木質(zhì)纖維素類原料燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)進展

木質(zhì)纖維素類原料燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)進展木質(zhì)纖維素是地球上最豐碩的可再生資源，據(jù)測算年總產(chǎn)量高達1500億噸，蘊儲著龐大的生物質(zhì)能。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，作物秸稈（如稻草、麥稈等）的年產(chǎn)量超級龐大（年產(chǎn)可達7億噸左右，相當(dāng)于5億噸標(biāo)煤），據(jù)統(tǒng)計，目前的秸稈利用率33%，但通過必然技術(shù)處置后利用的僅占2.6%，其余大部份只是作為燃料等直接利用，開發(fā)前景超級廣漠。一、木質(zhì)纖維素的降解技術(shù)木質(zhì)纖維素降解能夠采納酸水解和酶水解兩條不同的技術(shù)線路來實現(xiàn)。酸水解技術(shù)在酸水解工藝中，能夠利用鹽酸或硫酸，依照利用酸的濃度不同能夠進一步分為濃酸水解和稀酸水解。法國早在1856年即開始進行了濃硫酸水解法進行乙醇生產(chǎn)，濃酸水解進程為單相水解反映,纖維素在濃酸作用下第一溶解,然后在溶液中進行水解反映。濃酸能夠迅速溶解纖維素,但并非是發(fā)生了水解反映。濃酸處置后成為纖維素糊精,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,它比纖維素易于解）,但水解在濃酸中進行得很慢,一樣是在濃酸處置以后再與酸分離,利用稀酸進行水解。稀酸水解木質(zhì)纖維素的技術(shù)可謂歷史悠長，1898年德國人就嘗試以林業(yè)生產(chǎn)的廢棄物為原料生產(chǎn)乙醇，并成立了工業(yè)化規(guī)模的裝置，每噸生物量能夠生產(chǎn)50加侖的乙醇。與濃酸水解的工藝線路相較，稀酸水解需要在比較高的溫度下進行，才能使半纖維素和纖維素完全水解。稀酸水解木質(zhì)纖維素通常采納二級水解的工藝方案：第一級水解反映器的溫度相對第二級來講略低一些，比較容易水解的半纖維素能夠降解；第二級反映器要緊降解難降解的纖維素，水解后剩余的殘渣主若是木質(zhì)素，水解液中和后送入發(fā)酵罐進行發(fā)酵。酶水解技術(shù)同植物纖維酸法水解工藝相較,酶法水解具有反映條件溫和、不生成有毒降解產(chǎn)物、糖得率高和設(shè)備投資低等優(yōu)勢。而妨礙木質(zhì)纖維素資源酶法生物轉(zhuǎn)化技術(shù)有效化的要緊障礙之一,是纖維素酶的生產(chǎn)效率低、本錢較高。目前利用的纖維素酶的比活力較低,單位原料用酶量專門大,酶解效率低,產(chǎn)酶和酶解技術(shù)都需要改良。為了知足競爭的需要，生產(chǎn)每加侖乙醇的纖維素酶的本錢應(yīng)該不超過7美分。但在目前產(chǎn)酶技術(shù)條件下,生產(chǎn)1加侖乙醇需用纖維素酶的生產(chǎn)費用約為30?50美分。要實現(xiàn)纖維素物質(zhì)到再生能源的轉(zhuǎn)化要緊有兩點：第一能夠?qū)ひ掃m合于工業(yè)生產(chǎn)的高比活力的纖維素酶。細菌和真菌產(chǎn)生的纖維素酶均能夠水解木質(zhì)纖維素物質(zhì)，細菌和真菌中都存在有復(fù)雜的纖維素酶水解系統(tǒng)，盡管其水解微晶纖維素的能力超級強，可是由于其復(fù)合物的分子量十分龐大，而且單個組份又不具有水解微晶纖維素的能力，因這人們一直試圖從其他物種中尋覓更符合工業(yè)應(yīng)用和更具有應(yīng)用前景的纖維素酶。日本一家實驗室從甲蟲中取得一種葡聚糖內(nèi)切酶水解羧甲基纖維素(CMC-Na)的比活力可高達150IU/mg。