摘要:秸稈是豐富的可再生資源,主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。秸稈經(jīng)過(guò)預(yù)處理,水解和發(fā)酵可生成乙醇。秸稈生產(chǎn)乙醇的工藝包括預(yù)處理,水解和發(fā)酵。發(fā)酵方法有直接發(fā)酵法、間接發(fā)酵法、混合菌種發(fā)酵法、同時(shí)糖化發(fā)酵法和非等溫同時(shí)糖化發(fā)酵法以及固定化細(xì)胞發(fā)酵法。介紹了秸稈生產(chǎn)乙醇幾個(gè)關(guān)鍵工藝的最新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞:秸稈,酒精,木質(zhì)纖維素

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),各類農(nóng)作物纖維資源十分豐富,僅秸稈一項(xiàng)就達(dá)7億t噸以上,其中玉米秸稈約2.2億t噸,這些資源長(zhǎng)期沒(méi)有得到合理的開發(fā)。作為農(nóng)業(yè)廢棄物的玉米秸稈多以燃料燒掉,其煙霧中含大量的TSP 和SO2 ,造成大氣嚴(yán)重污染。近年來(lái)生物質(zhì)能的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱門的研究課題，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精正逐步成為人們研究的熱點(diǎn),玉米秸稈作為一種重要的農(nóng)業(yè)廢棄物,受到了廣泛的關(guān)注。

在我國(guó)，玉米秸稈除了少部分被利用外，大部分以堆積、荒燒等形式直接傾入環(huán)境，造成極大污染和浪費(fèi)，而且這種直接燃燒的方法熱效率很低，只有10%左右。如果將它們轉(zhuǎn)化成氣體或液體燃料（酒精、氫氣、柴油等）熱效率可達(dá)30%以上。這樣不但緩解人類所面臨的資源危機(jī)，食物短缺，環(huán)境污染等一系列問(wèn)題，也為人類持續(xù)發(fā)展提供了保證。

1 玉米秸稈簡(jiǎn)介

玉米秸稈主要由植物細(xì)胞壁組成，細(xì)胞壁基本組成是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，纖維素和半纖維素被木質(zhì)素層層包裹，纖維素是一種有1000-10000個(gè)β-D-吡喃型葡萄糖單體以β-1，4-糖苷鍵連接的直鏈多糖，多個(gè)分子平行排列成絲狀不溶性微小纖維，其基本組成單位是纖維二糖,它是地球上最豐富的聚合體。而半纖維素主要是木糖以及少量阿拉伯糖，半乳糖，甘露糖組成，而木質(zhì)素是以苯丙烷及其衍生物為基本單位構(gòu)成的高分子芳香族化合物，對(duì)水解纖維素起到屏障作用。到目前為止,還未發(fā)現(xiàn)能利用木質(zhì)素的單聚體來(lái)生產(chǎn)乙醇的微生物。半纖維素較易水解為五碳糖，纖維素較困難水解為六碳糖，而木質(zhì)素一般作為燃料。

2 玉米秸稈預(yù)處理

玉米秸稈結(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(jià)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(guò)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。

3 水解工藝

秸稈預(yù)處理后,需對(duì)其進(jìn)行水解,使其轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵性糖。水解是破壞纖維素和半纖維素中的氫鍵,將其降解成可發(fā)酵性糖:戊糖和己糖。纖維素水解只有在催化劑存在下才能顯著地進(jìn)行。常用的催化劑是無(wú)機(jī)酸和纖維素酶,由此分別形成了酸水解工藝和酶水解工藝。

3.1 酸水解

酸、堿水解再經(jīng)酵母發(fā)酵生成法在熱酸作用下,纖維素被降解主要轉(zhuǎn)化成葡萄糖;半纖維素則生成多種單糖(木糖、阿拉伯糖、甘露糖等)。木質(zhì)素則降解成多種單環(huán)芳香族化合物。另外還有一些如甲酸、乙酸、糠醛、羥甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等不穩(wěn)定生成物。在發(fā)酵工業(yè)上,把這些物質(zhì)分為兩大類:可發(fā)酵性糖,主要有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖以及甘露糖等;酒精發(fā)酵工業(yè)上所謂的“有毒物質(zhì)”,主要包括各種有機(jī)酸、醛類、醇類化合物以及一些無(wú)機(jī)離子等。

