吉林化工学院生物与食品工程学院 文献综述 以纤维素为原料生产燃料乙醇
学生学号： 学生姓名： 朱晨阳 专业班级： 生物技术1101 指导教师： 葛雅琨
吉 林 化 工 学 院 Jilin Institute of Chemical Technology － 0 －
摘要： 介绍了纤维素的基本特征，重点阐述了纤维素发酵生产酒精工艺中的发酵工艺的技术特点，综述了美国、加拿大、日本、瑞典、巴西、中国在利用纤维素原料生产乙醇方面的发展现状，并且对纤维素发酵生产酒精的前景进行了展望。
关键词：纤维素；酒精；水解；发酵
1引言 酒精被誉为可再生绿色能源燃料，由于其燃烧污染小、容易运输和贮藏，在价格上酒精也可与汽油相竞争。因此，酒精成为最有可能取代石油的新能源，具有巨大的开发前景[1]。 目前生产燃料酒精是以玉米为原料，但原料成本占总成本的70％～80％。纤维素是地球上最丰富、最廉价可再生资源。据资料表明，植物通过光合作用使光能以生物能形式固定下来，其生成量每年高达50×109t干物质，这些能量相当于目前为止世界能耗总量的10倍，且这些生物能年复一年通过自然界物质循环生成，是永远不会枯竭可再生资源。它们主要来源于农业废弃物，如麦草、玉米秸秆、甘蔗渣等；工业废弃物，如制浆和造纸厂的纤维渣、锯末等；林业废弃物；城市废弃物，如废纸、包装纸等。这些资源中有大部分是以纤维素、半纤维素形式存在，因此研究开发纤维素转化技术，将秸秆、蔗渣、废纸、垃圾纤维等纤维素类物质高效转化为糖，进一步发酵成酒精，对开发新能源，保护环境，具有非常重要现实意义[2～4]。 2 国内外研究现状 2.1 国内研究现状 中国科学院早在1980年就在广州召开了“全国纤维素化学学术会议”，把开发利用纤维素资源作为动力燃料提上了议事日程。我国在“十五”规划中制定了发展燃料乙醇的规划，规划中分三步走，其中的第三步就是利用植物秸秆、稻壳等纤维素生产燃料乙 吉林化工学院生物与食品工程学院文献综述 - 1 - 醇，并全面推广。《变性燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划》专门对代表燃料乙醇发展方向的纤维素燃料乙醇技术做出规划，“十一五”期间要投入几十亿元财政资金扶持纤维素乙醇工业化生产的发展，并在税费方面实行减免。 2006年9月，河南天冠年产3000t的纤维乙醇项目在河南镇平县奠基，天冠称这是国内首条千吨级纤维乙醇产业化试验生产线。几乎同时，山东泽生生物科技公司宣布他们首创秸秆无污染爆破技术，并在固态菌种发酵方面做出突破，将建成年产3000t的纤维素乙醇示范工程。2006年10月，上海天之冠可再生能源有限公司与华东理工大学也合作完成纤维素生产燃料乙醇的中试，并尝试建造年产5000t的生产线。 厦门大学能源研究院研究“纤维素生物质发酵制燃料酒精”。已建立了纤维素生物质分解系统，分离到一批具有较强分解能力的产纤维素酶菌株，通过诱变筛选到高活力的突变株，其活性比出发菌株提高50%。开发了曲霉培养、曲酶制备、秸秆降解的成套工艺技术，利用曲酶对甘蔗渣和稻草粉进行分解，甘蔗渣的糖化率可达40%，稻草秸秆的糖化率可达45%，获得了一批具有较高产酒精能力的酵母，分别以秸秆和甘蔗渣为原料发酵产酒精，其中秸秆制酒精得率可达8%，甘蔗渣制酒精得率大于7%。 清华大学核能与新能源技术研究院承担了国家科技支撑计划项目，“生物质高效降解专用微生物筛选与构建技术研究”和“木质纤维素生产功能糖产品及其综合利用”。 上海华东理工大学能源化工系，承担国家863 项目的“农林废弃物制取燃料乙醇技术”研究，已进入工业性试验阶段。 江南大学生物工程系实验室以玉米芯先浓酸后稀酸水解得糖率为8l%，石灰中和后，接种酵母发酵生产乙醇[4]。 山东大学承担的“酶解植物纤维工业废渣生产乙醇工艺技术”项目，开发成功木糖—乙醇联产工艺，实现了生物质资源的综合利用。 中国科学院过程工程研究所和山东泽生生物科技有限公司共同承担的秸秆酶解发酵燃料乙醇新技术及其产业化示范工程，于2006 年8 月底在山东东平通过了中科院组织的项目鉴定。 中国农业科学院麻类研究所和陕西师范大学等单位合作开展的麻类等纤维质预处理、糖化液酵解生成燃料乙醇研究，已取得重大突破。 西南大学也开展了纤维素酶生产技术、天然废物利用策略等研究。
2.2 国外研究现状 美国在纤维素发酵生产燃料酒精的研究、生产和应用方面都处于世界的前列。1996 年，美国可再生资源实验室（NREL） 研究开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，由美国哈斯科尔工业集团公司建立了一个1MW稻壳发电示范工程，年处理稻壳1.2×104t，年发电量800×104kW，年产酒精2500t。 － 2 －