中國科學(xué)院上海生命科學(xué)硏究院生物化學(xué)與細胞生物所的研究人員從福壽螺中發(fā)覺了一種纖維素酶EGX，它不僅具有很高的比活力，而且具有多種酶的活性，這些結(jié)果可能提示動物纖維素酶不但具有應(yīng)用前景，還具有理論研究意義。第二應(yīng)用微生物酶工程技術(shù)提高酶活性。關(guān)于非復(fù)合纖維素酶系統(tǒng)的酶工程，要緊包括三個研究方向:(1)依照對纖維素結(jié)構(gòu)和催化機理的研究，合理地設(shè)計每一種纖維素酶；(2)對纖維素酶的定向進化，依照隨機突變或分子重組的方式挑選改造后的纖維素酶；(3)重組纖維素酶體系，提高纖維素對不溶性纖維素的水解速度或程度。另外,應(yīng)用納米技術(shù)進行分子設(shè)計,能夠“對號入座”,制造與纖維素酶結(jié)構(gòu)和功能類似的納米催化劑,取得新的或加倍穩(wěn)固轉(zhuǎn)化的催化途徑,并實現(xiàn)催化劑的固定重復(fù)循環(huán)利用。同時,通過納米傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)對酶解/發(fā)酵進程進行智能化在線監(jiān)控,能夠?qū)崟r精準地優(yōu)化動態(tài)反映條件,提高酶解/發(fā)酵效率?？傊?，隨著生物化學(xué)、分子生物學(xué)和基因工程等多種交叉學(xué)科的快速進展，取得適合工業(yè)化的高比活力的纖維素酶已為期不遠。2.發(fā)酵技術(shù)利用木質(zhì)纖維素原料生物轉(zhuǎn)化酒精要緊有幾種途徑:分步水解和發(fā)酵、同時糖化和發(fā)酵和直接微生物轉(zhuǎn)化。2.1分步水解和發(fā)酵分步水解和發(fā)酵即纖維素酶法水解與乙醇發(fā)酵分步進行，這種方式最大的優(yōu)勢確實是各步都能夠在各自的最適溫度下進行，45?50°C酶解，30?35°C乙醇發(fā)酵。而其最大也是致命的缺點是在酶解進程中釋放出來的糖會反饋抑制酶的活性，因此纖維素的濃度無法提高，相應(yīng)的要求提高酶用量才能取得必然的乙醇產(chǎn)量。同時糖化和發(fā)酵同時糖化和發(fā)酵即纖維素酶解與葡萄糖的乙醇發(fā)酵在同一個反映器中進行，酶解進程中產(chǎn)生的葡萄搪被微生物所迅速利用，解除葡萄糖對纖維素酶的反饋抑制作用，提高了酶解效率，SSF是目前典型的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇的方式，國內(nèi)外的中間實驗大體都采納的此法。一方面工廠大罐發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶，另一方面將原材料進行預(yù)處置后加入纖維素酶和酵母菌株進行同時糖化發(fā)酵，不水解的木質(zhì)素和纖維素殘渣分離開來燃燒提供能量，乙醇那么通過傳統(tǒng)蒸餾工藝回收。這種方式相應(yīng)的要求纖維素酶生產(chǎn)本錢和周期的降低，能同時發(fā)酵五碳糖和六碳糖的轉(zhuǎn)基因酵母，優(yōu)化的預(yù)處置手腕和持續(xù)工藝的開發(fā)和利用。在經(jīng)濟和技術(shù)可行性確信之前，示范性工廠的長期運行是必然的。SSF工藝的要緊問題是水解和發(fā)酵所需的最正確溫度不能匹配，45?50°C酶解，30?35°C乙醇發(fā)酵。SSF常在35?38C下操作，這一折中處置使酶的活性和發(fā)酵的效率都不能達到最大，Zbangwen等設(shè)計了非等溫的SSF工藝，它包括一個水解塔和一個發(fā)酵罐，不含酵母細胞的流體在二者之間循環(huán)。該設(shè)計使水解和發(fā)酵可在各自最正確的溫度下進行，也可排除水解產(chǎn)物對酶水解的抑制作用，但顯然也使流程復(fù)雜化了。