玉米秸稈發酵生產乙醇的研究進展
摘要:秸稈是豐富的可再生資源,主要由纖維素、半纖維素和木質素組成。秸稈經過預處理,水解和發酵可生成乙醇。秸稈生產乙醇的工藝包括預處理,水解和發酵。發酵方法有直接發酵法、間接發酵法、混合菌種發酵法、同時糖化發酵法和非等溫同時糖化發酵法以及固定化細胞發酵法。介紹了秸稈生產乙醇幾個關鍵工藝的最新進展。
關鍵詞:秸稈,酒精,木質纖維素
我國是一個農業大國,各類農作物纖維資源十分豐富,僅秸稈一項就達7億t噸以上,其中玉米秸稈約2.2億t噸,這些資源長期沒有得到合理的開發。作為農業廢棄物的玉米秸稈多以燃料燒掉,其煙霧中含大量的TSP 和SO2 ,造成大氣嚴重污染。近年來生物質能的研究已經成為一個熱門的研究課題，利用農業廢棄物發酵生產燃料酒精正逐步成為人們研究的熱點,玉米秸稈作為一種重要的農業廢棄物,受到了廣泛的關注。
在我國，玉米秸稈除了少部分被利用外，大部分以堆積、荒燒等形式直接傾入環境，造成極大污染和浪費，而且這種直接燃燒的方法熱效率很低，只有10%左右。如果將它們轉化成氣體或液體燃料（酒精、氫氣、柴油等）熱效率可達30%以上。這樣不但緩解人類所面臨的資源危機，食物短缺，環境污染等一系列問題，也為人類持續發展提供了保證。
1 玉米秸稈簡介
玉米秸稈主要由植物細胞壁組成，細胞壁基本組成是纖維素、半纖維素、木質素，纖維素和半纖維素被木質素層層包裹，纖維素是一種有1000-10000個β-D-吡喃型葡萄糖單體以β-1，4-糖苷鍵連接的直鏈多糖，多個分子平行排列成絲狀不溶性微小纖維，其基本組成單位是纖維二糖,它是地球上最豐富的聚合體。而半纖維素主要是木糖以及少量阿拉伯糖，半乳糖，甘露糖組成，而木質素是以苯丙烷及其衍生物為基本單位構成的高分子芳香族化合物，對水解纖維素起到屏障作用。到目前為止,還未發現能利用木質素的單聚體來生產乙醇的微生物。半纖維素較易水解為五碳糖，纖維素較困難水解為六碳糖，而木質素一般作為燃料。
2 玉米秸稈預處理
玉米秸稈結構復雜，纖維素、半纖維素不但被木質素包裹，而且半纖維素部分共價和木質素結合，纖維素具有高度有序晶體結構，因此必須經過預處理，使得纖維素、半纖維素、木質素分離開，切斷它們的氫鍵破壞晶體結構，降低聚合度。
3 水解工藝
秸稈預處理后,需對其進行水解,使其轉化成可發酵性糖。水解是破壞纖維素和半纖維素中的氫鍵,將其降解成可發酵性糖:戊糖和己糖。纖維素水解只有在催化劑存在下才能顯著地進行。常用的催化劑是無機酸和纖維素酶,由此分別形成了酸水解工藝和酶水解工藝。
3.1 酸水解
酸、堿水解再經酵母發酵生成法在熱酸作用下,纖維素被降解主要轉化成葡萄糖;半纖維素則生成多種單糖(木糖、阿拉伯糖、甘露糖等)。木質素則降解成多種單環芳香族化合物。另外還有一些如甲酸、乙酸、糠醛、羥甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等不穩定生成物。在發酵工業上,把這些物質分為兩大類:可發酵性糖,主要有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖以及甘露糖等;酒精發酵工業上所謂的“有毒物質”,主要包括各種有機酸、醛類、醇類化合物以及一些無機離子等。
纖維素的酒精發酵傳統上以酸法水解工藝為主。稀酸水解要求在高溫和高壓下進行,反應時間幾秒或幾分鐘,在連續生產中應用較多;濃酸水解相應地要在較低的溫度和壓力下進行,反應時間比稀酸水解長得多。由于濃酸水解中的酸難以回收,目前主要用的是前者。
