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于斌，齊魯
(天津工業(yè)大學(xué)生物與紡織材料研究所，天津市改性和功能纖維重點實驗室，天津300160)
摘要：介紹了近年來國內(nèi)外木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)現(xiàn)狀。評述了纖維素原料生產(chǎn)乙醇的預(yù)處理及水解為葡萄糖和發(fā)酵成酒精的各生產(chǎn)工藝。分析了各工藝的技術(shù)特點和經(jīng)濟性。提出應(yīng)進一步加強纖維素生產(chǎn)燃料乙醇的研究。
經(jīng)濟社會的發(fā)展以能源為重要動力，經(jīng)濟越發(fā)展，能源消耗越多。到2059年，也就是世界上第一口油井開鉆200周年之際，世界石油資源大概所剩無幾[1]。而生物質(zhì)能是由植物的光合作用固定于地球上的太陽能，最有可能成為21世紀主要的新能源之一。據(jù)估計，植物每年貯存的能量約相當(dāng)于世界主要燃料消耗的10倍；而作為能源的利用量還不到其總量的1%。專家預(yù)測，生物質(zhì)能源將成為未來持續(xù)能源重要部分，到2015年，全球總能耗將有40%來自生物質(zhì)能源。
然而燃料乙醇的生產(chǎn)如均以糖類或糧食為原料，其產(chǎn)量受到糧食資源的限制，難以長期滿足能源需求。從長遠考慮必須進行科技創(chuàng)新，擴大原料來源。含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)廢棄物是生產(chǎn)燃料乙醇的另一原料來源，它包括農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工廢料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的廢棄生物質(zhì)等[2]。國內(nèi)外專家對木質(zhì)纖維素原料轉(zhuǎn)化為乙醇燃料進行了大量的研究。木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇的步驟主要分為兩步：纖維素水解成糖，糖發(fā)酵成醇。由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，纖維素、半纖維素不但被木質(zhì)素包裹，而且半纖維素部分共價和木質(zhì)素結(jié)合，纖維素具有高度有序晶體結(jié)構(gòu)．因此必須經(jīng)過預(yù)處理，使得纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分離開，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結(jié)構(gòu)，降低聚合度，以提高水解效率。表1列出了幾種木質(zhì)纖維素中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量[3]。
1燃料乙醇的生產(chǎn)現(xiàn)狀
2001年世界乙醇年產(chǎn)量達314億升，其中近200億升為燃料乙醇，約占乙醇總量的63％。各大洲的產(chǎn)量分別為：美洲205.7億升，歐洲41.5億升，亞洲5.3億升，非洲5.3億升，大洋洲1.8億升[4]。
不難看出，美洲在乙醇的生產(chǎn)上仍然是世界乙醇生產(chǎn)的領(lǐng)頭羊，同樣在將纖維質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料酒精的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用方面，巴西和美國也走在了世界的前列。在美國，政府積極鼓勵燃料酒精的生產(chǎn)和使用。在政府的大力倡導(dǎo)下，酒精燃料在美國的燃料市場上的份額已達到8%。1998年10月第一家商業(yè)性轉(zhuǎn)化纖維質(zhì)為酒精的工廠由BC International在路易斯安那Jennings開始破土動工，該廠以蔗渣和稻殼為原料，年產(chǎn)酒精20×106加侖。