目前美國國家可再生能源實驗室（NREL）還在進行同時糖化和共發(fā)酵工藝的研究，即把葡萄糖和木糖的發(fā)酵液放在一路，用于發(fā)酵的微生物即轉(zhuǎn)基因的運動發(fā)酵單孢菌，與單純用葡萄糖發(fā)酵菌和單純利用五碳糖發(fā)酵菌相較，乙醇的產(chǎn)量別離提高30?38%和10?30%。木質(zhì)纖維素的酶水解和同步糖化發(fā)酵進程是多相、多酶催化進程，在SSF進程中還同時存在微生物的生長。關(guān)于如此復(fù)雜的體系，在生物反映器和生物反映動力學(xué)方面的研究還十分缺乏。研究開發(fā)適合該體系的高效生物反映器和成立描述反映動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型對提高效率、把握進程的機理及指導(dǎo)進程放多數(shù)將有重要的意義。直接微生物轉(zhuǎn)化直接微生物轉(zhuǎn)化即作物秸稈中的纖維素成份通過某些微生物的直接發(fā)酵能夠轉(zhuǎn)換為酒精。這些微生物既能產(chǎn)生纖維素酶系水解纖維素又能發(fā)酵糖產(chǎn)生乙醇。前兩種方式都要求有獨立的纖維素酶生產(chǎn)，而這種方式那么一步包括了所有這三個步驟:纖維素酶生產(chǎn)、纖維素水解和發(fā)酵糖為酒精。粗糙脈孢菌和尖鐮孢菌是直接轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素材料為乙醇研究較多的兩種真菌。這兩種菌都能同時具有產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶，發(fā)酵葡萄糖和木糖產(chǎn)生乙醇的能力，在有氧條件下產(chǎn)生纖維素酶水解底物，在半通氧條件下發(fā)酵糖產(chǎn)生乙醇。與目前的廣被同意的SSF相較，直接發(fā)酵產(chǎn)乙醇有著獨特的優(yōu)勢:第一，此舉似乎比基因工程菌更值得研究。一方眼前者不需添加額外的酶，而后者需要酶基因的轉(zhuǎn)入；另一方眼前者既可發(fā)酵六碳糖又可利用五碳糖，后者那么需重組質(zhì)粒，而基因工程菌一起的致命弱點是遺傳穩(wěn)固性差，目前還很難解決。第二，SSF依托于對酵母的改造和生產(chǎn)纖維素酶的本錢的進一步降低。在目前產(chǎn)酶技術(shù)條件下,生產(chǎn)1加侖乙醇需用纖維素酶的生產(chǎn)費用約為30?50美分，有更多硏究致力于將之進一步降低。但從能量角度而言，似乎直接法是最終更節(jié)省能量的做法。再次，SSF發(fā)酵的進程中，乙醇對纖維素酶的非競爭性抑制是不容輕忽的，而DMC菌種的纖維素酶活力在整個半通氧發(fā)酵進程中都維持穩(wěn)固的水平。盡管目前直接法的轉(zhuǎn)化率仍低于酵母，但由于原位的纖維素酶生產(chǎn)和纖維素發(fā)酵，天然的五碳糖發(fā)酵能力和對糖和乙醇的耐受都使得能直接轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素為乙醇的幾種微生物備受關(guān)注，尤其是粗糙脈孢菌和尖鐮孢菌對它們在不同預(yù)處置原料下的產(chǎn)酶和發(fā)酵能力的研究關(guān)于生物質(zhì)資源的全利用有專門大意義。3.精餾和脫水技術(shù)精餾和脫水能夠借鑒淀粉質(zhì)原料燃料乙醇生產(chǎn)工藝中已經(jīng)進展成熟的工業(yè)化技術(shù)，木質(zhì)纖維素類原料發(fā)酵液中乙醇濃度比較低，一樣情形下均在5%以下，致使精餾操作能耗高。有研究者建議，在木質(zhì)纖維素水解液乙醇發(fā)酵工藝中耦合滲透蒸發(fā)技術(shù)來提高進入精餾系統(tǒng)發(fā)酵液中乙醇濃度，可是滲透蒸發(fā)系統(tǒng)本身的動力消耗也比較大，而且滲透蒸發(fā)所用的透醇膜容易被發(fā)酵醪和菌體污染的問題也很突出。在美國政府能源部的支持下，NREL成立了一套日處置生物質(zhì)一噸規(guī)模的中試裝置，踴躍開發(fā)基于木質(zhì)纖維素類原料燃料