玉米秸秆发酵生产乙醇的研究进展
摘要:秸秆是丰富的可再生资源,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。秸秆经过预处理,水解和发酵可生成乙醇。秸秆生产乙醇的工艺包括预处理,水解和发酵。发酵方法有直接发酵法、间接发酵法、混合菌种发酵法、同时糖化发酵法和非等温同时糖化发酵法以及固定化细胞发酵法。介绍了秸秆生产乙醇几个关键工艺的最新进展。
关键词:秸秆,酒精,木质纤维素
我国是一个农业大国,各类农作物纤维资源十分丰富,仅秸秆一项就达7亿t吨以上,其中玉米秸秆约2.2亿t吨,这些资源长期没有得到合理的开发。作为农业废弃物的玉米秸秆多以燃料烧掉,其烟雾中含大量的TSP 和SO2 ,造成大气严重污染。近年来生物质能的研究已经成为一个热门的研究课题，利用农业废弃物发酵生产燃料酒精正逐步成为人们研究的热点,玉米秸秆作为一种重要的农业废弃物,受到了广泛的关注。
在我国，玉米秸秆除了少部分被利用外，大部分以堆积、荒烧等形式直接倾入环境，造成极大污染和浪费，而且这种直接燃烧的方法热效率很低，只有10%左右。如果将它们转化成气体或液体燃料（酒精、氢气、柴油等）热效率可达30%以上。这样不但缓解人类所面临的资源危机，食物短缺，环境污染等一系列问题，也为人类持续发展提供了保证。
1 玉米秸秆简介
玉米秸秆主要由植物细胞壁组成，细胞壁基本组成是纤维素、半纤维素、木质素，纤维素和半纤维素被木质素层层包裹，纤维素是一种有1000-10000个β-D-吡喃型葡萄糖单体以β-1，4-糖苷键连接的直链多糖，多个分子平行排列成丝状不溶性微小纤维，其基本组成单位是纤维二糖,它是地球上最丰富的聚合体。而半纤维素主要是木糖以及少量阿拉伯糖，半乳糖，甘露糖组成，而木质素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，对水解纤维素起到屏障作用。到目前为止,还未发现能利用木质素的单聚体来生产乙醇的微生物。半纤维素较易水解为五碳糖，纤维素较困难水解为六碳糖，而木质素一般作为燃料。
2 玉米秸秆预处理
玉米秸秆结构复杂，纤维素、半纤维素不但被木质素包裹，而且半纤维素部分共价和木质素结合，纤维素具有高度有序晶体结构，因此必须经过预处理，使得纤维素、半纤维素、木质素分离开，切断它们的氢键破坏晶体结构，降低聚合度。
3 水解工艺
秸秆预处理后,需对其进行水解,使其转化成可发酵性糖。水解是破坏纤维素和半纤维素中的氢键,将其降解成可发酵性糖:戊糖和己糖。纤维素水解只有在催化剂存在下才能显著地进行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶,由此分别形成了酸水解工艺和酶水解工艺。
3.1 酸水解
酸、碱水解再经酵母发酵生成法在热酸作用下,纤维素被降解主要转化成葡萄糖;半纤维素则生成多种单糖(木糖、阿拉伯糖、甘露糖等)。木质素则降解成多种单环芳香族化合物。另外还有一些如甲酸、乙酸、糠醛、羟甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等不稳定生成物。在发酵工业上,把这些物质分为两大类:可发酵性糖,主要有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖以及甘露糖等;酒精发酵工业上所谓的“有毒物质”,主要包括各种有机酸、醛类、醇类化合物以及一些无机离子等。
纤维素的酒精发酵传统上以酸法水解工艺为主。稀酸水解要求在高温和高压下进行,反应时间几秒或几分钟,在连续生产中应用较多;浓酸水解相应地要在较低的温度和压力下进行,反应时间比稀酸水解长得多。由于浓酸水解中的酸难以回收,目前主要用的是前者。
