纤维素燃料乙醇生产技术研究进展

２２酶 水解 ＿
酶水解是利用纤维素酶将纤 维素水解成单糖的过程 。 纤维 素酶是一种复合酶 ， 主要包括葡聚糖外切酶（ ｘ酶 ， ＭＣ酶） ｃ Ｃ ， 葡聚糖内切酶 （ Ｃ１酶 ，微 晶纤维素酶 ，纤 维二糖水解酶） ｐ 和 一 葡萄糖苷酶等三种组分 。另外 ， 了生产 乙醇 ，纤维素酶还可 除 用于其它化学 品联产， 因此纤维素酶的利用是扩大纤维素应用 领域和高值化利用纤维素 的一条可行的新途径 。 美 国国家可再 生能源实验室（ Ｒ Ｌ在 纤维素 乙醇技术 研 Ｎ Ｅ） 究方面走在世界 前列， 采用稀酸预处理过 的含半纤维素的玉米 秸秆 ，水解产物中加入纤维素酶 ，稀释后约有 ２ ０％的 固体 ， 然后在 ６ ５℃的糖化反应器中停留 ３ ，约 ９ ６ｈ Ｏ％的纤维素转 化为葡萄糖。其玉 米秸秆单耗为 ３７ ／乙醇 ，水耗为 ７２ ｔ ．５ｔ ｔ ． ／ ｔ 乙醇 ，蒸汽消耗为 ４８ｔ 乙醇 ，总能耗 ７ ０ｋ ．／ ｔ ５ ｇ标煤／ 乙醇 。 ｔ 酶水解工 艺的优点在于 ： 可在常温下反应 ， 水解 副产物少 ， 糖化得率高， 不产生有害发酵物质 ， 并且可以和发 酵过程耦合。 但是现有技术生产的纤维素酶酶 活低 （ 与淀粉酶差 距在 两个数 量级 以上） ，导致酶的使用成 本很高，制约了纤维乙醇 的商业 化。 目前全球几家大型的酶 制剂公 司如美 国杰能科 （ ｎｒｃｒ Ｇｅｅｎ ｏ） 和丹麦诺维信 （ ｖ ｚ ｍｅ） Ｎｏ ｏｙ ｓ 都在致力于开发高效低 廉的纤维素 酶产品，预计这一技术将在 ２ １ ０ ２年前后取得 实质性突破。
１４ 生 物法 ．
常用于降解木质素 的微 生物有 自腐菌、 褐腐菌、软腐菌等 真菌 。 由于成本低和设备简单 ， 生物法预处理具有独特 的优势 ， 可 用专 一的木 质酶处理原料 ，分解木质 素和提高木质素消化 率。 此方法虽然在试验 中取得 了一定的成功 ， 但还停留在实验 室阶段【口 ８ 】
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化
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２１ ０ ０年 第 ５期 第 ３ 卷 总第 ２ ５ ７ ０ 期
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剧膨胀 ， 产生 “ 爆破”效果 ， 维素结 晶度提高 ， 纤 聚合度下降 ， 半纤维素部分降解 ， 细胞壁破坏后木素与纤维素分离 ， 可部分 剥离出木素 ， 并将原 料撕 裂为细小纤维 。 产生的小分子 副产物 需要经过水洗和 中和去除。该法处理费用低 ，酶解效果好 ，已 成功用于 中粮肇东 ５ ０ ／ ０ 年玉米秸秆纤维素 乙醇装置、 山东泽 ｔ 生生物科技公 司与中国科学 院过程工程研究所合作建设的“ 年 产 ３０ 秸秆发酵生产燃 料乙醇示范工程” ０ ０ｔ ，加拿大 Ｉｇ ｎ ｏ ｅ 公 司在渥太华建设的 日加工麦秆量 ４ 的生产示范装置（ ０ｔ 年产 乙 醇 ３０ ｔ 右 ） ００ 左 。
