纤维素制备乙醇技术的研究进展

纤维素制备乙醇技术的纤维素制备乙醇技术的研究进展研究进展 摘要摘要 中国面临着严重的能源短缺和环境污染问题 中国政府正在局部几个省份内政策性鼓 励燃料乙醇生产和使用 尽管当前主要是用玉米和谷物作为生产乙醇的原料 然而中国具有 大量潜在的低成本的纤维素生物质原料 可以极大地扩大乙醇的产量 降低原料成本 近20 年来 由于技术的革命性进步 已使得纤维素乙醇的生产成本从4 美元P加仑以上 降低至 约112 115 美元P加仑 其中 每吨生物质约44 美元 因此 目前乙醇掺汽油具有十分强 的市场竞争力 已有几个公司正在建造首批商业纤维素乙醇工厂 虽然这些刚起步的小型设 施在合理利用和管理上风险较小 但规模经济需要较大型工厂 尽管配送生物质原料的成本 会随需求的增加而增加 但在乙醇生产基础上的生物精炼技术的发展 尤其是化工产品和动 力的协同生产 将会使全过程的经济可行性大大提高 进一步深入的基础研究 将解决低成 本下实现纤维素的完全利用 以确保在无政策性补贴的前提下 真正使纤维素乙醇成为具有 市场竞争力的低成本纯液体燃料 关键词关键词 纤维素乙醇 研究与开发 商业化 AbstractAbstract China now faces very serious energy shortages and environmental pollution problems Thus the Chinese government is encouraging ethanol use as an alternative transportat ion fuel by introducing fuel ethanol production and distribution within several provinces Although the current emphasis is on ethanol production from corn and other grains China has huge quant ities of low cost cellulosic biomass that could significantly expand ethanol product ion volume and reduce feedstock costs Over the last 20 years a number of technical advances have dropped the cost of making cellulosic ethanol from more than S 4100Pgallon to only about S 1120 1150Pgallon for biomass cost ing about S 44 per ton At this cost ethanol is competitive for blending with gasoline and several companies are working to build the first commercial cellulosic ethanol plants Although these initial facilities will be relatively small to capitalize on niche opportunities and manage risk economies of scale appear to favor larger plants even though delivered biomass costs increase with demand and co production of ethanol chemicals and electric power can provide important synergies Advances in overcoming the recalcitrance of cellulosics