1998年的12月，美國路易斯安那州的一家名為國際生物燃料的公司，宣布他們將利用申報了的專利技術(shù)，以纖維質(zhì)為原料大規(guī)模生產(chǎn)酒精，預(yù)計年產(chǎn)量為2500kt。除此之外，加利福尼亞和紐約用城市垃圾生產(chǎn)酒精的建廠計劃亦在進行中[5]；在巴西，酒精工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱，他們利用榨汁后的蔗渣發(fā)酵燃料酒精。
到目前為止，巴西所產(chǎn)汽車90%采用酒精燃料發(fā)動機，全國一半多的交通工具使用的是酒精燃料。日本的研究者對纖維素的酒精發(fā)酵也作了大量的研究，日本通產(chǎn)省從1980年起制定了生物質(zhì)燃料化的七年研究開發(fā)計劃，并設(shè)置了生物質(zhì)研究委員會，經(jīng)費預(yù)算總額為260億日元，其中技術(shù)開發(fā)費用達124億日元。
日本工業(yè)技術(shù)研究院微生物工業(yè)研究所從1979年起，開始進行稻草、廢木材能源化的研究，目的是降低成本、進行工業(yè)化生產(chǎn)，至今酒精發(fā)酵技術(shù)已基本完善。英、法、印度等國也都在計劃生產(chǎn)燃料酒精。綜上所述，在國外，以纖維質(zhì)為原料生產(chǎn)酒精費正逐步走向一個技術(shù)成熟的階段[6,7]。
與美國等國家相比，我國的燃料乙醇生產(chǎn)只是在近幾年才受到政府高度重視，起步較晚，但是自2000年以來，我國推廣使用車用乙醇汽油工作取得了很大進展。目前，我國推廣使用車用乙醇汽油工作已取得階段性成果[8，9]。2001年4月，河南天冠集團公司和黑龍江華潤金玉實業(yè)有限公司老廠變性燃料乙醇改擴建項目已相繼投產(chǎn)[10]，吉林省新建60萬噸燃料乙醇項目在2001年9月22日正式開工建設(shè)。但對以纖維素為原料生產(chǎn)酒精的工藝條件的研究還不成熟。雖然中國科學(xué)院早在1980年就在廣州召開了“全國纖維素化學(xué)學(xué)術(shù)會議”，把開發(fā)利用纖維素資源作為動力燃料提到議事日程上來，但是到目前為止，仍沒有取得重大突破，天然纖維素轉(zhuǎn)化為酒精的新型開發(fā)技術(shù)在工業(yè)上尚未大規(guī)模實施，其工藝技術(shù)的改進和基礎(chǔ)理論的研究仍在進行之中。因此在我國以纖維質(zhì)廢物為原料生產(chǎn)酒精仍需進一步的深入研究。
2木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理
由木質(zhì)纖維素的組成和結(jié)構(gòu)可以知道，影響纖維素糖化分解的主要因素有木質(zhì)素和半纖維素的保護作用，纖維素的結(jié)晶度、聚合度、有效比表面積、內(nèi)部孔隙大小及分布等，要直接對纖維素進行糖化水解或生物轉(zhuǎn)化是相當(dāng)困難的。因此，無論采取何種工藝分解利用纖維素，都必須首先對纖維素原料進行預(yù)處理，其目的是降低纖維素的聚合度、結(jié)晶度，破壞木質(zhì)素、半纖維素的結(jié)合層，脫去木質(zhì)素，增加有效比表面積。常用的預(yù)處理方法可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)結(jié)合法和生物法4大類。
2.1物理方法通常有機械破壞、微波或超聲波、高能電子輻射等。