楊斌等研究了硫酸和磷酸水解蔗渣的動力學,并建立了模型。目前生產中存在的主要問題就是酸解條件苛刻,對設備有腐蝕作用,需要耐酸耐壓設備和解決水解產物對發酵微生物的“毒性問題”。堿水解也存在著與酸水解同樣的問題。
近年來,對于纖維素酸解產物毒性問題的研究取得了一定的進展。現在,基本上明確了這種毒性是來源于酸解過程中產生的一些有機酸、醛類化合物。對于它們的作用機理也進行了深入研究,并在此基礎上研究了相應的各種解毒方案。但是,更加經濟適用的解毒方案還有待于進一步研究。
3. 2 酶水解
由于酶解反應條件溫和,設備簡單,能耗低,污染小,因此纖維素酶解條件的研究得到廣泛的重視。從現有的水平來看,采用溫和的酶水解技術可能更為合適,酶水解是生化反應,與酸水解相比,它可在常壓下進行,這樣減少了能量的消耗,并且由于酶具有較高選擇性,可形成單一產物,產率較高( > 95 %) 。匈牙利Eniko 等人采用NovoYm188 等水解經濕氧化處理的玉米秸稈酶解纖維素轉化率(ECC) 高達85 %左右。盡管研究很多年,纖維素酶的成本仍然很高,丹麥諾維信(Novozymes) 公司曾經宣布其纖維素酶生產成本已比當初降低了12 倍,生產1 加侖燃料級乙醇所需纖維素酶的成本已從最初的超過5 美元的水平大幅減少到50 美分,極大地推進了燃料乙醇的商業化進程。現在該公司又取得了重大進展,纖維素酶生產成本已比最初降低了20 倍,生產1 加侖燃料級乙醇所需纖維素酶的成本已低于30美分。
4 發酵工藝
從葡萄糖轉化成乙醇的生化過程是簡單的,通過傳統的酒精酵母,使反應在30 ℃條件下進行。但半纖維素構成了農作物秸稈的相當部分,其水解產物為以木糖為主的五碳糖,還有相當量的阿拉伯糖生成(可占五碳糖的10 %～20 %) ,故五碳糖的發酵效率是決定過程經濟性的重要因素。木糖的存在對纖維素酶水解抑制作用,將木糖及時轉化為乙醇對農作物秸稈的高效率酒精發酵是非常重要的。目前人們研究最多且最有工業應用前景的木糖發酵產乙醇的微生物有3種酵母菌種即管囊酵母(Pachysolen tannophilus) 、樹干畢赤酵母(Pichia stipits) 和體哈塔假絲酵母(Candida shechatae)。目前主要的發酵方法有以下幾種。
4. 1 直接發酵法
本方法的特點是基于纖維分解細菌直接發酵纖維素生產乙醇,不需要經過酸水解或酶解前處理過程。該方法一般利用混合菌直接發酵,例如熱纖梭菌 (Clostridium thermocellum) 能分解纖維素,但乙醇產率較低(50%),熱硫化氫梭菌(Colstridium thermohydrosulphaircum) 不能利用纖維素,但乙醇產率相當高,進行混合發酵,產率可達70%。呂福英介紹了熱纖梭菌的生理生化特性及發酵生產的研究進展,并對熱纖梭菌發酵生產乙醇的因素以及乙醇等發酵產物對熱纖梭菌的抑制作用作了概述。此外分離出能直接發酵纖維素生產乙醇的高純富集物。
目前,從發酵工藝看,此類工藝方法設備簡單,成本低廉。但熱纖梭菌產生乙醇也存在以下問題: ①碳水化合物發酵不完全,乙酸、乳酸、氫的形成導致乙醇產率低; ②纖維素發酵速度慢,容積生產力低; ③終產物乙醇和有機酸對細胞有相當大的毒性。
4. 2 間接發酵法