are still needed to achieve competitive costs without subsidies and strategic opportunities have been defined to reduce the cost of cellulosic ethanol sufficiently to become a low cost pure liquid transportation fuel KeyKey wordswords cellulosic ethanol research and development commercialization 1 1 国内外研究进展国内外研究进展 纤维素乙醇早已成为国内外的研究热点 它的生产呈现出迅猛的发展势头 世界最大的纤 维素乙醇生产线在加拿大的Iogen 生物技术公司 采用麦秆 玉米秆等的生物质通过热燃烧 化学和生化技术转化为纤维素乙醇 2006 年 河南天冠集团与河南农业大学 山东大学 浙江大学和南京林业大学联合 以玉米秸秆为原料 一部分采用固体法 利用气体脉动装置 生产纤维素酶 而另一部分则用来生产燃料乙醇 目前 该生产技术的固体纤维素酶FPA 发 酵水平达130 U g 生产成本可控制在3500 元 t 秸秆粉则采用2 硫酸在一定的温度下进 行预处理 再酶解 纤维素酶解率达80 中粮集团于2006 年4 月正式在黑龙江启动建设 500 t 年纤维素乙醇试验装置 从实验结果看 各项技术指标均达到国际先进水平 该项 目的预处理环节采用连续蒸汽爆破技术 其中酶制剂部分与世界上最大的酶制剂公司诺维 信公司联合 据了解纤维素乙醇是目前诺维信公司的最大研发项目 其研发中心设在中国 纤维素降解生产乙醇的原料主要集中在纸 锯屑 木材 油菜籽残渣 甘蔗渣 玉米芯 大 豆壳 稻壳 农作物的秸秆 城市生活垃圾以及木薯渣等 此外 还包括一些酿酒厂和蒸馏 厂产生的废麦糟等 所有这些物料来源的木质纤维素均含有丰富的纤维素 半纤维素和木质 素 2 2 微生物生物酶及生产工艺研究微生物生物酶及生产工艺研究 目前 对于纤维素降解生产乙醇的研究 主要集中在以下几个方面 2 12 1 微生物代谢产纤维素酶降解纤维素生产乙醇微生物代谢产纤维素酶降解纤维素生产乙醇 纤维素降解为葡萄糖的过程是木质纤维素资源酶法生物转化技术实用化的重要方面 与传统 的酸水解相比 利用纤维素酶降解纤维素具有反应条件温和 不生成有毒降解产物 糖得率 高和设备投资低等优点 要实现纤维素物质到再生能源的转化就要寻找适合于工业生产的高 活力的纤维素酶 丝状真菌是纤维素降解类群 该类微生物能产生大量的纤维素酶 研究 较多的有里氏木霉 Trichoderm aviride 康氏木霉 Trichoderm a koniggii 拟康 氏木霉 Trichoderm a pseudokoniggii 绿色木霉 Trichoderm aviride 黑曲霉 Aspergillus niger 等活性较高的代表菌种 木霉属虽具有产酶量大和酶系比较齐全等 优点 对结晶纤维素有较好的酶解活性 但其纤维素酶比活力及 葡萄糖苷酶活力不高 近几十年来对真菌木霉属里氏木霉产纤维素酶的基因做了比较透彻的研究 目前人们已经 克隆了cbh1 cbh2 eg1 eg2 eg3 eg4 eg5 bg1 bg2 等纤维素酶基因 南昌航空大学 筛选获得了一株具有高纤维素酶活的黑曲霉No 5 1 突变株 以内切葡萄糖苷酶 CMCase 和 葡萄糖苷酶 glucosidase 为主 安全可靠不产生毒素 活力较高 尤其 葡萄 糖苷酶活力较高 生产周期短 可将其与其他来源的纤维素酶配合进行纤维素的水解 解 除纤维二糖抑制 提高水解度 产纤维素酶的细菌类群目前研究较多的是热纤梭菌 Clostridium themocellum 嗜酸纤维分解菌 Acidathemusaacelluloluticus Cellulom fimi Pseudan onas fluorescenssubsp Themon onospra