美国Purdue 大学可再生能源实验室利用基因工程发现了可将五碳糖转化为酒精的转基因酶，使技术难度极大的“五碳糖发酵制酒精技术”获得重大突破。 美国能源部1999年提出计划，到2015年把燃料乙醇的成本降低36%，并拟定了开发方向：研发转基因技术，使产纤维素酶酵母的活性比现有水平提高10倍以上；完善同步糖化发酵法（SSF）和并行糖化共发酵法（SS-CF，即糖化和五碳糖、六碳糖共发酵）的技术；选育纤维素直接发酵菌种，用以开发直接发酵法（DMC）。美国极力宣传乙醇燃料的优点，鼓励利用锯末、草类和废弃枝叶等农业废物提取纤维乙醇燃料的技术研发，希望在6年内纤维乙醇实现商业化。美国能源部宣布，将安排2.5亿美元用于研究开发纤维素乙醇技术。 加拿大利用纤维素原料生产燃料酒精工业一直处于世界领先地位。加拿大的Iogen 公司，利用从遗传工程真菌所制成的纤维素酶有效地使纤维素水解为葡萄糖和其他糖类，然后采用酿酒酵母使葡萄糖发酵为酒精。Iogen 能源公司拥有一套2230 万美元的示范设备，用于植物纤维素原料转化生产酒精，每年可使1.2×104～1.5×104t 麦秸转化成300×104～400×104L的燃料酒精。 日本政府积极促进纤维素制乙醇技术的发展，建立了较完善的与纤维素燃料乙醇相关的研发体系，对生产过程中的一些关键性的、尚不够成熟的工艺组织了专门的研究机构进行专题研究。主要包括：纤维素的前处理、糖化和发酵技术开发、纤维素酶育种、乙醇膜脱水技术，发酵液中乙醇的膜分离等技术的开发[8]。目前日本已经完成了从720kg蔗渣中制取200L酒精的中试。 巴西，酒精工业是国民经济支柱，完全由政府所控制。巴西政府一方面制定政策限制石油消费，另一方面则开辟大量土地种植糖蔗，利用榨汁后蔗渣发酵生产燃料酒精。生产酒精主要用于配制汽油醇（GASOHOL），酒精含量最高为20%。到目前为止，巴西所产汽车90%采用酒精燃料发动机，全国有50%以上的交通工具使用酒精燃料。巴西从20 世纪8O 年代开发的用甘蔗渣生产酒精的技术居世界领先地位，并已在多个国家注册了专利。巴西Dedini S/A IndU strias de Base 基础工业公司对被称为Dedini 快速水解法的先进技术拥有专有权。 瑞典提出，2020年之后利用纤维素生产的燃料乙醇全部替代石油燃料，彻底摆脱对石油的依赖。 3 纤维素的基本特征
纤维素广泛存在于各种植物体内，其生命功能为植物的结构多糖，是组成植物细胞壁的主要成分，通常被包埋在果胶质、半纤维素、木质素、伸展蛋白等组成的基质中，起增强细胞抗张强度和机械性能的作用，以抵抗渗透压和支撑植株。不同植物及同种植物不同部位的纤维素含量有很大的差异，植物茎杆纤维素含量丰富，是纤维素的主要来 吉林化工学院生物与食品工程学院文献综述 - 3 - 源。一般来说，纤维素占植物体干质量的比例分别是叶约10%，木材大于50%，麻纤维70%～80%、棉纤维90%～98%[5]。 在植物纤维素原料中，除含有纤维素外，还含有半纤维素、木质素、蛋白、矿物质等植物组织质。其中，半纤维素主要由木糖及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成，木质素则是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物[6～7]。 4 纤维素发酵生产乙醇 4.1直接发酵法 直接发酵法就是以纤维素为原料进行直接发酵，不需要进行酸解或酶解前处理过程。这种工艺设备简单，成本低廉，但酒精产率不高，易产生有机酸等副产物。其难点在于很难找到高效的酒精发酵菌株。另外，为解决该法乙醇产量低、易产生有机酸等副产物的问题，可以采用混合菌直接发酵。例如热纤梭菌能分解纤维素，乙醇产率较低（约50％），热硫化氢梭菌不能利用纤维素，但二者混合发酵，乙醇产率可达70％，并且可将乙醇与乙酸的比值提高10 倍以上[9]。 4.2间接发酵法
间接发酵法先用纤维素酶水解纤维素,酶解得到的糖液进行发酵。此法中乙醇产物的形成受末端产物、低浓度细胞以及基质的抑制。为了克服乙醇产物的抑制,必须不断的从发酵罐中移出乙醇,采取的方法有:减压发酵法、快速发酵法等。对细胞进行循环利用,可以克服细胞浓度低的问题。筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株,以及使菌体分阶段逐步适应高基质浓度,可以克服基质抑制。 4.3 糖化、发酵二段发酵法
先进行纤维素水解，生成葡萄糖；再将葡萄糖作为发酵碳源，进一步发酵生成酒精。酒精产物的形成主要受末端产物抑制，为了提高酒精产率，必须不断地将其从发酵罐中移出。采取方法有减压发酵法、快速发酵法。对细胞进行循环使用，可克服细胞浓度低的问题。筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株，以及使菌体分阶段逐步适应高基质浓度也可克服基质抑制。 4.4同步糖化发酵法(SSF法)
纤维素的酶水解和发酵糖化产生酒精的过程在同一装置内连续进行，这样酶水解的产物葡萄糖因菌体的不断发酵而被利用，消除了因葡萄糖浓度较高而对纤维素酶的反馈抑制作用。 纤维素酶的最适温度为50℃，酵母发酵温度在37～40℃，最终产物乙醇对纤维素酶和微生物的活性、中间产物木糖对水解过程都有抑制作用。解决方法是选用耐热酵母菌或耐热酵母菌与普通酵母菌混合发酵，以解决最适温度差异问题；通过基因工程在酒精发酵菌中引入利用木糖的基因，减弱木糖的抑制作用；采用非等温同步糖化发酵法（NSSF），使2 个阶段保持各自的最适温度，提高酒精产率[10]。