玉米储藏

技术论坛

中国高新技术企业

纤维原料生产燃料乙醇的研究进展

文／刘超超

【摘要】

李海亮

纤维素将成为生产燃料乙醇的主要原料。随着生产工艺的不断研究，纤维素生产燃料乙醇的预处

理、糖化、发酵以及废料的回收利用工艺都在不断的革新。人们在寻求降低纤维原料生产燃料乙醇成本的方法，以尽快实现纤维原料生产的工业化。【关键词】纤维原料

预处理

糖化

发酵

燃料乙醇作为一种生产工艺成熟、原料来源广泛的替代能源越来越受到人们的关注。生产燃料乙醇的原料主要有三大类：粮食类作物、经济类作物和木质纤维素。目前，粮食类作物的生产工艺最为成熟，美国就是主要以粮食作为生产燃料乙醇的主要原料的，但这种方法生产必然要消耗大量粮食。据２００３年相关统计，全球乙醇总产量６１％是以甘蔗和甜莱为生产原料，燃料乙醇生产大国巴西就是以甘蔗为主要原料，而欧盟则是以甜菜为主要原料。地球上每年大约形成１０００亿吨植物有机物，是自然界分布最广、含量最多、价格低廉，而又未得到充分利用的可再生资源之一，利用价廉而来源广泛的纤维原料生产燃料乙醇将对解决能源危机起到重要作用。美国可再生燃油协会指出，美国科学家正在接近于发明将纤维素材料加工成乙醇有效办法，但这种办法进行大规模商业生产可能要在５－６年之后才能实现

［７］

糖，最后由ＧＬ将纤维二糖水解为葡萄糖。此方法酶的消耗量大，糖化时间长，造成成本居高不下［４］。

２．３生物糖化

生物糖化是将预处理后的纤维素利用微生物分泌的水解酶直接糖化，相当于用微生物代替酶。这种方法可以避免使用大量的酶，有效的降低生产成本，但也存在较多的问题，例如微生物的选育问题，水解过程中杂菌的控制问题等，这些都会使生产过程复杂化，因此这种方法目前还无法实现工业化。

３．菌种的选育方法

乙醇发酵的菌种主要是酵母菌和细菌，细菌研究的较多的是运动发酵单胞菌。目前菌种的选育方法除了从自然界中筛选外，主要是通过基因工程的手段构建基因工程菌。主要是构建酵母工程菌和细菌工程菌。实验证明将木酮糖激酶基因ＸＫＳ１克隆到已含有

。

１．纤维原料的预处理工艺

目前纤维素的预处理工艺主要有物理法、化学法、物理化学结合法和生物法四大类。

物理法主要包括机械粉碎、高温分解、微波或超声波、液相热水预处理等。化学法是目前研究的最多的方法，主要有酸处理、碱处理、有机溶剂处理、氧化处理等。物理化学法则主要有蒸汽爆裂、氨纤维爆裂、臭氧处理、有机溶剂处理、氧ＣＯ２爆裂等。其中ＣＯ２爆破、化处理等方法，很少被应用，报道不多。

生物法是新兴的预处理方法，常用于降解木质素的真菌是木腐菌，通常是白腐菌、褐腐菌和软腐菌。其中，软腐菌的木质素分解能力很低，褐腐菌只能改变木质素的性质而不能分解木质素，只有白腐菌分解木质素的能力较强。目前国际上研究最多并表现出有效降解能力的白腐真菌是黄孢原毛平革菌。白腐菌处理法作用条件温和，能耗低，具有独特的优势。但处理时间长，生产周期长，距实现工业化生产还有一定距离。因此，用基因工程对白腐菌进行改良，筛选不含纤维素酶、半纤维素酶的木质素降解菌，将有助于拓展生物预处理的应用

［１］

ＸＹＬ１和ＸＹＬ２基因的酿酒酵母转化子中，构建新的酿酒酵母，乙醇的产率明显提高。这种酿酒酵母既可以单独利用木糖和葡萄糖，也能实现两种糖的共同利用。此外，细菌和真菌的纤维素酶基因已成功的引入酿酒酵母中，并成功的表达；将木糖异构酶、木酮糖激酶、转酮酶和转醛酶催化的木糖代谢途径，引入运动发酵单胞菌，成功发酵木糖生成乙醇。将质粒ｐＺＢ５转化至运动发酵单胞菌菌种ＺＭ４

（ＡＴＣＣ３１８２１）中，得到了重组菌ＺＭ４（ｐＺＢ５），可发酵木糖和葡萄糖的混合糖。

此外，日本开发的项目使用新型育种技术—“细胞表层显示技术”，可以培育出具有这些功能的新型高效乙醇发酵微生物［５］。

４．发酵工艺

目前纤维素的发酵工艺主要有先糖化后发酵（ＳＨＦ）、边糖化边发酵（ＳＳＦ和ＳＳＣＦ）、生料发酵、固定化发酵、混合菌种发酵、非等温同步糖化发酵法（ＮＳＳＦ）、高浓度发酵、液化糖化连续发酵工艺、联合生物加工工艺（ＣＢＰ）等［８］。以下主要介绍几种方法，其余方法研究较，早多都报道。

。

４．１混合菌种发酵

混合菌种发酵法是利用多碳源发酵乙醇的菌株发酵葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等单糖和寡糖的混合物。不过，碳源利用率低，乙醇产率低，工艺及设备满足代谢上有困难，可采用气升柱发酵木糖和溢流柱发酵葡萄糖的串联发酵工艺。

２．糖化工艺

２．１酸法糖化

酸法糖化可分为稀酸法和浓酸法。稀酸法时纤维素上的氧原子和溶液中的氢离子相结合，变得不稳定，易和水反应，长链即在此处断裂，从而实现纤维素长链的连续解聚，分解为葡萄糖。通常分为两个步骤：第一步用较低温度分解半纤维素为木糖；第二步用较高温度分解纤维素为葡萄糖。在较低温度下纤维素可完全溶解在硫酸中，转化成几个葡萄糖单元的低聚糖，然后加水稀释并加热，一定时间后即水解为葡萄糖，此即浓酸法。此方法糖的回收率较高，但对设备的要求极高，酸必须回收

［３］

４．２液化糖化连续发酵工业

目前连续法日本采取细胞表层显示、凝集性酵母技术的无蒸煮、长期连续发酵法。通过“细胞表层显示技术”培育出新型高效乙醇发酵微生物，当用连续浓硫酸法处理过的纤维素（低聚糖和单糖的混合物）通过这种新型酵母的细胞表层分解后可转化为葡萄糖，然后再发酵成为乙醇。这种方法提高了糖化效率，使高速发酵成为现实，菌体和酵素可在反应器内始终保持高浓度，可以持续反复使用。

。

２．２酶法糖化

葡聚糖内切酶（ＥＤ）、纤维二糖水解酶（ＣＢＨ）和β－葡萄糖苷酶

（ＧＬ）协同作用糖化效果最佳。ＥＤ先在纤维素分子内部打开缺口，形

成大量非还原性末端，之后ＣＢＨ作用于非还原性末端形成纤维二

４．３联合生物加工工艺（ＣＢＰ）

ＣＢＰ是指利用一种工程菌来完成多步骤的生物反应的技术。ＣＢＰ不包括生产纤维素酶的过程，因此底物和原料的消耗相对较

６４