fusca 等 细菌产生 的纤维素酶主要是内切葡聚糖酶 endo 1 4 D glucanase EC3 2 1 4 简称EG 一般不 分泌到胞外 而是处于细胞壁 固定化的状态 可在细胞壁上形成一种突起物 酶系的均 衡程度直接影响着纤维素酶系分解纤维素成分功能的发挥 因为纤维素酶系分解纤维素成 分是一个多酶协作的过程 放线菌中产量稍高的主要是黑红旋丝放线菌 Actinanycesmelanocyclus 玫瑰色放线菌 Actinanyces roseodiastaticus 和纤维 放线菌 Actinanyces cellulose 等 酵母虽不产纤维素酶 但可以利用酵母表达系统表 达纤维素酶基因 其产物高度糖基化 经正确加工修饰后可直接分泌到培养基中 表达水平 高 并且具有正常的生物学活性 也有利用E coil 表达系统表达纤维素酶基因 但是纤维 素酶在E coil 中的表达分泌水平很低 而且提取很困难 故目前该技术应用较少 纤维素 酶系是一个动态变化的复合酶体系 不同菌种不同培养时期 纤维素酶系各组分间的均衡性 很不一致 根据不同真菌的纤维素酶系在各组分均衡性方面有互补的现象 国外有人提出 混合微生物 发酵法是解决纤维素酶系均衡性的新途径 将2 类甚至2 类以上的真菌混合在一起发酵 寻求能大量分泌纤维素酶的发酵方法和工艺条件 生产出优质高效的混合纤维素酶系 但是 由于细菌和真菌产生的纤维素酶系的分子量十分巨大 并且单个组分又不具有水解微晶纤维 素的能力 所以人们一直试图从其他物种中寻找更符合工业应用以及更具有应用前景的纤维 素酶 日本一家实验室从甲虫中得到一种葡聚糖内切酶 水解羧甲基纤维素 CMC Na 的活力 可高达150 U mg 中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物所的研究人员从福寿 螺中发现了一种纤维素酶EGX 它不仅具有很高的活力 而且具有多种酶的活性 也有人利 用微生物酶工程技术提高纤维素酶的活性 2 22 2 戊糖发酵产酒精纤维质原料中的半纤维素戊糖发酵产酒精纤维质原料中的半纤维素 在预处理阶段 几乎完全直接水解为以木糖为主 还包括少量的阿拉伯糖等的五碳糖 因 此 寻求将五碳糖高效转化为酒精的菌种成为纤维素降解产乙醇研究的关键步骤之一 迄今 为止 人们已经通过直接从自然界中筛选 原生质体诱变以及分子生物学等各种手段获得了 100 多种能够代谢木糖产生酒精的菌种 由于生产条件的限制以及菌种的生长特性等各方面 的原因 目前对代谢木糖菌种的研究主要以酵母菌为主 酵母菌属于兼性微生物 在好氧 条件下 酵母菌主要以有氧呼吸为主 菌株主要进行同化作用 其底物木糖主要用于菌体合 成 而在厌氧条件下 酵母菌主要进行发酵作用 其作用底物木糖除较少部分用于菌体合成 外 大部分经厌氧发酵生成酒精和其他发酵副产物 目前人们研究最多且最有工业应用前 景的木糖发酵微生物有3 种酵母菌种 即嗜单宁管囊酵母 Pachysolen tannophilus 树干毕赤酵母 Pichia stipitis 休哈塔假丝酵母 Candida shechatae 它们的木糖 发酵酒精转化率和生产能力分别达0 2 g g 酒精 消耗的糖 左右和0 04 g L h 左右 2 13 15 另外 根据木糖在细菌中的代谢机理 木糖在木糖异构酶的作用下可以转化为 木酮糖 而酿酒酵母可以直接利用木酮糖 但酵母菌不能产生这种酶 可以采用木糖异构 酶与酿酒酵母相结合的方式 最终将木糖发酵产酒精 国外有人对木酮糖发酵生产酒精进行 了研究 并且效果显著 2 32 3 生产工艺优化生产工艺优化 由于纤维质原料成分的复杂性也决定了纤维素乙醇的生产工艺不同于粮食乙醇生产工艺 纤 维素乙醇的生产工艺主要有3 种 分步水解与发酵工艺 SHF 同步糖化发酵工艺 SSF 和直接微生物转化工艺 DMC 2 3 12 3 1 分步水解与发酵工艺 分步水解与发酵工艺 SHFSHF 分步水解与发酵工艺 SHF 是最原始也是简单的一种纤维素乙醇的生产方式 即纤维质原 料首先利用纤维素酶法在45 