纖維原料的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，使木質(zhì)纖維素溶脹，內(nèi)表面積增加，從而降低纖維素結(jié)晶性。使用較多的堿有NaOH、KOH、Ca(OH)2和氨等，稀NaOH溶液的預(yù)處理最廣泛。Xu等用1MNaOH分別在20℃、25℃、30℃、35℃和40℃下處理甘蔗渣18h，得到半纖維素分別分解掉55.5%，57.3%，59.1%，60.9%和62.1%，木質(zhì)素分別分解掉54.7%，58.6%，64.1%，70.2%和74.0%。堿處理在常溫常壓下就可達到很好的預(yù)處理效果，但半纖維素被分解損失，且中和堿后，堿轉(zhuǎn)化為不可回收的鹽，后處理麻煩。
1.5生物法
生物法是真菌作用使木質(zhì)素降解的過程，目前研究最多的是白腐菌。杜甫佑等研究了三株白腐菌對木質(zhì)纖維素的作用規(guī)律，結(jié)果表明，三株菌株都能較快地降解木質(zhì)素，降解的程度比纖維素和半纖維素要深，但三者降解量較小。該預(yù)處理條件溫和，降解的最終產(chǎn)物是二氧化碳和水，能耗低無污染。但該過程的降解速度太慢，目前還只在實驗室階段，無法實際應(yīng)用。
2植物原料酶水解工藝方法研究
與酸法相比，植物原料纖維素酶解條件溫和，常溫下可進行，酶選擇性高，產(chǎn)物單一從而提純過程相對簡單，能耗低，也避免了環(huán)境污染。
目前被認為是利用植物纖維原料制乙醇的最有前途的發(fā)展方向。其代表性工藝主要有兩步法和同步糖化發(fā)酵兩種。
2.1兩步法
利用植物纖維制取燃料乙醇目前主要有兩條工藝。傳統(tǒng)的工藝是兩步法：植物纖維原料先經(jīng)預(yù)處理，然后經(jīng)水解（酸水解或是酶水解）得到五碳糖和六碳糖的水解液，再利用酵母菌發(fā)酵水解液即得目標產(chǎn)物酒精。此法是目前研究應(yīng)用最多的一種方法。其工藝流程可表示如下圖1。從圖中可看出預(yù)處理得到的含木糖的溶液和葡萄糖溶液在不同的反應(yīng)器內(nèi)進行發(fā)酵，所得的醪液再一起混合進行發(fā)酵。不過，此法需所用微生物發(fā)酵木糖和葡萄的能力較高。
2.2同步糖化發(fā)酵法
該法是由Gauss等最先提出的。是在酶水解糖化纖維素的同一容器中加入產(chǎn)生乙醇的纖維素發(fā)酵菌，使糖化產(chǎn)生的葡萄糖和纖維二糖轉(zhuǎn)化為乙醇。其工藝可表示如圖2：由圖可看出，SSF法與兩步法最大的區(qū)別在于纖維素的水解和糖液的發(fā)酵在同一個反應(yīng)器內(nèi)進行，簡化了流程。這樣，葡萄糖不斷被發(fā)酵成酒精，促進了反應(yīng)的動力學(xué)過程，從而減輕了水解產(chǎn)物葡萄糖對酶的反饋抑制作用；縮短了反應(yīng)時間；提高了發(fā)酵產(chǎn)率。但也存在著一些缺點：水解和發(fā)酵的溫度不協(xié)調(diào)（酶水解的最佳溫度在45～55℃，酵母發(fā)酵的最佳溫度在28～30℃）；木糖等其它物質(zhì)的抑制作用；此法是目前很受國內(nèi)外關(guān)注最有前景的制取燃料酒精的新工藝。
3植物原料酶水解國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化進展
3.1國外產(chǎn)業(yè)化進展
隨著石油資源的緊缺，植物纖維原料制取燃料乙醇來替代石油已成為全球可再生能源研究的熱點之一。
加拿大Iogen公司及其技術(shù)伙伴經(jīng)過25年的深入研究和開發(fā)，耗資近1.3億加元。2004年4月開始纖維素制乙醇商業(yè)化生產(chǎn)，其纖維素制乙醇生產(chǎn)技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位。使用農(nóng)作物秸稈或木材廢料生產(chǎn)纖維素制乙醇也為加拿大農(nóng)村開辟了新的經(jīng)濟增長點。
2007年西班牙Abengoa生物能源公司在Salamanca地區(qū)成立了首家生物質(zhì)乙醇廠并開始生產(chǎn)。該廠每天將使用70噸麥秸等農(nóng)業(yè)殘余物，將年產(chǎn)500萬升燃料乙醇產(chǎn)品。
2008年5月剛投入運行的Verenium纖維乙醇工廠是美國第一個示范性的纖維乙醇廠，年產(chǎn)140萬加侖的乙醇。該公司期望將生產(chǎn)成本控制在2美元每加侖，并計劃于2009年達到2000萬～3000萬gal/a的生產(chǎn)能力從而開始商業(yè)化規(guī)模的建設(shè)。
3.2國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化進展