（1）剪切和研磨Stuart等[11,12]發(fā)明了一種特殊的纖維素漿的高速剪切裝置，可有效破壞纖維素與木質(zhì)素和半纖維素的物理、化學(xué)結(jié)合，并顯著降低纖維素大分子的結(jié)晶度，提高比表面積。研磨的方法有球磨、錘磨等，比較有效的是球磨。1946年有人用球磨制得了完全無定形結(jié)構(gòu)的纖維素，但這種結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，很快又重新形成晶態(tài)結(jié)構(gòu)，這也是機械物理方法常有的弊端。球磨可使纖維素的結(jié)構(gòu)松散和使微纖中和微纖間晶區(qū)間存在的氫鍵斷裂[13,14]。使用三輪球磨處理木質(zhì)纖維素，對糖化反應(yīng)極為有效。但存在的問題是，機械處理方法的能耗很高，這無疑增加了生產(chǎn)成本。Daniel等[15]比較了幾種研磨方法的能耗，結(jié)果表明Hammer磨的能耗比盤磨低，但處理后產(chǎn)物的粒度較大。
（2）微波和超聲波
微波是一種新型節(jié)能、無溫度梯度的加熱技術(shù)，應(yīng)用于染色工業(yè)，可以提高纖維素的染色性能。超聲波在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用也迅速發(fā)展。在超高壓條件下，有機酸預(yù)處理生物質(zhì)(如農(nóng)作物廢棄物)過程中，玉米秸稈用微波(4.9W/g)輻射，然后用酶在400℃、pH值5.0，水解72h，糖化率高達98%[16]。
2.2化學(xué)方法
這是目前研究最多的手段。主要采用稀酸、堿或氨、次氯酸鈉、氧化劑等化學(xué)試劑單獨或互相結(jié)合進行預(yù)處理。
（1）堿處理
堿處理法是利用木質(zhì)素能溶解于堿性溶液的特點，用稀NaOH或NH3溶液處理生物質(zhì)原料，使其中的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)破壞，從而便于酶水解的進行。氫氧化鈉可以起到脫木素、潤漲纖維素的作用。盡管這種處理對提高原料的降解效果較好，但由于氫氧化鈉的消耗量大，在堿處理過程中還有部分半纖維素被損失，所以不太適用于大規(guī)模生產(chǎn)。近來人們較重視用NH3溶液處理的方法，通過加熱可容易地將NH3回收，重復(fù)使用。
Sung等[17]在用氨處理橡木的實驗結(jié)果表明，與大多數(shù)堿一樣，氨可以打開木質(zhì)素與半纖維素之間的連接，部分脫除木質(zhì)素，從而改變植物纖維的結(jié)構(gòu)。但與強堿不同的是，氨水的處理較為緩和，不會使重要的聚糖化合物大量損失，半纖維素的回收率隨氨濃度的增加而增大，木質(zhì)素的脫除率也隨之上升，但纖維素基本上沒有損失。另外，通過對預(yù)處理產(chǎn)物的酶解實驗，發(fā)現(xiàn)盡管木質(zhì)素的脫除率較高，但酶解率僅稍有提高。說明酶解率的提高，與木質(zhì)素有一定的關(guān)系，但并不是關(guān)鍵因素。但也有資料[18,19]表明，對于硬質(zhì)木質(zhì)纖維材料，氨處理后，酶解率也有明顯的改善。
（2）酸處理
稀酸預(yù)處理通常采用0.3%～1.2%的硫酸，在110～220℃下處理一定時間。由于半纖維素易被水解成單糖，纖維殘渣形成多孔或溶漲型結(jié)構(gòu)，從而促進了酶解效果[20]。雖然半纖維素用熱水處理時也會溶出，但反應(yīng)速度遠小于稀酸催化劑存在的情況。稀酸的脫木質(zhì)素作用較弱，0.1%的酸的木質(zhì)素脫除率只有22%，但半纖維的溶出率高，在酸濃度為0.2%時，酶解率可提高到大于90%，遠比氨處理效果好，說明半纖維素的有效溶出比木素的脫除更有利于纖維素的酶解[17]。Carrasco等對9種生物質(zhì)底物的稀酸預(yù)處理進行比較，結(jié)果表明，幾乎所有實驗底物均表現(xiàn)出有利于隨后的纖維素酸水解的特點[21]。