50 水解后再在30 35 下进行乙醇发酵 两种工艺在各自最 适宜的条件下分步进行 2 3 22 3 2 同步糖化发酵工艺 同步糖化发酵工艺 SSFSSF 随着研究的进一步深入 中外研究者逐渐倾向于采用同步糖化发酵 SSF 即纤维素酶解 与葡萄糖的乙醇发酵在同一个反应器中进行 酶解过程中产生的葡萄糖被微生物迅速利用 解除了葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用 提高了酶解效率 SSF 是目前典型的木质纤维素 生产乙醇的方法 被认为是木质纤维素生物法转化为乙醇的最有效方法 国内外的中试基 本都采用此法 在工艺上采用一步糖化法 酶解之后 不需要将葡萄糖从木质素馏分中分离 出来 避免了糖的损失 简化了工艺 水解和发酵的结合减少了容器的需要量 减少了设备 投资 降低了生产中的能耗 目前 美国国家可再生能源实验室 NREL 还在进行同时糖化和 共发酵工艺 SSCF 的研究 即把葡萄糖和木糖的发酵液放在一起 用于发酵的微生物是转基 因的运动发酵单孢菌 与单纯用葡萄糖发酵菌和单纯利用五碳糖发酵菌相比 乙醇的产量 分别提高30 38 和10 30 15 2 3 32 3 3 直接微生物转化工艺 直接微生物转化工艺 DMCDMC 木质纤维素的酶水解和同步糖化发酵过程是多相 多酶催化过程 在SSF 过程中还同时存 在微生物的生长 是一个复杂的体系 而直接微生物转化 DMC 法 将作物秸秆中的纤维 素成分通过某些微生物的直接发酵可以转换为酒精 这些微生物既能产生纤维素酶系水解纤 维素又能发酵糖产生乙醇 仅一步就包含了纤维素酶生产 纤维素水解和糖发酵生产酒精3 个步骤 目前 粗糙脉孢菌和尖镰孢菌是直接转化木质纤维素材料为乙醇研究较多的两种真 菌 这两种菌都能同时具有产生纤维素酶 半纤维素酶 发酵葡萄糖和木糖产生乙醇的能力 在有氧条件下产生纤维素酶水解底物 在半通氧条件下发酵糖产生乙醇 3 3 纤维素生产乙醇工艺纤维素生产乙醇工艺 3 3 1 1 水解工艺水解工艺 图图1 1 ArkenolArkenol 公司的浓酸水解流程图公司的浓酸水解流程图 Fig Fig 1 1 ConcentratedConcentrated acidacid hydrolysishydrolysis ofof ArkenolArkenol companycompany 3 3 1 1 2 2 稀酸水解稀酸水解 稀酸水解的机理是溶液中的氢离子可和纤维素上的氧原子相结合 使其变得不稳定 容易和 水反应 纤维素长链即在该处断裂 同时又放出氢离子 在适当的条件下 85 的糖收率也 有可能获得 其中反应器的开发成为研究的热点 为了减少单糖的分解 实际的稀酸水解常分两步进行 第一步用较低温度分解半纤维素 产 物以木糖为主 第二步用较高温度分解纤维素 产物主要是葡萄糖 图2 为Celunol 公司的 开发二级稀酸水解工艺 华东理工大学也采用二级稀酸水解工艺 不过木糖和葡萄糖是同时 发酵的 只是木糖的转化率还不是特别满意 此外 木质素用于生产活性炭等化工产品 而 不是锅炉焚烧 提高了过程的经济性 图图2 2 两步稀酸水解两步稀酸水解 Fig Fig 2 2 DiluteDilute acidacid hydrolysishydrolysis ofof twotwo stepssteps 3 3 1 1 3 3 酶水解酶水解 纤维素酶是降解纤维素成为葡萄糖单体所需的一组酶的总称 一般认为其主要包括3 个组分 内切葡聚糖酶 外切葡聚糖酶和纤维素二糖酶 每一组分又有若干亚组分组成 纤维素水解 生成葡萄糖的过程必须依靠这3 种组分的协同作用才能完成 酶水解的条件温和 pH 为418 温度为45 55 e 能量消耗小 糖转化率高 无腐蚀 环境污染和发酵抑制物等问题 不足之处是反应速率慢 生产周期长 酶成本高 而且由于构成生物质的纤维素 半纤维素 和木质素互相缠绕 形成晶体结构 会阻止酶接近纤维素表面 故生物质直接酶水解的效率 很低 因此必须采用预处理的方式以降低纤维素结晶度和聚合度 