是指 用纤维素酶对木质 纤维素进行水解 ，同时加入酵母 菌， 使糖化与发酵在 同一容器 内进行 。 纤维素 同步糖化发酵制 乙醇将纤维素酶解 糖化和 乙醇发酵过程耦合， 解除 了酶解产物 纤维二糖和葡萄糖对纤 维素酶 的反馈抑制 ， 提高 了纤维素酶 的 酶解效率 ， 被认为是纤维素 乙转化最有前景 的途径 。 与水解发 酵两步法相比有很 多优点 ：（）Ｓ １ Ｆ促进了反应的动力学过程 ， Ｓ 减轻 了酶解产物对 酶的抑制 ；（） ２减少 了酶 的用量 ，因此纤维 素酶解成 本有 望大幅度减少 ；（） ３由于是 同时糖化发酵 ，所 以 反应 时间可大 大缩短 ；（） ４葡萄糖生成与消失几乎 同步 ，增加 了发酵产率。 这种 方法 的缺点是酶的糖化速率要与酵母的发酵 速率相互 协调的问题难以控制 。糖化速率太快 、发酵速率 … 迟缓 ，则会 有大量 的单糖累积 ， 容易滋生杂菌，造成发酵过程 升酸幅度大 ； 如果糖化速率慢 ， 而酵母数量多，则会导致酵母 因缺乏碳源而影响生长 。 中科院过程工程 研究所 陈洪章 研究员带领的团队实现 了 纤维素 乙醇制备过 程中纤维素 酶解糖化一 发酵一 液体 乙醇分离 的三重耦合技 术， 便于协调糖化和发酵的最佳作用温度， 调节 反应器内的乙醇浓度 ， 避免高浓度 的乙醇对酵母菌的抑制 ，同 时可以保持较低 的葡萄糖浓度 ， 降低产物 中葡萄糖对纤 维素酶 的反馈抑制作 用 Ｊ 。
合发酵的方法缩短发酵时间、提高醪液的 乙醇含量＿ 】 。
３２ 水 解发酵 两步 法 ．
是指水解和发酵分开进行 ， 木质纤维素的水解酶通常来源 于木霉 ，曲霉和青霉 。这种方法的优点是无需脱毒 处理 ， 缺点 是水解和发酵 的周期长、 成本高、 存在葡萄糖反馈抑制 问题等。
３３ 同步糖化 发酵 ．
Hale Waihona Puke Baidu
２ 水 解
经过预处理 后的纤维素需要进一 步的水解成单糖 ， 才能被 微生物代 谢发酵成 乙醇 ， 目前主 要采 用酸水解工艺和酶水解工
艺。
２１ 酸水解 ．
酸水解是利用无机酸进行催化使纤维素转化为单糖， 催化 剂的成本较低 。 但浓酸水解 过程 中会产生一些对微 生物发酵过 程有抑制作 用的有机酸、酚类和醛类化合物等副产物 。 而超低 酸水 解 由于 设备 腐蚀 小、 环境污 染小 成为 近年 来研 究 的热 点＿ ” ，可作 为酶水解 的预处理步骤 。 】 Ｊ
４结 论
与第一代燃料 乙醇使用传统淀粉水解发酵的工艺不同， 第 二代 燃料 乙醇技术非常复杂和昂贵， 纤维素 乙醇要想实现真正 的大规模 商业化生产 ，还必须解决 以下问题 。 第一 ，作物秸秆能量密度小、分散度高、季节性强 ，原料 收集 成本高 ； 第二 ，以 “ 蒸汽爆破技术”为代表的预处理技术有待进一 步优 化 和 完 善 ； 第 三 ，吨纤 维素 乙醇需 要 的酶 制剂 成本 比较高 （０ ０ ２０ ～ ４０ ０ ０元／乙醇） ｔ ，占到纤维素 乙醇生产成本的 ５ Ｏ％以上 。因此 开发高效 的纤维素酶及新 型发酵反应器等核心设备势在必行 ； 第 四， 纤维素全生命 周期 的投入产 出比还比较低 。 木质素 和半 纤维素降解糖 的合理利 用还有待进一步 的技术突破 ，总 之 ，生物质液体燃料行业必须借鉴石化行业 “ 石油炼制和乙烯 联产” 的经验 ，坚持走 “ 生物精炼和 乙醇联产”的模式 。 相信 随着 国家对可再 生能源 尤其 是生物质液体燃料 的扶 持， 随着全球研发力度 的进一步加大 ， 用木质纤维素制取 乙 利 醇技术必将取得重大突破 ， 从而掀起一场新的 “ 生物质能源革 命” ，带来 巨大的社会、经济和 环境效益 。