纖維素的酒精發(fā)酵傳統(tǒng)上以酸法水解工藝為主。稀酸水解要求在高溫和高壓下進(jìn)行,反應(yīng)時(shí)間幾秒或幾分鐘,在連續(xù)生產(chǎn)中應(yīng)用較多;濃酸水解相應(yīng)地要在較低的溫度和壓力下進(jìn)行,反應(yīng)時(shí)間比稀酸水解長(zhǎng)得多。由于濃酸水解中的酸難以回收,目前主要用的是前者。

楊斌等研究了硫酸和磷酸水解蔗渣的動(dòng)力學(xué),并建立了模型。目前生產(chǎn)中存在的主要問(wèn)題就是酸解條件苛刻,對(duì)設(shè)備有腐蝕作用,需要耐酸耐壓設(shè)備和解決水解產(chǎn)物對(duì)發(fā)酵微生物的“毒性問(wèn)題”。堿水解也存在著與酸水解同樣的問(wèn)題。

近年來(lái),對(duì)于纖維素酸解產(chǎn)物毒性問(wèn)題的研究取得了一定的進(jìn)展�，F(xiàn)在,基本上明確了這種毒性是來(lái)源于酸解過(guò)程中產(chǎn)生的一些有機(jī)酸、醛類化合物。對(duì)于它們的作用機(jī)理也進(jìn)行了深入研究,并在此基礎(chǔ)上研究了相應(yīng)的各種解毒方案。但是,更加經(jīng)濟(jì)適用的解毒方案還有待于進(jìn)一步研究。

3. 2 酶水解

由于酶解反應(yīng)條件溫和,設(shè)備簡(jiǎn)單,能耗低,污染小,因此纖維素酶解條件的研究得到廣泛的重視。從現(xiàn)有的水平來(lái)看,采用溫和的酶水解技術(shù)可能更為合適,酶水解是生化反應(yīng),與酸水解相比,它可在常壓下進(jìn)行,這樣減少了能量的消耗,并且由于酶具有較高選擇性,可形成單一產(chǎn)物,產(chǎn)率較高( > 95 %) 。匈牙利Eniko 等人采用NovoYm188 等水解經(jīng)濕氧化處理的玉米秸稈酶解纖維素轉(zhuǎn)化率(ECC) 高達(dá)85 %左右。盡管研究很多年,纖維素酶的成本仍然很高,丹麥諾維信(Novozymes) 公司曾經(jīng)宣布其纖維素酶生產(chǎn)成本已比當(dāng)初降低了12 倍,生產(chǎn)1 加侖燃料級(jí)乙醇所需纖維素酶的成本已從最初的超過(guò)5 美元的水平大幅減少到50 美分,極大地推進(jìn)了燃料乙醇的商業(yè)化進(jìn)程�，F(xiàn)在該公司又取得了重大進(jìn)展,纖維素酶生產(chǎn)成本已比最初降低了20 倍,生產(chǎn)1 加侖燃料級(jí)乙醇所需纖維素酶的成本已低于30美分。

4 發(fā)酵工藝

從葡萄糖轉(zhuǎn)化成乙醇的生化過(guò)程是簡(jiǎn)單的,通過(guò)傳統(tǒng)的酒精酵母,使反應(yīng)在30 ℃條件下進(jìn)行。但半纖維素構(gòu)成了農(nóng)作物秸稈的相當(dāng)部分,其水解產(chǎn)物為以木糖為主的五碳糖,還有相當(dāng)量的阿拉伯糖生成(可占五碳糖的10 %～20 %) ,故五碳糖的發(fā)酵效率是決定過(guò)程經(jīng)濟(jì)性的重要因素。木糖的存在對(duì)纖維素酶水解抑制作用,將木糖及時(shí)轉(zhuǎn)化為乙醇對(duì)農(nóng)作物秸稈的高效率酒精發(fā)酵是非常重要的。目前人們研究最多且最有工業(yè)應(yīng)用前景的木糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇的微生物有3種酵母菌種即管囊酵母(Pachysolen tannophilus) 、樹干畢赤酵母(Pichia stipits) 和體哈塔假絲酵母(Candida shechatae)。目前主要的發(fā)酵方法有以下幾種。