除了無機酸以外，還有人采用有機酸，如甲酸，但作用機理有所不同，甲酸主要是脫除木質(zhì)素，而不是加速半纖維素的溶出。Baeza以0.3%鹽酸為催化劑，用甲酸在90℃常壓處理松木底物，可有效分離木質(zhì)纖維素，纖維素的含量上升，并且結(jié)晶度下降，酶解糖化率從25%上升到56%[22]。可用乙酸–硝酸為反應(yīng)劑溶解和脫除木質(zhì)素，僅用乙酸不能脫除木質(zhì)素，為了有效地溶解木質(zhì)素，必須加入硝酸。乙酸濃度35%和硝酸濃度2%，約80%的木質(zhì)素可從報紙中脫除[23]。
（3）氧化劑
氧化法主要是用過氧化氫進行氧化脫木質(zhì)素的反應(yīng)，從而達到破壞天然植物纖維的物理結(jié)構(gòu)的目的。pH值是影響反應(yīng)的重要條件，在堿性條件下，可在80～90℃低溫下反應(yīng)，但在酸性條件下，要達到同樣的氧化裂解木質(zhì)素的效果，就需在130～160℃[24]條件下，Gould等以H2O2為氧化劑，控制pH值在11.2～11.8的范圍，可部分脫除木質(zhì)素，并降低纖維素的結(jié)晶度，過程中產(chǎn)生的抑制酶解過程的毒素較少[25]。
Kazuhiro等介紹了H2O2為氧化劑，F(xiàn)e2+為催化劑的兩步氧化法來處理木質(zhì)纖維素，獲得有機酸等化學(xué)物質(zhì)。通過第一步非催化氧化，一部分木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為甲酸等小分子有機酸，純纖維素回收率約為22%；第二步催化氧化，小分子有機酸達到纖維原料的33%[26]。為了加強預(yù)處理的效果，一些研究者將氧化劑與其他化學(xué)試劑結(jié)合使用。Sung等將硫酸與H2O2配合用于橡木的預(yù)處理[17]。結(jié)果表明，隨H2O2濃度的增加，半纖維素的溶出率升高，當(dāng)H2O2濃度為1.6%時，達到90%，相當(dāng)于0.2%的酸單獨處理的效果，但可省去酸中和的步驟。Jun等[27]用氨和H2O2配合預(yù)處理兩種不同的軟木質(zhì)纖維廢料，研究結(jié)果表明，單獨氨處理(ARP)，氨與H2O2混合(ARP–H)，氨和H2O2按先后順序處理，均有脫木質(zhì)素的作用。但ARP工藝處理后，纖維底物的酶解率僅稍許提高了5%，ARP–H工藝，H2O2雖然有助于木質(zhì)素的脫除，但酶解效果也沒有明顯改善。先H2O2，后氨處理后，產(chǎn)物的酶解率從41%上升到75%，但纖維素的保留率有所下降。Brownell等[28,29]認為氧化劑H2O2有利于生物酶對軟木質(zhì)纖維底物的水解作用。其他氧化劑還有過乙酸、臭氧、硝酸、次氯酸鈉等。
2.3物理–化學(xué)方法
這一方法主要指蒸汽爆破技術(shù)。蒸汽爆破是將木質(zhì)纖維原料先用高溫水蒸氣處理適當(dāng)時間，然后連同水蒸氣一起從反應(yīng)釜中急速放出而爆破，由于木質(zhì)素、半纖維素結(jié)合層被破壞，并造成纖維素晶體和纖維束的爆裂，使得纖維素易于被降解利用。但蒸汽爆破處理后可能會提高纖維素的結(jié)晶指數(shù)[30]。最初的蒸汽爆破由Mason于1927年提出并取得專利[31]。此后各國的研究者進一步結(jié)合化學(xué)處理，使蒸汽爆破技術(shù)更加完善。蒸汽爆破與酸結(jié)合，分兩步預(yù)處理軟木質(zhì)纖維，糖的回收率可大大提高，并可降低后續(xù)酶解過程的酶的用量[32]。蒸汽爆破楊木時加入NaOH，隨堿濃度的增加，木質(zhì)素脫除率可提高到90%[33]。蒸汽爆破的處理效果不僅與使用的化學(xué)試劑有關(guān)，而且與纖維材料的粒度大小有關(guān)。采用較大的粒度（8～12mm）不僅可節(jié)約能耗，而且可采用較劇烈的操作條件，具有較高的纖維素保留度，較少的半纖維素水解糖類損失，提高纖維素酶的酶解率[34]。