鑒于我國豐富的植物纖維原料，有經(jīng)濟分析顯示，我國發(fā)展以植物纖維原料制取燃料乙醇有更大優(yōu)勢。我國在這一領(lǐng)域也投入了大量的財力物力進行工業(yè)化相關(guān)研究。
2007年山東澤生生物科技有限公司建立了3000t/a的秸稈酶解發(fā)酵燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化示范工程，包括5立方米汽爆系統(tǒng)、100立方米纖維素酶固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)和110立方米秸稈固態(tài)酶解、同步糖化發(fā)酵吸附分離三重耦合反應(yīng)裝置及配套設(shè)備等建設(shè)。
2008年河南天冠在南陽市建成投入試運行年產(chǎn)5000噸秸稈乙醇項目，總投資3150萬元。據(jù)現(xiàn)有5000t/a秸稈乙醇示范生產(chǎn)線試運行情況，每產(chǎn)1噸乙醇需6.5～7.0噸的秸稈。2009年計劃建成1萬噸每年的植物纖維乙醇標準化示范工廠。
4植物原料酶法生產(chǎn)存在問題及對策
通過水解植物纖維原料來制取燃料乙醇是個世界性的難題，各國都在尋求突破以充分利用植物資源，并希望以燃料乙醇來緩減對石油的依賴。酶水解法制取燃料乙醇主要存在以下一些問題。
4.1酶法纖維素酶成本高，回收問題
纖維素酶的主要作用是降解纖維素為單糖，一般認為其主要包括內(nèi)切葡聚糖酶，外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶。以纖維素酶水解纖維素，具有化學(xué)法水解纖維素所不具有的許多優(yōu)點。但纖維素酶生產(chǎn)成本高，占總生產(chǎn)成本的40％～55％，且難回收利用。
從而制約了以植物纖維原料制燃料乙醇的商業(yè)化發(fā)展。為降低纖維素酶生產(chǎn)成本，很多研究者正在從多方面改進：微生物的選擇和培養(yǎng)條件優(yōu)化；通過誘變篩選出高產(chǎn)纖維素酶菌種，通過基因工程方法等。劉冠軍等研究纖維素酶固體發(fā)酵的最優(yōu)條件。在稻殼：麩皮：玉米芯=5：3：2，加水比1:3，硫酸銨添加量2.5%，磷酸二氫鉀2%，初始pH值6.0，培養(yǎng)溫度28～30℃的優(yōu)化條件下，纖維素酶固體發(fā)酵84h，可使CMC酶活力達到1865u／g干曲。潘春梅等通過響應(yīng)面分析了液體發(fā)酵法產(chǎn)纖維素酶的最佳條件。
在裝液量56.5mL、稻草粉濃度37.4g/L和麥麩濃度11.3g/L時，通過液體深層發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶，纖維素酶產(chǎn)量達到63.32U/mL，纖維素酶活提高了96.7%。還有通過固定化酶的方法使纖維素酶酶固定化，以提高酶的利用率，且可重復(fù)利用，從而大大減少酶用量。纖維素酶最大生產(chǎn)商丹麥的Novozaymes生產(chǎn)1gal（1gal＝3.785L）的燃料酒精的酶成本從2001年的5美元減至2005年的0.1～0.18美元。但只完成了實驗室規(guī)模的研究。
4.2半纖維素轉(zhuǎn)化，木質(zhì)素出處問題
半纖維素是植物纖維的主要成分之一，主要水解成五碳糖（木糖）。
為提高原料利用率，研究人員將六碳糖和五碳糖混合糖共發(fā)酵生產(chǎn)酒精。利用六碳糖生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)很成熟，但利用五碳糖發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)相對落后。有學(xué)者利用基因工程的方法創(chuàng)造了戊糖、己糖利用的菌株，在發(fā)酵混合糖產(chǎn)乙醇的重組細菌研究中，使用最多的是Z.mobilis和E.coli。木質(zhì)素的含碳量達50%，可用來制造酚醛樹脂，橡膠用補強劑和活性炭等。王志高等酸水解木質(zhì)素，以磷酸為活化劑，預(yù)處理條件：純磷酸：酸木質(zhì)素=2.2：1（質(zhì)量比）混合，在140℃下處理9h，再在400～500℃下活化50min，制備出吸附性能較高的粉狀活性碳。
4.3同步糖化發(fā)酵中溫度不協(xié)調(diào)因素
如上所述，SSF工藝中水解和發(fā)酵的溫度不協(xié)調(diào)性，使得纖維素酶水解和酵母菌發(fā)酵的酶活都不能達到最大。為此，有人致力于研究耐熱酵母或耐熱細菌的分離和培養(yǎng)，還有人設(shè)計了非等溫的SSF工藝，即NSSF工藝。
隨著基因工程技術(shù)的不斷突破，酶成本的降低及同步糖化發(fā)酵的不斷優(yōu)化，利用植物纖維原料酶水解制取燃料乙醇應(yīng)用于工業(yè)化將成為可能。 |