間接法即糖化、發酵二段發酵法,它是用纖維素酶水解纖維素,收集酶解后的糖液作為酵母發酵的碳源,也是目前研究最多的一種方法。先用纖維素酶水解纖維素,酶解后的糖液作為發酵碳源。由于乙醇產量受以下限制:末端產物抑制,低細胞濃度以及底物基質抑制。為克服乙醇產物的抑制,可采取的方法有:減壓發酵法和阿爾法—拉伐公司的Biotile 法。另外篩選在高糖濃度下存活并能利用高糖的微生物突變菌株,可以克服基質抑制。纖維素酶法糖化中,目前常用的菌種多來自木霉屬、曲霉屬和青霉屬。纖維素的降解需要一系列酶的共同作用才能完成,這些酶包括:內切葡聚糖酶,外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶,這3種酶協同作用,缺一不可。纖維二糖的積累會抑制內切和外切葡聚糖酶的催化作用,將其水解成葡萄糖,會減少這種抑制作用。葡萄糖的積累對于β-葡萄糖苷酶的催化也有一定的抑制作用。
4. 3 混和菌種發酵法
秸稈糖化液中都是葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等單糖和寡糖混合物,現在的趨勢是利用多種乙醇發酵菌混合發酵,利用期間的優勢,使得效率更高,盡管進行了大量的研究,還沒有找到哪一種微生物能將所有的糖快速有效的全部轉化為乙醇,近年來,基因工程菌的應用部分解決了這個問題。利用混合菌直接發酵,能解決酒精產率不高和有機酸等副產物的存在問題。大多數的研究是與另一種不分解纖維素的嗜熱厭氧菌進行共培養,該菌能利用熱纖梭菌分解纖維素時所產生的游離單糖產生乙醇。已研究過的能在共培養體系中增加乙醇產量的微生物有嗜熱厭氧桿菌( Thermoanaerobacter ethanolicus) 、嗜熱硫化氫梭菌( Clost ridium thermohydrosulf uricum) 、嗜熱解糖梭菌( Clost ridium thermosaccharolyticum)。Hogsett 等[14]利用嗜熱解糖梭菌和熱纖梭菌直接轉化纖維性物質為乙醇方面作了研究,能提高乙醇產量。
4. 4 同步糖化發酵法(SSF 法)
與間接發酵法原理相同,為了克服反饋抑制作用,Gauss[15]等提出在同一個反應罐中進行纖維素水解(糖化)和乙醇發酵的同步糖化發酵法。(Simultaneous Saccharificationand fermentation)。這樣纖維素酶對纖維素的酶水解和發酵糖化過程在同一裝置內連續進行,水解產物葡萄糖由菌體的不斷發酵而被利用,消除了葡萄糖因基質濃度對纖維素酶的反饋抑制作用。在工藝上采用一步發酵法,簡化了設備,節約了總生產時間,提高了生產效率。但也存在一些抑制因素,如木糖的抑制作用,糖化和發酵溫度不協調等。
張繼泉等作了有關玉米秸桿同時糖化發酵生產燃料乙醇的研究,利用正交試驗對玉米秸稈發酵生產燃料乙醇的條件進行了搖瓶試驗,但具體應用到工業中尚需時日。張德強等以汽爆毛白楊木粉為原料,采用正交實驗法進行同時糖化發酵(SSF) 來生產乙醇。通過考察反應溫度、pH 值、酶濃度和酵母用量來尋找綠色木霉纖維素酶和釀酒酵母同時糖化發酵轉化汽爆毛白楊木粉成乙醇的最佳條件。
4. 5 非等溫同時糖化發酵法(NSSF 法)
在纖維素酶水解過程中,纖維素酶的最適溫度為50 ℃左右,而酵母發酵的控制溫度是31～38 ℃。Zhangwen Wu采用非等溫同時糖化發酵法(Nonisothermal Simultaneous Saccharification and Fermentation , NSSF) 生產乙醇的工藝流程,它包含一個水解塔和一個發酵罐,不含酵母細胞的流體在兩者之間循環。該工藝使水解和發酵可在各自最佳的溫度下進行,也可消除水解產物對酶水解的抑制作用,但顯然也使工藝流程復雜化了。
4. 6 固定化細胞發酵
固定化細胞發酵具有能使發酵罐內細胞濃度提高,細胞可連續使用,使最終發酵液乙醇濃度得以提高。常用的載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻璃等。固定化細胞的新動向是混合固定細胞發酵,如酵母與纖維二糖酶一起固定化,將纖維二糖基質轉化成乙醇,此法引人注目,被看作是秸稈生產乙醇的重要方法。