氨冷凍爆破[35]是利用液態(tài)氨相對較低的壓力(1.5MPa左右)和溫度(50～80℃)下將原料處理一定時間，然后通過突然釋放壓力爆破原料。在此過程中由于液態(tài)氨的迅速汽化而產(chǎn)生的驟冷作用不但有助于纖維素表面積增加，同時還可以避免高溫條件下糖的變性以及有毒物質(zhì)的產(chǎn)生。氨冷凍爆破中采用的液態(tài)氨可以通過回收循環(huán)利用，整個過程能耗較低，被認為是一種較有發(fā)展前途的預(yù)處理技術(shù)。
2.4生物方法
常用于降解木質(zhì)素的真菌是木腐菌，通常是白腐菌、褐腐菌和軟腐菌，其中軟腐菌的木質(zhì)素分解能力很低，褐腐菌只能改變木質(zhì)素的性質(zhì)，而不能分解木質(zhì)素，只有白腐菌分解木質(zhì)素的能力較強。用白腐菌預(yù)處理纖維素較省能，還可以得到有價值的副產(chǎn)物——SCP（單細胞蛋白)，成本低，經(jīng)濟效益好，并且由于反應(yīng)條件溫和，副反應(yīng)和抑制性產(chǎn)物少。但生物法處理時間長，而且白腐菌除分解木質(zhì)素外，還產(chǎn)生分解纖維素和半纖維素的纖維素酶和半纖維素酶，處理的同時也造成纖維素、半纖維素的損失，因此必須分離或選育木質(zhì)素氧化酶活性高，而不產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶的菌種。
3木質(zhì)纖維素原料的水解和糖化
木質(zhì)纖維素的水解糖化并生產(chǎn)燃料乙醇的過程中，從葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇的生化過程是簡單和成熟的，反應(yīng)在溫和條件下進行。目前傳統(tǒng)的間歇發(fā)酵已被各種連續(xù)發(fā)酵工藝所取代，因而有高的生產(chǎn)率，可為微生物生長保持恒定的環(huán)境，同時也能達到高的轉(zhuǎn)化率。其水解產(chǎn)物為以木糖為主的五碳糖，以農(nóng)作物秸稈和草為原料時還有相當(dāng)量阿拉伯糖生成(可占五碳糖的10%～20%)，故五碳糖的發(fā)酵效率也是決定過程經(jīng)濟性的重要因素，能同時發(fā)酵戊糖和己糖的菌種也已發(fā)現(xiàn)和改良，并能夠達到較高的產(chǎn)率[36]。所以纖維素的糖化是木質(zhì)纖維素制燃料乙醇的關(guān)鍵，其工藝主要有酸解法和酶解法兩種工藝。
（1）酸水解工藝
最古老的纖維素糖化方法是以酸解為基礎(chǔ)的[37]。主要有濃酸水解和稀酸水解兩種。稀酸處理的優(yōu)點在于半纖維素水解得到的糖量大，催化劑成本低，易于中和。但半纖維素水解產(chǎn)物五碳糖易在催化下進一步降解(糠醛)。稀酸水解過程為多相水解反應(yīng)，硫酸濃度一般為0.5%～2%，溫度為180～240℃，時間為幾分鐘到幾小時。Brink為天然纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖提出了一個兩步法過程。第一步，把半纖維素解聚為木糖和其他糖類。第二步，把纖維素解聚為葡萄糖。由于酸的濃度低，可以不必進行酸的回收。但葡萄糖的最大產(chǎn)率僅占纖維素的55%，并且有較多的解聚產(chǎn)物會阻止酵母發(fā)酵生成乙醇[38]。法國在1856年即開始進行了濃硫酸水解法進行乙醇生產(chǎn)。濃酸水解過程為單相水解反應(yīng)，纖維素在濃酸作用下首先溶解，然后在溶液中進行水解反應(yīng)。濃酸能夠迅速溶解纖維素，但并不是發(fā)生了水解反應(yīng)。濃酸處理后成為纖維素糊精，變得易于水解，(纖維素經(jīng)濃酸溶液生成單糖，由于水分不足，濃酸吸收水分，單糖又生成為多糖，但這時的多糖不同于纖維素，它比纖維素易于水解)但水解在濃酸中進行得很慢，一般是在濃酸處理之后再與酸分離，使用稀酸進行水解。傳統(tǒng)的酸水解流程包括固定水解法、分段水解法和滲濾水解法。一般采用連續(xù)滲濾反應(yīng)器，固體物料充填其中，酸液連續(xù)流過。這樣水解所產(chǎn)的糖可連續(xù)流出，減少了在床內(nèi)停留時間，相應(yīng)也減少了糖的進一步反應(yīng)。