常用的木质纤维原料预处 理方法包括机械粉碎法 高温分解法 爆破法 化学法和生物法 各种方法均有其优缺点 因此 预处理的方法还有待进一步研究 酶水解工艺的流程变化比较多 纤维素的水解和糖液的发酵在不同的反应器内进行 因此它 被称为分别水解和发酵工艺 简称SHF 纤维素的水解和糖液的发酵在同一个反应器内进行 由于酶水解的过程又被称为糖化反应 故被称为同时糖化和发酵工艺 简称SSF 其中预处 理中得到的糖液和处理过的纤维素还可放在同一个反应器中处理 称为SSCF 这就进一步简 化了流程 目前酶生产成本过高是酶水解技术难以应用的主要障碍 很多研究者正在从事这 方面的改进工作 包括增加酶的产率和提高酶的活性 用廉价的工农业废弃物作为微生物培 养基质 通过重组DNA 技术提高微生物产酶量以及采用固定化酶技术等 这都为低成本生产 纤维素酶开辟了新的途径 3 3 2 2 发酵工艺发酵工艺 纤维素制酒精工艺中的发酵和以淀粉或糖为原料的发酵有很大不同 这主要表现在以下两点 1 木质纤维素类生物质水解糖液中常含有对发酵微生物有害的组分 Larsson 等曾试验了 20 种由木质素产生的芳香属化合物对酵母S Cerevisiae 的影响 结果发现除少数几种外 都能阻碍酵母的生长 但一般认为水解液中没有一种组分的浓度会大到能产生很大的毒性 对发酵微生物的有害作用是很多组分共同作用的结果 各组分毒性的大小还和发酵条件有关 如在较高的pH 值下 有机酸的毒性可显著下降 2 水解糖液中含有较多的木糖 半纤维 素构成了生物质的相当部分 其水解产物是以木糖为主的五碳糖 以农作物废弃物和草为原 料时还有相当量的阿拉伯糖生成 可占五碳糖的10 20 故五碳糖的利用是决定该工艺 经济性的重要因素之一 从上世纪80 年代初起 人们开始重视五碳糖的发酵 研究者通过不同的途径进行了探索 并取得了一定的进展 其中以开发能发酵五碳糖的基因工程微生物这一方法最为有效 3 3 3 3 联合生物加工工艺联合生物加工工艺 联合生物加工工艺 CBP 是生物质转化技术进化中的逻辑终点 它可把纤维素酶生产 纤 维素水解 葡萄糖发酵和木糖发酵结合在一个反应器内完成 据Lynd 等估计 以SSCF 工艺 生产每加仑酒精 即使在最理想的条件下用于酶生产 纤维素水解和糖发酵上的成本为1819 美分 而CBP 工艺中无酶生产问题 生产每加仑酒精用在纤维素水解和糖发酵上的成本仅为 4123 美分 这样在原料 干 的价格为每吨40 美元时 SSCF 的酒精批发价至少是每加仑 77 美分 而CBP 只要63 美分 由于CBP 工艺的诱人前景 近年来对其研究很多 不过到目 前为止该法还只限于小规模的试验 4 4 展望展望 自20 世纪80 年代前期燃料乙醇的研究热潮以来 纤维素乙醇的生产已经取得了巨大的成就 但就目前发展的水平来看 还存在着一些缺点和不足 纤维素酶方面 纤维素酶的生产效 率和比活力低 成本较高 单位原料用酶量很大 酶解效率低 产酶和酶解技术都需要改 进 除了要继续筛选高产纤维素酶菌种外 可以从纤维素酶制剂分子结构的角度出发 人工 合成纤维素酶 戊糖酒精发酵方面 由于木糖的代谢机理比较复杂 大多能够利用木糖的菌 种 因为发酵过程产生许多副产物 酒精产率不高 采用分子生物学手段得到的转基因菌种 的遗传稳定性较差 由于酶解温度与菌种生长温度的不适宜 使得木糖异构酶与酿酒酵母的 协同作用也没有取得较好的效果 要进一步提高纤维素乙醇的产量 一方面要通过筛选 诱变转基因等方法继续寻找优良菌 种 另一方面 还要继续探索木糖异构酶与酿酒酵母协同作用的最佳条件 以进一步提高木 糖的酒精产率 工艺方面 分步水解和发酵 SHF 中 酶解过程产生的糖抑制纤维素酶的 活性 同步糖化发酵工艺 SSF 虽然克服了糖对酶的反馈抑制作用 但由于采用的是酶解 与发酵的折中温度 使酶的活性和发酵效率都不能达到最大 Zbangwen 等设计了非等温的 SSF 工艺 NSSF 其包含一个水解塔和一个发酵罐 不含酵母细胞的流体在两者之间循环 该设计使水解和发酵可在各自最佳的温度下进行 