杨斌等研究了硫酸和磷酸水解蔗渣的动力学,并建立了模型。目前生产中存在的主要问题就是酸解条件苛刻,对设备有腐蚀作用,需要耐酸耐压设备和解决水解产物对发酵微生物的“毒性问题”。碱水解也存在着与酸水解同样的问题。
近年来,对于纤维素酸解产物毒性问题的研究取得了一定的进展。现在,基本上明确了这种毒性是来源于酸解过程中产生的一些有机酸、醛类化合物。对于它们的作用机理也进行了深入研究,并在此基础上研究了相应的各种解毒方案。但是,更加经济适用的解毒方案还有待于进一步研究。
3. 2 酶水解
由于酶解反应条件温和,设备简单,能耗低,污染小,因此纤维素酶解条件的研究得到广泛的重视。从现有的水平来看,采用温和的酶水解技术可能更为合适,酶水解是生化反应,与酸水解相比,它可在常压下进行,这样减少了能量的消耗,并且由于酶具有较高选择性,可形成单一产物,产率较高( > 95 %) 。匈牙利Eniko 等人采用NovoYm188 等水解经湿氧化处理的玉米秸秆酶解纤维素转化率(ECC) 高达85 %左右。尽管研究很多年,纤维素酶的成本仍然很高,丹麦诺维信(Novozymes) 公司曾经宣布其纤维素酶生产成本已比当初降低了12 倍,生产1 加仑燃料级乙醇所需纤维素酶的成本已从最初的超过5 美元的水平大幅减少到50 美分,极大地推进了燃料乙醇的商业化进程。现在该公司又取得了重大进展,纤维素酶生产成本已比最初降低了20 倍,生产1 加仑燃料级乙醇所需纤维素酶的成本已低于30美分。
4 发酵工艺
从葡萄糖转化成乙醇的生化过程是简单的,通过传统的酒精酵母,使反应在30 ℃条件下进行。但半纤维素构成了农作物秸秆的相当部分,其水解产物为以木糖为主的五碳糖,还有相当量的阿拉伯糖生成(可占五碳糖的10 %～20 %) ,故五碳糖的发酵效率是决定过程经济性的重要因素。木糖的存在对纤维素酶水解抑制作用,将木糖及时转化为乙醇对农作物秸秆的高效率酒精发酵是非常重要的。目前人们研究最多且最有工业应用前景的木糖发酵产乙醇的微生物有3种酵母菌种即管囊酵母(Pachysolen tannophilus) 、树干毕赤酵母(Pichia stipits) 和体哈塔假丝酵母(Candida shechatae)。目前主要的发酵方法有以下几种。
4. 1 直接发酵法
本方法的特点是基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产乙醇,不需要经过酸水解或酶解前处理过程。该方法一般利用混合菌直接发酵,例如热纤梭菌 (Clostridium thermocellum) 能分解纤维素,但乙醇产率较低(50%),热硫化氢梭菌(Colstridium thermohydrosulphaircum) 不能利用纤维素,但乙醇产率相当高,进行混合发酵,产率可达70%。吕福英介绍了热纤梭菌的生理生化特性及发酵生产的研究进展,并对热纤梭菌发酵生产乙醇的因素以及乙醇等发酵产物对热纤梭菌的抑制作用作了概述。此外分离出能直接发酵纤维素生产乙醇的高纯富集物。
目前,从发酵工艺看,此类工艺方法设备简单,成本低廉。但热纤梭菌产生乙醇也存在以下问题: ①碳水化合物发酵不完全,乙酸、乳酸、氢的形成导致乙醇产率低; ②纤维素发酵速度慢,容积生产力低; ③终产物乙醇和有机酸对细胞有相当大的毒性。
4. 2 间接发酵法
间接法即糖化、发酵二段发酵法,它是用纤维素酶水解纤维素,收集酶解后的糖液作为酵母发酵的碳源,也是目前研究最多的一种方法。先用纤维素酶水解纤维素,酶解后的糖液作为发酵碳源。由于乙醇产量受以下限制:末端产物抑制,低细胞浓度以及底物基质抑制。为克服乙醇产物的抑制,可采取的方法有:减压发酵法和阿尔法—拉伐公司的Biotile 法。另外筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变菌株,可以克服基质抑制。纤维素酶法糖化中,目前常用的菌种多来自木霉属、曲霉属和青霉属。纤维素的降解需要一系列酶的共同作用才能完成,这些酶包括:内切葡聚糖酶,外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶,这3种酶协同作用,缺一不可。纤维二糖的积累会抑制内切和外切葡聚糖酶的催化作用,将其水解成葡萄糖,会减少这种抑制作用。葡萄糖的积累对于β-葡萄糖苷酶的催化也有一定的抑制作用。