也有人提出了兩步法稀酸水解。首先原材料用0.5～2.5mol/L的稀硫酸處理，約有50%的半纖維素轉(zhuǎn)化為可溶性的低聚糖或單糖，然后在62.5%～87.5%的液體乙醇中，用2mol/LH2SO4處理，脫除木素。通過以上兩步，總纖維素得率>60%[39]。近年來，人們還研究了助催化劑的作用。即用某些無機鹽（如ZnCl2，F(xiàn)eCl3等）來進一步促進酸的催化作用[40]。加電解液NaCl溶液可觀察到非均相稀酸水解速率的提高，酸解速率與添加的電解液的濃度成線性關(guān)系。還有人嘗試在滲濾反應(yīng)器酸解過程中添加非水溶劑。如在稀硫酸中使用丙酮，葡萄糖產(chǎn)率為83.4%，不用丙酮，產(chǎn)量為65%。這表明，在適合的糖化條件下，可用丙酮、酸、水混合體系[41]。酸解法已有近一百年的歷史，發(fā)展至今，仍存在許多問題，如酸回收問題、設(shè)備腐蝕、工程造價等，因此有逐漸被生物酶解的方法所代替的趨勢[42]。
(2)生物酶水解工藝
隨著纖維素酶生產(chǎn)技術(shù)日益成熟，成本大幅度降低，酶解法已經(jīng)開始逐漸取代酸解法。纖維素酶是一種多組分的復(fù)合酶，包括內(nèi)切型葡聚糖酶(Cx酶、CMC酶、羧甲基纖維酶)、外切型葡聚糖酶(C1酶、微晶纖維素酶)和纖維二糖酶(β–葡萄糖苷酶)等3種主要組分。纖維素的酶水解機理至今仍未完全研究清楚，但普遍認為在將天然纖維素水解成葡萄糖的過程中，必須依靠3種組分的協(xié)同作用才能完成。纖維素大分子首先在C1酶和Cx酶的作用下逐步降解成纖維二糖，而纖維二糖酶則進一步將纖維二糖水解成葡萄糖。關(guān)于C1酶和Cx酶的作用基質(zhì)雖有幾種不同說法，但有兩點是一致的：(1)結(jié)晶纖維素是在C1酶和Cx酶的共同作用下分解的；(2)C1酶是從纖維素長鏈非還原性末端，以纖維二糖為單位，切割β–1，4糖苷鍵的外切酶。纖維素酶分解纖維素的過程如下[43]：
美國Natick工藝以城市廢纖維垃圾為原料，酶水解間歇進行，24h完成。水解酶用量為135IU/g纖維素，水解液中葡萄糖濃度為10%，水解率達45%。據(jù)Chen等[44]報道，美國加州大學(xué)Berkeley分校以玉米芯為原料，以里斯木霉為產(chǎn)霉菌株，酶產(chǎn)率為19.2IU/(L·h)。
4木質(zhì)纖維素酒精生產(chǎn)工藝
利用微生物發(fā)酵木質(zhì)纖維素生產(chǎn)酒精的工藝大致可分為直接法、間接法、同時糖化發(fā)酵和固定化細胞發(fā)酵。直接法是指用同一微生物完成纖維素的糖化水解和乙醇發(fā)酵的生產(chǎn)過程。直接法中常用的微生物是熱纖維梭菌。經(jīng)過誘變改造的重組熱纖維梭菌用于發(fā)酵，其酒精產(chǎn)率可達9g/L，乙酸產(chǎn)量也能達到9g/L。熱纖維梭菌若與熱硫化氫梭菌共同作用，還可使產(chǎn)量大大提高[45,46]。利用混合菌發(fā)酵，可以部分解決產(chǎn)率不高的問題[47]；間接法是指先用一種微生物水解纖維素，收集酶解后的糖液，再利用酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。此法中常用木霉的纖維素酶來水解纖維素，產(chǎn)生的糖液再進行發(fā)酵，其酒精產(chǎn)量可達到97g/L。但這種方法中纖維素需先用氫氧化鈉進行預(yù)處理，因而成本較高[48]；同時糖化發(fā)酵是指用一種可產(chǎn)生纖維素酶的微生物和酵母在同一容器中連續(xù)進行纖維素的糖化和發(fā)酵。在這一工藝過程中，纖維素水解后產(chǎn)生的葡萄糖可以被不斷地用于發(fā)酵，因而消除了高濃度葡萄糖對纖維素酶活性抑制，簡化了設(shè)備，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。