也可消除水解产物对酶水解的抑制作用 但显然也使流程复杂化了 粗糙脉孢菌和尖廉孢菌因能使木质纤维质原料直接转化而备受关 注 但直接法 DMC 的转化率仍低于酵母 因此对于它们在不同预处理原料下的产酶及发 酵能力的研究还有待于进一步的探索 纤维素乙醇以资源丰富的纤维质资源作为原料 一直 是世界各国研究开发的主要方向并已取得了一些重要的进展 随着预处理 纤维素酶生产及 纤维素酶解 戊糖发酵等技术的突破 以及发酵工艺的进一步改进 在不远的将来 将成功 实现纤维素乙醇的大规模 高效率生产 1 48 References References 1 杨晨阳 and 王玉军 木质纤维素制备乙醇工艺的研究进展 科技创新与应用 2012 5 p 11 2 H Y et al Technology and Production of Cellulosic Ethanol in a Pilot Plant in Taiwan 能源与动力工程 英文版 2011 5 10 p 928 933 3 田沈 et al 两株高效代谢木质纤维素稀酸水解物产乙醇的酵母特性及耐毒研究 太阳能学报 2011 32 2 p 272 275 4 杨尉 刘立国 and 武书彬 木质纤维素燃料乙醇生物转化预处理技术 广州化工 2011 39 13 p 8 12 5 赵立峰 et al 统合生物工艺与纤维素分解性高温菌乙醇转化的研究进展 生物技术通报 2011 8 p 55 59 6 张宁 et al 我国非粮燃料乙醇产业发展现状及前景展望 生物质化学工程 2011 45 4 p 47 50 7 靳胜英 et al 我国非粮燃料乙醇的原料资源量分析 中外能源 2011 16 5 p 40 45 8 聂恒 et al 纤维类物质生产乙醇的研究进展 云南化工 2011 38 3 p 28 34 9 侯新村 et al 纤维素类能源草在京郊地区的经济效益与生态价值评价 草业学报 2011 20 6 p 12 17 10 李萍萍 翁海波 and 晋果果 纤维素同步糖化发酵生产乙醇 安徽农业科学 2011 39 18 p 11018 11021 11 董平 et al 纤维素乙醇生产技术及产业化现状 石油化工 2011 40 10 p 1127 1132 12 高凤芹 刘斌 and 孙启忠 以草类纤维素为原料制乙醇的预处理及发酵研究 江苏农业科学 2011 3 p 344 346 13 Zhihui et al Study on the Treatment of Cellulosic Ethanol 环境科学与工程 英文版 2010 4 1 p 20 24 14 孙长征 李春玲 and 解成华 木质纤维素蒸汽爆破机的现状及研究 化工装备技术 2010 1 p 54 57 15 蒋西然 刘纪文 and 李文利 嗜热菌在纤维素乙醇中的研究进展及应用前景 生命科学研究 2010 14 5 p 449 455 16 田龙 and 马晓建 纤维素乙醇生产中的预处理技术 中国酿造 2010 5 p 8 12 17 高凤芹 et al 纤维素乙醇生物转化工艺的研究进展 湖北农业科学 2010 49 3 p 731 735 18 张素平 et al Simulation of Fuel Ethanol Production from Lignocellulosic Biomass 过 程工程学报 2009 2 p 333 337 19 李丰田 et al 酵母菌复合培养物对木质纤维素稀酸水解液原位脱毒乙醇发酵 太阳能学报 2009 30 11 p 1582 1586 20 摘译钱伯章 美国Verenium公司发展纤维素乙醇 炼油技术与工程 2009 10 p 28 21 钱伯章 and 朱建芳 我国纤维素乙醇的开发进展和前景 粮食与饲料工业 2009 10 p 11 14 22 郑学晶 and 刘晓芳 纤维素的溶解与再生及其生物质能利用的新发展 广州化工 2009 37 4 p 5 8 23 蒋西然 and 李文利 纤维素乙醇基因工程研究进展 中国生物工程杂志 2009 29