秸稈發酵生產燃料乙醇關鍵技術的發展方向研究
摘要：討論了秸稈發酵生產燃料乙醇工藝中的主要存在問題及其發展方向。系統的論述了目前常用的工藝流程，通過對比預處理、水解、發酵各個工藝中不同方法的優缺點，分析可行的發展方向。
1前言
能源作為現代社會賴以生存和發展的基礎，受到世界各國的廣泛關注。石油、煤炭、天然氣等化石燃料在價格不斷上漲，正面臨資源枯竭的危險。各國不得不加速發展替代能源，其中生物乙醇需求和發展尤為顯著。生產生物乙醇的原料，目前主要是糧食和糖料，存在成本高與民爭糧(爭地)等問題。2006年12月14日，國家發改委與財政部聯合下發通知嚴格控制以糧食為原料的燃料乙醇生產規模。所以將來生產生物乙醇的根本出路，勢必會向用農作物秸稈、木屑等纖維素為原料的方向發展。我國是一個農業大國，農作物秸稈年產量達7億t以上[1]。如果采用適宜技術將它們水解成可發酵性糖，進一步發酵生產乙醇，有可能改變傳統的生產方式，對我國經濟和社會的可持續發展具有十分重大的意義。
2秸稈發酵生產乙醇技術
植物秸稈中纖維素、半纖維素和木質素通過共價或非共價鍵緊密結合成木質纖維素，其中纖維素和半纖維素占秸稈干重的2/3～3/4，纖維素和半纖維素可水解成單糖，進而通過同時糖化發酵將生成的葡萄糖發酵成乙醇。由秸稈生產乙醇主要包括3大步驟：預處理、水解和發酵。預處理和水解的最終目的是降解植物細胞壁中碳水化合物聚合物，使之變成能被微生物發酵的單糖，最后發酵六碳糖和五碳糖生成乙醇。
2.1預處理
在整個酒精生產工藝中，預處理是關鍵的第1步，它的效果不僅影響最終酒精的產率，而且還直接影響下游的工藝成本。由植物秸稈的組成和結構可以知道，無論采取何種工藝分解利用秸稈中的纖維素，都必須首先對秸稈原料進行預處理，增加有效比表面積。預處理方法歸納起來包括物理法、化學法、物理化學法和生物法。
(1)物理法。機械粉碎是纖維原料預處理的常用方法，通過切、碾和磨等工藝使纖維原料的粒度變小，增加底物和酶接觸的表面積，降低纖維素的結晶度。預處理的物理方法還包括高溫處理、微波輻射和超聲波、爆破粉碎、冷凍粉碎、聲波、電子射線等，均可使纖維素粉化、軟化，提高纖維素的酶解轉化率。但物理方法存在作用不明顯，且設備成本高；條件苛刻。
(2)化學法。包括無機酸、堿和有機溶劑等方法，該法可使纖維素、半纖維素和木質素吸脹并破壞其結晶性，使天然纖維素溶解并降解，從而增加其可消化性，但存在弊端。用稀酸處理過的纖維素中木質素的脫除效果不佳，這在一定程度上也限制了纖維原料的酶解效率。高濃度無機酸、堿處理后纖維素和半纖維素損失大，試劑回收、中和和洗滌困難；強酸和強堿對設備的要求高。有機溶劑腐蝕性和毒性大，污染嚴重，形成產物多樣，產品得率低。這種原料預處理方式顯然也制約生物質燃料乙醇的生產[2]。
(3)物理化學法。如用化學添加法和氣爆法相結合，處理效果較好，但也存在成本高，污染相對嚴重的問題。Morjanoff和Gray[3]報道說，100g甘蔗渣在加入1%的硫酸，并且水∶固體=2∶1的情況下，在220℃進行蒸汽爆破，然后進行酶解，可產生65.1g蔗糖。該預處理可使纖維結構發生一定的機械斷裂，同時高溫高壓加劇了纖維素內部氫鍵的破壞和有序結構的變化，游離出新的輕基，增加了纖維素的吸附能力，也促進了半纖維素的水解和木質素的轉化。但是這種方法對設備的要求高，能耗大，在高溫條件下部分木糖會進一步降解生成糠醛等有害物質。