5 以纖維素類物質為原料發酵生產燃料乙醇所采用的微生物
利用纖維素類物質為原料發酵生產乙醇,對微生物的要求是很高的。由于自然界中缺乏可以利用纖維素類物質原料有效發酵生產乙醇的微生物,因此有必要對不同微生物進行代謝工程改造,以便構造出更有效的微生物。劉翔等綜述了纖維素類物質生產乙醇的代謝工程條件,簡要描述了一個強調過程整體化的模型,并展望了這一領域今后的發展趨勢。由于乙醇耐受性的分子基礎還不清楚,所以利用突變和篩選還是非常有效的。近幾十年來,人們發現許多微生物可以很好地利用纖維素類物質,但迄今為止,人們將主要精力集中在3種微生物上, 即釀酒酵母( S accharomyces cerevisiae) 、運動發酵單胞菌( Zymomans mobilis) 和大腸桿菌( Eschericha coli) 。Ingram將攜帶有運動發酵單胞菌(Z. mobilis) 的操縱子(operon) 和丙酮酸脫羧酶植入其他菌種,來發酵各種糖類。同時對含有各種酶的生物體(organisms)進行了研究,以用來水解纖維素和半纖維素,理論上,乙醇轉化率為90 %以上。
6 結論和展望
纖維素類物質發酵生產燃料乙醇的研究已經成為全世界研究的熱點課題之一。該領域今后的研究方向主要有以下幾個方面: ①在預處理方面,單純的物理法和化學法不足以破壞纖維素晶體結構以及去除半纖維素和木質素。應在物理法與化學法相結合的優化方面多進行一些研究工作,而使纖維素和半纖維素更易被水解和發酵。②在化學法(酸水解) 發酵生產燃料乙醇方面,應著重研究解決如何減少酸的用量,如何高效、經濟地回收酸,以及酸解產物毒性問題的解決方案。③在生物法(酶工藝發酵) 方面,同時糖化發酵法和微生物直接轉化法中不同菌種的共培養和不同酶系的協同作用和反應動力學是研究重點。④酶的價格直接決定著纖維素類物質發酵生產燃料乙醇的成本,因而纖維素酶和半纖維素酶及微生物應用技術方面的研究也是今后的熱門課題,研究內容有對微生物的選擇和培養、試驗各種形式的發酵器、開發各種酶的回收方法(超濾、再吸附等) 、制取纖維酶及半纖維酶基因工程菌,還有纖維素酶、半纖維酶及微生物細胞固定化方面的研究。而混合固定化細胞發酵是固定化細胞的一個新動向,如酵母與纖維二糖酶一起固定化,將纖維二糖基質轉化成乙醇。此方法用于同時糖化發酵法,是最有前途的。⑤化學法(酸水解) 與生物法(酶水解、微生物直接發酵等) 能否有機地結合,也值得研究。纖維素類物質是自然界中最豐富的可再生資源之一。
在我國隨著液體燃料乙醇的廣泛應用,利用農作物秸稈發酵生產燃料酒精不但可以生產出辛烷值高,對大氣無污染的液體燃料乙醇,而且還可以增加社會經濟效益,改善環境。利用秸稈生產燃料乙醇是生物質產品商業化的重要目標,燃料乙醇是一種巨大的再生能源,因此以秸稈為原料生產燃料乙醇具有其他淀粉質原料不可比擬的優勢,不少國家已在多年以前就開展此項工作,目前還沒有實現大規模工業化生產,今后我們應開發秸稈預處理新技術,培育價廉高活力的新型纖維素酶及五碳糖六碳糖同步發酵的新菌種,研發出流程短、效率高、能耗低的秸稈生產乙醇新工藝,從而降低乙醇生產成本,同時應注重秸稈中副產物的開發,例如氣化木質素可以較低的成本轉化為電廠的固體燃料,糠醛和醋酸也是潛在的副產品,有很大的市場潛力,這些產品的研發都有利于早日實現秸稈生產燃料乙醇的產業化。
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