但也存在一些抑制因素，如木糖的抑制作用、糖化和發(fā)酵的溫度不協(xié)調(diào)等；固定化細胞發(fā)酵具有提高發(fā)酵器內(nèi)細胞濃度、細胞可連續(xù)使用、最終發(fā)酵液酒精濃度高等優(yōu)點。研究最多的是酵母和運動發(fā)酵單胞菌的固定化。常用載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻璃等。研究表明，固定化運動發(fā)酵單胞菌比酵母更具優(yōu)越性。最近又有將微生物固定在氣液界面上進行發(fā)酵的研究報道，其微生物活性比固定在固體介質(zhì)上高。固定化細胞的新動向是混合固定化細胞發(fā)酵，如酵母與纖維二糖一起固定化細胞發(fā)酵，將纖維二糖基質(zhì)轉(zhuǎn)化成酒精，被認為是以纖維素原料生產(chǎn)酒精的重要階梯[49]。
5結(jié)語
以木質(zhì)纖維素類物質(zhì)生產(chǎn)乙醇在近30年里研究得很多，對其組分、水解方法、發(fā)酵工藝和發(fā)酵菌種等方面都進行了全面而深入的研究，為木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇奠定了一定的基礎(chǔ)。目前利用纖維素生產(chǎn)酒精的技術(shù)已基本成熟，但是由于纖維素酶的成本太高，生產(chǎn)過程中，酶用量偏大，導(dǎo)致纖維素酒精的價格無法與糧食酒精相競爭，因此還要加強對以下技術(shù)的研究：①進一步研究纖維素原料的預(yù)處理、酶水解及水解發(fā)酵生產(chǎn)酒精等技術(shù)；②進行固體發(fā)酵技術(shù)的研究，解決目前存在的污染率高和成本高的問題；③以基因工程手段選育高產(chǎn)纖維素酶、木質(zhì)素酶菌種，以有效地降低生產(chǎn)成本。盡管近年來生物技術(shù)已取得發(fā)展，但是科技工作者仍面臨許多挑戰(zhàn)，還需要研制更加穩(wěn)定的基因工程酶，研究更加低廉有效的木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的預(yù)處理方法，優(yōu)化生產(chǎn)酒精各個環(huán)節(jié)。如果能解決好這些問題，那么木質(zhì)纖維素原料生物轉(zhuǎn)化乙醇必將產(chǎn)生更大的社會效益和經(jīng)濟效益。
參考文獻
[1]Campbell C J，Laherrere J H.[J].Sci.America，1998，3：78–83.
[2]楊艷，盧滇楠，李春，等.[J].化工進展，2002，21(5)：299–322.
[3]陳國符.植物纖維化學(xué)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1980：186.
[4]Christoph Berg.World Ethanol Production 2001 July 31st.http://www.distill.com/world_elhanol_production.html.
[5]美國可再生燃料協(xié)會(RFA)，http://www.hawaii.gov/dbedt/ert.
[6]Sun Y，Cheng J Y.[J].Bioresource Technol.，2002，83：1-11.
[7]Demain A L，Newcomb M，Wu J H D.[J] .Microbiol.Mol.Biol.R.，2005，69：124.
[8]曲音波，高培基.開展生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為酒精研究實現(xiàn)液態(tài)燃料可持續(xù) 供應(yīng)[C].發(fā)酵工程學(xué)科的進展－第二次全國發(fā)酵工程學(xué)術(shù)討論會.北京：中國輕工業(yè)出版社，2002，34–39.
[9]劉鐵男.[J].中國能源，2002，3：6–10.
[10]博其軍.[J].廣西輕工業(yè)，2001，2：6–10.