(4)生物法。生物法是采用降解木質素的微生物如白腐真菌、褐腐真菌、軟腐真菌和其他細菌等在培養過程中可以產生分解木質素的酶類，從而可以專一性地降解木質素，提高纖維素和半纖維素的酶解糖化率。它具有條件溫和，專一性強，不存在環境污染，處理成本低等優點。但是目前可利用的菌種很少，因此必須分離或選育木質素氧化酶活性高，而不產生纖維素酶、半纖維素酶的菌種。
今后對預處理的發展方向是：在結合糖化、發酵整個完整工藝的基礎上，對現有的預處理方法進行優化、改進，其中利用濕氧化法或蒸汽爆破法對玉米秸稈進行預處理是較為實際的，工業生產應用的可能性較大；同時進一步了解纖維素結構對酶解的影響，深入研究預處理過程的物理化學反應機理，構建出合理的預處理模型，從而找出最佳的工藝條件，設計出相匹配的反應器，從而找到更為經濟有效、低污染的預處理技術，才能推動纖維素乙醇實現工業化發展。
2.2水解
秸稈物質在一定溫度和催化劑作用下，其中的纖維素和半纖維素加水分解成為單糖的過程即為水解。常用的催化劑有無機酸和纖維素酶，以酸作為催化劑稱作酸水解，包括濃酸水解和稀酸水解，以酶作為催化劑稱作酶水解。
(1)濃酸水解。指濃度在30%以上的硫酸或鹽酸將生物質水解成單糖的方法，其水解過程是纖維素→酸復合物→低聚糖→葡萄糖。優點是糖轉化率高，無論纖維素還是半纖維素都能達到90%以上，缺點是反應速度慢，工藝復雜，酸必須回收且費用高。
(2)稀酸水解。一般指用10%以內的硫酸或鹽酸等無機酸為催化劑將纖維素、半纖維素水解成單糖的方法，水解過程為纖維素→水解纖維素→可溶性多糖→葡萄糖。優點是反應進程快，適合連續生產，酸液不用回收；缺點是轉化率低(約為50%)，所需溫度和壓力較高，副產物較多，反應器材質要求高。
(3)酶水解。酶水解是始于20世紀50年代的生化反應，是較新的纖維素水解技術。利用纖維素酶對生物質中的纖維素進行糖化進而發酵生成乙醇。酶解過程不需要外加化學藥品，副產物較少，提純過程相對簡單，生成糖不會發生二次分解，因此越來越受到各國重視，甚至有人預測酶水解有替代酸水解的趨勢。秸稈原料的酶水解在整個生產燃料乙醇成本中占60%左右，故控制酶水解的成本，對整個乙醇生產成本的控制，起著非常重要的作用。
發展方向：由于酶水解中酶解效率較低，酶解周期長，酶需用量較大，轉化率不高及水解液中糖濃度較低等方面的原因，所以篩選和誘變纖維素酶高產菌種研發轉基因技術，或是提高纖維素酶的利用效率都是在酶水解逐漸代替酸水解的過程中不可忽略的捷徑。
2.3發酵
傳統的葡萄糖轉化成酒精的工藝是很簡單的，但是秸稈類物質轉化成酒精時涉及的生物催化反應(纖維素水解、己糖發酵和戊糖發酵)由于組合的程度不同，工藝過程變化也很大，其中將纖維素水解與發酵共同進行的工藝就有多種。
總的來說發酵方式可以分為以下幾種：
(1)水解發酵二段法(SHF)。將纖維素先用纖維素酶糖化，再經酵母發酵成酒精的方法，即所謂水解發酵二段法。這種方法可以分別使用水解和發酵各自的最適條件(分別為50℃和30℃)，但是酶水解產生的產物會反饋抑制水解反應。
隨著水解過程中葡萄糖濃度的不斷升高，酶解反應很快就因為產物抑制作用而使反應速度降低，反應進行不完全。
(2)同步糖化發酵(SSF)。在加入纖維素酶的同時接種酒精發酵的酵母，可使生成的葡萄糖立即被酵母發酵成酒精；去除了產物抑制，就可以不妨礙纖維素糖化的繼續進行，酒精得率可明顯提高。這就是所謂的同步糖化發酵技術。SSF技術的關鍵是選擇最適的酵母。酶解的最適溫度約為50℃，而普通釀酒的最適發酵溫度通常約30℃。