4. 1 直接發(fā)酵法

本方法的特點(diǎn)是基于纖維分解細(xì)菌直接發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇,不需要經(jīng)過(guò)酸水解或酶解前處理過(guò)程。該方法一般利用混合菌直接發(fā)酵,例如熱纖梭菌 (Clostridium thermocellum) 能分解纖維素,但乙醇產(chǎn)率較低(50%),熱硫化氫梭菌(Colstridium thermohydrosulphaircum) 不能利用纖維素,但乙醇產(chǎn)率相當(dāng)高,進(jìn)行混合發(fā)酵,產(chǎn)率可達(dá)70%。呂福英介紹了熱纖梭菌的生理生化特性及發(fā)酵生產(chǎn)的研究進(jìn)展,并對(duì)熱纖梭菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的因素以及乙醇等發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)熱纖梭菌的抑制作用作了概述。此外分離出能直接發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇的高純富集物。

目前,從發(fā)酵工藝看,此類工藝方法設(shè)備簡(jiǎn)單,成本低廉。但熱纖梭菌產(chǎn)生乙醇也存在以下問(wèn)題: ①碳水化合物發(fā)酵不完全,乙酸、乳酸、氫的形成導(dǎo)致乙醇產(chǎn)率低; ②纖維素發(fā)酵速度慢,容積生產(chǎn)力低; ③終產(chǎn)物乙醇和有機(jī)酸對(duì)細(xì)胞有相當(dāng)大的毒性。

4. 2 間接發(fā)酵法

間接法即糖化、發(fā)酵二段發(fā)酵法,它是用纖維素酶水解纖維素,收集酶解后的糖液作為酵母發(fā)酵的碳源,也是目前研究最多的一種方法。先用纖維素酶水解纖維素,酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源。由于乙醇產(chǎn)量受以下限制:末端產(chǎn)物抑制,低細(xì)胞濃度以及底物基質(zhì)抑制。為克服乙醇產(chǎn)物的抑制,可采取的方法有:減壓發(fā)酵法和阿爾法—拉伐公司的Biotile 法。另外篩選在高糖濃度下存活并能利用高糖的微生物突變菌株,可以克服基質(zhì)抑制。纖維素酶法糖化中,目前常用的菌種多來(lái)自木霉屬、曲霉屬和青霉屬。纖維素的降解需要一系列酶的共同作用才能完成,這些酶包括:內(nèi)切葡聚糖酶,外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶,這3種酶協(xié)同作用,缺一不可。纖維二糖的積累會(huì)抑制內(nèi)切和外切葡聚糖酶的催化作用,將其水解成葡萄糖,會(huì)減少這種抑制作用。葡萄糖的積累對(duì)于β-葡萄糖苷酶的催化也有一定的抑制作用。

4. 3 混和菌種發(fā)酵法

秸稈糖化液中都是葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等單糖和寡糖混合物,現(xiàn)在的趨勢(shì)是利用多種乙醇發(fā)酵菌混合發(fā)酵,利用期間的優(yōu)勢(shì),使得效率更高,盡管進(jìn)行了大量的研究,還沒(méi)有找到哪一種微生物能將所有的糖快速有效的全部轉(zhuǎn)化為乙醇,近年來(lái),基因工程菌的應(yīng)用部分解決了這個(gè)問(wèn)題。利用混合菌直接發(fā)酵,能解決酒精產(chǎn)率不高和有機(jī)酸等副產(chǎn)物的存在問(wèn)題。大多數(shù)的研究是與另一種不分解纖維素的嗜熱厭氧菌進(jìn)行共培養(yǎng),該菌能利用熱纖梭菌分解纖維素時(shí)所產(chǎn)生的游離單糖產(chǎn)生乙醇。已研究過(guò)的能在共培養(yǎng)體系中增加乙醇產(chǎn)量的微生物有嗜熱厭氧桿菌( Thermoanaerobacter ethanolicus) 、嗜熱硫化氫梭菌( Clost ridium thermohydrosulf uricum) 、嗜熱解糖梭菌( Clost ridium thermosaccharolyticum)。Hogsett 等[14]利用嗜熱解糖梭菌和熱纖梭菌直接轉(zhuǎn)化纖維性物質(zhì)為乙醇方面作了研究,能提高乙醇產(chǎn)量。