[11]Stuart Earnest D，et al.Treatment method for fibrous lignocellulosic biomass using fixed stator device having nozzle tool with opposing coaxial toothed rings to make the biomass more susceptible to hydrolysis[P].US 5498766，1996.
[12]Stuart Earnest D.Treatment of fibrous lignocellulosic biomass by high shear forces in a turbulent couette flow to make the biomass more susceptible to hydrolysis[P].US 5370999，1994.
[13]Tossinari T，Macy C，Spano L Energy .[J].Biotechnology and Bioengineering，1980，22：1689–1705.
[14]Koshijiima T，Yuka F，Muraki E，et al.[J].Journal Applied Polymer Synposium，1983，37：671–683.
[15]Daniel J Schell，Chuck Harwood.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，1994，45/46：1591–1593.
[16]Cullingford Hatice S，George Clifford E，Lightsey George R.Pretreatment in the enzymic saccharification of biomass with use of microwaves[P].US 5196069，1993.
[17]Sung Bae Kum，et al.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，2000，91–93：81–94.
[18]Kim S B，Lee Y Y.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，1996，57/58：147–156.
[19]Leer PV，et al.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，1996，57/58：121–131.
[20]Saha B C.[J].Process Biochemistry，2005，40(12)：3693–3700.
[21]Carrasco F E，et al.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，1994，45/46：23–34.
[22]Jaime Baeza，et al.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，1991，31：273–282
[23]Xiao Weiping，Clarkson William W.[J].Biodegradation，1997，(1)：61–66.
[24]Xiang Qian，Lee YY.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，2000，84–86：153–162.
[25]Gould John M.Alkaline peroxide treatment of nonwoody lignocellulosics[P].US 4649113，1987.
[26]Kazuhiro Mae，et al.[J].Energy and Fuels，2000，14：1212–1218.
[27]Jun Seok Kim，et al.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，2000，84–86：129–139.
[28]Brownell H H，et al.[J].Biotechnology Bioengineering，1986，28 (6)：792–800.
[29]Schwald W，et al.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，1989.20/21：29–44.
[30]Azzam A M.[J].Biomass，1987，12 (1)：71–77.
[31]Mason W H.Apparatus for and process of explosion fibration of lignocellulose material[P].US 1655618，1928.
[32]Quang A Nguyen，et al.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，2000，84–86：561–576.
[33]Heitz M，et al.[J].Bioresource Technology，1991，35：23–32.
[34]Ballestcros I，et al.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，2000，84–86：97–110.
[35]Holtzapple M T，et al.[J].Biotechnology and Bioengineering，1994，44(9)：1122–1131.
[36]Galbe M.[J].Journal of Scientific & Industrial Research，2005，64(11)：905–919.
[37]Grethlein.[J].J.Applied Chemistry Biotechnology，1978，28：296–308.
[38]Brink.Method of treating biomass material[P].US 5536325，1998.
[39]Papatheofanous M G，et al.[J].Bioresource Technology，1995，54(3)：305–310.
[40]Zaranyika MF.[J].Polymer Chemistry，1990，28(13)：3365–3374.
[41]Ward John Patrick，Grethelein Hans.[J].Biomass，1988，17(3)：153– 163.
[42]Senthilkumar V，Gunasekaran P.[J].Journal of Scientific & Industrial Research，2005，64 (11)：845–853.
[43]李洪剛，段堂榮.[J].釀酒科技，1996，75(3)：44–45.
[44]Chen L F，Gong C S.[J].Applied Microbiology and Biotechnology，1986，25：208–212.
[45]Thomas K C，Ingledew W M.[J].Applied and Environmental Microbiology，1990，56：2046–2050.
[46]Jones A M，Thomas K C，Ingledew W M.[J].Food Chem.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1994，42：1242–1246.
[47]Thomas K C，Ingledew W M.[J].Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology，1992，10：61–68.
[48]Ingledew W M，Jones A M.[J].Cereal Chemistry，1995，72：147–150.
[49]Leao C，Van uder N.[J].Biochimica et Biophysica Acta，1994，774：43–48. |