選擇耐高溫酵母有利于SSF技術的應用。杜秉海[4]等采用固態同步糖化發酵工藝，利用纖維素酶曲和酒精活性干酵母對纖維廢渣進行固態酒精發酵，可使酒醅酒度達到8.7%。夏黎明[6]等在間歇填料條件下，玉米稈原料的用量為120g/L，7d后糖化率達89.2%。
(3)同步糖化共發酵(SSCF)。就是在發酵罐內同時發酵戊糖和己糖。在中試條件下，普度大學構建的重組酵母LNH2ST菌株進行同步糖化共發酵4天，78.4%的可用葡萄糖和56.1%的可用木糖被轉化成乙醇。
(4)統合生物工藝(CBP)。統合生物工藝，先前被稱為直接微生物轉化，可將纖維素酶生產、水解和發酵組合在一步里完成。自然界中的某些微生物具有直接把生物質轉化為乙醇的能力。CBP代謝工程也可以通過兩條途徑進行：使用能降解纖維素的微生物或是能產生乙醇的基因工程菌；使用發酵產物的得率和耐性都已經過考驗的菌株，如酵母通過外源纖維素酶的表達使其也能降解轉化纖維素。
(5)固定化細胞發酵法。固定化酵母細胞發酵法能使反應器內細胞濃度提高，細胞可連續使用，最終提高發酵液的乙醇濃度。固定化細胞發酵的新動向是混合固定細胞發酵，如酵母與纖維二糖酶一起固定化，將纖維二糖轉化成乙醇。
它既實現了發酵過程的連續化操作，又消除了葡萄糖效應對木糖發酵的影響，保證了木糖發酵與葡萄糖發酵在串聯流程中的同步性，從而大大縮短了混合糖發酵的周期，保證了整體發酵速率。這是一項具有工業前景的新工藝。
發展方向：完善同步糖化發酵法和并行糖化共發酵法的技術；選育纖維素直接發酵菌的菌種，用以開發直接發酵法，使工藝流程一體化，減少流程的步驟，降低能量的需求。
3討論
雖然我國開始用生物質材料生產乙醇的時間不是很長，最近幾年，在預處理、酶水解、發酵和工藝流程的一體化方面有了很大的改善。但是這種狀態距離產業化還相當的遙遠，因為人們尚未找到用秸稈制燃料乙醇的高得率方法和技術。到目前為止，用秸稈制取燃料乙醇，其轉化率非常低，大約只有8%～10%(國內)和18%～20%(國外)，單位成本高，對生物質資源的消耗也過大，同時會消耗大量的水資源，并產生相當的排放污染。
所以，為了使乙醇生產的工藝流程具有經濟可行性，并且進一步提高乙醇的總產量，提高轉化階段的生產率，降低生產成本，我們必須明確研究方向，找到突破的瓶頸，才能為我國秸稈轉化燃料乙醇的規模化、產業化、低成本生產奠定基礎。
參考文獻
[1]張繼泉，郭利美，王瑞明.玉米秸稈發酵生產燃料酒精工藝探討[J].廣州食品工業科技，2004，19(2)：24-25.
[2]Yu ZS，Zhang HX Ethanol fermentation of acid-hydrolyzed cellu-losic pyrolysate with Saccharomyces cerevisiae[J].Bioresour Tech-nol，2004，93：199–204.
[3]張宇昊，王頡，張偉，等.半纖維素發酵生產燃料乙醇的研究進展[J].釀酒科技，2004(5)：72-74.
[4]杜秉海，曲音波，高培基.纖維廢渣酒精發酵及纖維素淀粉共發酵的研究[J].食品與發酵工業，1995 (5)：15-20.
[5]夏黎明，代淑梅.應用固定化里氏木酶糖化玉米桿纖維素的研究[J]微生物學報，1998，38 (2)：44.
四川大學生命科學學院 馮瑋，宋鵬，向文良，楊志榮 摘自中國新能源網