4. 4 同步糖化發(fā)酵法(SSF 法)

與間接發(fā)酵法原理相同,為了克服反饋抑制作用,Gauss[15]等提出在同一個(gè)反應(yīng)罐中進(jìn)行纖維素水解(糖化)和乙醇發(fā)酵的同步糖化發(fā)酵法。(Simultaneous Saccharificationand fermentation)。這樣纖維素酶對(duì)纖維素的酶水解和發(fā)酵糖化過(guò)程在同一裝置內(nèi)連續(xù)進(jìn)行,水解產(chǎn)物葡萄糖由菌體的不斷發(fā)酵而被利用,消除了葡萄糖因基質(zhì)濃度對(duì)纖維素酶的反饋抑制作用。在工藝上采用一步發(fā)酵法,簡(jiǎn)化了設(shè)備,節(jié)約了總生產(chǎn)時(shí)間,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)酵溫度不協(xié)調(diào)等。

張繼泉等作了有關(guān)玉米秸桿同時(shí)糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究,利用正交試驗(yàn)對(duì)玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的條件進(jìn)行了搖瓶試驗(yàn),但具體應(yīng)用到工業(yè)中尚需時(shí)日。張德強(qiáng)等以汽爆毛白楊木粉為原料,采用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行同時(shí)糖化發(fā)酵(SSF) 來(lái)生產(chǎn)乙醇。通過(guò)考察反應(yīng)溫度、pH 值、酶濃度和酵母用量來(lái)尋找綠色木霉纖維素酶和釀酒酵母同時(shí)糖化發(fā)酵轉(zhuǎn)化汽爆毛白楊木粉成乙醇的最佳條件。

4. 5 非等溫同時(shí)糖化發(fā)酵法(NSSF 法)

在纖維素酶水解過(guò)程中,纖維素酶的最適溫度為50 ℃左右,而酵母發(fā)酵的控制溫度是31～38 ℃。Zhangwen Wu采用非等溫同時(shí)糖化發(fā)酵法(Nonisothermal Simultaneous Saccharification and Fermentation , NSSF) 生產(chǎn)乙醇的工藝流程,它包含一個(gè)水解塔和一個(gè)發(fā)酵罐,不含酵母細(xì)胞的流體在兩者之間循環(huán)。該工藝使水解和發(fā)酵可在各自最佳的溫度下進(jìn)行,也可消除水解產(chǎn)物對(duì)酶水解的抑制作用,但顯然也使工藝流程復(fù)雜化了。

4. 6 固定化細(xì)胞發(fā)酵

固定化細(xì)胞發(fā)酵具有能使發(fā)酵罐內(nèi)細(xì)胞濃度提高,細(xì)胞可連續(xù)使用,使最終發(fā)酵液乙醇濃度得以提高。常用的載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻璃等。固定化細(xì)胞的新動(dòng)向是混合固定細(xì)胞發(fā)酵,如酵母與纖維二糖酶一起固定化,將纖維二糖基質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇,此法引人注目,被看作是秸稈生產(chǎn)乙醇的重要方法。

5 以纖維素類物質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇所采用的微生物

利用纖維素類物質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,對(duì)微生物的要求是很高的。由于自然界中缺乏可以利用纖維素類物質(zhì)原料有效發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的微生物,因此有必要對(duì)不同微生物進(jìn)行代謝工程改造,以便構(gòu)造出更有效的微生物。劉翔等綜述了纖維素類物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的代謝工程條件,簡(jiǎn)要描述了一個(gè)強(qiáng)調(diào)過(guò)程整體化的模型,并展望了這一領(lǐng)域今后的發(fā)展趨勢(shì)。由于乙醇耐受性的分子基礎(chǔ)還不清楚,所以利用突變和篩選還是非常有效的。近幾十年來(lái),人們發(fā)現(xiàn)許多微生物可以很好地利用纖維素類物質(zhì),但迄今為止,人們將主要精力集中在3種微生物上, 即釀酒酵母( S accharomyces cerevisiae) 、運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌( Zymomans mobilis) 和大腸桿菌( Eschericha coli) 。Ingram將攜帶有運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌(Z. mobilis) 的操縱子(operon) 和丙酮酸脫羧酶植入其他菌種,來(lái)發(fā)酵各種糖類。同時(shí)對(duì)含有各種酶的生物體(organisms)進(jìn)行了研究,以用來(lái)水解纖維素和半纖維素,理論上,乙醇轉(zhuǎn)化率為90 %以上。

6 結(jié)論和展望

纖維素類物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究已經(jīng)成為全世界研究的熱點(diǎn)課題之一。該領(lǐng)域今后的研究方向主要有以下幾個(gè)方面: ①在預(yù)處理方面,單純的物理法和化學(xué)法不足以破壞纖維素晶體結(jié)構(gòu)以及去除半纖維素和木質(zhì)素。應(yīng)在物理法與化學(xué)法相結(jié)合的優(yōu)化方面多進(jìn)行一些研究工作,而使纖維素和半纖維素更易被水解和發(fā)酵。②在化學(xué)法(酸水解) 發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇方面,應(yīng)著重研究解決如何減少酸的用量,如何高效、經(jīng)濟(jì)地回收酸,以及酸解產(chǎn)物毒性問(wèn)題的解決方案。③在生物法(酶工藝發(fā)酵) 方面,同時(shí)糖化發(fā)酵法和微生物直接轉(zhuǎn)化法中不同菌種的共培養(yǎng)和不同酶系的協(xié)同作用和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究重點(diǎn)。④酶的價(jià)格直接決定著纖維素類物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的成本,因而纖維素酶和半纖維素酶及微生物應(yīng)用技術(shù)方面的研究也是今后的熱門課題,研究?jī)?nèi)容有對(duì)微生物的選擇和培養(yǎng)、試驗(yàn)各種形式的發(fā)酵器、開發(fā)各種酶的回收方法(超濾、再吸附等) 、制取纖維酶及半纖維酶基因工程菌,還有纖維素酶、半纖維酶及微生物細(xì)胞固定化方面的研究。而混合固定化細(xì)胞發(fā)酵是固定化細(xì)胞的一個(gè)新動(dòng)向,如酵母與纖維二糖酶一起固定化,將纖維二糖基質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇。此方法用于同時(shí)糖化發(fā)酵法,是最有前途的。⑤化學(xué)法(酸水解) 與生物法(酶水解、微生物直接發(fā)酵等) 能否有機(jī)地結(jié)合,也值得研究。纖維素類物質(zhì)是自然界中最豐富的可再生資源之一。

在我國(guó)隨著液體燃料乙醇的廣泛應(yīng)用,利用農(nóng)作物秸稈發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精不但可以生產(chǎn)出辛烷值高,對(duì)大氣無(wú)污染的液體燃料乙醇,而且還可以增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,改善環(huán)境。利用秸稈生產(chǎn)燃料乙醇是生物質(zhì)產(chǎn)品商業(yè)化的重要目標(biāo),燃料乙醇是一種巨大的再生能源,因此以秸稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇具有其他淀粉質(zhì)原料不可比擬的優(yōu)勢(shì),不少國(guó)家已在多年以前就開展此項(xiàng)工作,目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),今后我們應(yīng)開發(fā)秸稈預(yù)處理新技術(shù),培育價(jià)廉高活力的新型纖維素酶及五碳糖六碳糖同步發(fā)酵的新菌種,研發(fā)出流程短、效率高、能耗低的秸稈生產(chǎn)乙醇新工藝,從而降低乙醇生產(chǎn)成本,同時(shí)應(yīng)注重秸稈中副產(chǎn)物的開發(fā),例如氣化木質(zhì)素可以較低的成本轉(zhuǎn)化為電廠的固體燃料,糠醛和醋酸也是潛在的副產(chǎn)品,有很大的市場(chǎng)潛力,這些產(chǎn)品的研發(fā)都有利于早日實(shí)現(xiàn)秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化。

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