4. 3 混和菌种发酵法
秸秆糖化液中都是葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等单糖和寡糖混合物,现在的趋势是利用多种乙醇发酵菌混合发酵,利用期间的优势,使得效率更高,尽管进行了大量的研究,还没有找到哪一种微生物能将所有的糖快速有效的全部转化为乙醇,近年来,基因工程菌的应用部分解决了这个问题。利用混合菌直接发酵,能解决酒精产率不高和有机酸等副产物的存在问题。大多数的研究是与另一种不分解纤维素的嗜热厌氧菌进行共培养,该菌能利用热纤梭菌分解纤维素时所产生的游离单糖产生乙醇。已研究过的能在共培养体系中增加乙醇产量的微生物有嗜热厌氧杆菌( Thermoanaerobacter ethanolicus) 、嗜热硫化氢梭菌( Clost ridium thermohydrosulf uricum) 、嗜热解糖梭菌( Clost ridium thermosaccharolyticum)。Hogsett 等[14]利用嗜热解糖梭菌和热纤梭菌直接转化纤维性物质为乙醇方面作了研究,能提高乙醇产量。
4. 4 同步糖化发酵法(SSF 法)
与间接发酵法原理相同,为了克服反馈抑制作用,Gauss[15]等提出在同一个反应罐中进行纤维素水解(糖化)和乙醇发酵的同步糖化发酵法。(Simultaneous Saccharificationand fermentation)。这样纤维素酶对纤维素的酶水解和发酵糖化过程在同一装置内连续进行,水解产物葡萄糖由菌体的不断发酵而被利用,消除了葡萄糖因基质浓度对纤维素酶的反馈抑制作用。在工艺上采用一步发酵法,简化了设备,节约了总生产时间,提高了生产效率。但也存在一些抑制因素,如木糖的抑制作用,糖化和发酵温度不协调等。
张继泉等作了有关玉米秸杆同时糖化发酵生产燃料乙醇的研究,利用正交试验对玉米秸秆发酵生产燃料乙醇的条件进行了摇瓶试验,但具体应用到工业中尚需时日。张德强等以汽爆毛白杨木粉为原料,采用正交实验法进行同时糖化发酵(SSF) 来生产乙醇。通过考察反应温度、pH 值、酶浓度和酵母用量来寻找绿色木霉纤维素酶和酿酒酵母同时糖化发酵转化汽爆毛白杨木粉成乙醇的最佳条件。
4. 5 非等温同时糖化发酵法(NSSF 法)
在纤维素酶水解过程中,纤维素酶的最适温度为50 ℃左右,而酵母发酵的控制温度是31～38 ℃。Zhangwen Wu采用非等温同时糖化发酵法(Nonisothermal Simultaneous Saccharification and Fermentation , NSSF) 生产乙醇的工艺流程,它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。该工艺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,但显然也使工艺流程复杂化了。
4. 6 固定化细胞发酵
固定化细胞发酵具有能使发酵罐内细胞浓度提高,细胞可连续使用,使最终发酵液乙醇浓度得以提高。常用的载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃等。固定化细胞的新动向是混合固定细胞发酵,如酵母与纤维二糖酶一起固定化,将纤维二糖基质转化成乙醇,此法引人注目,被看作是秸秆生产乙醇的重要方法。
5 以纤维素类物质为原料发酵生产燃料乙醇所采用的微生物
利用纤维素类物质为原料发酵生产乙醇,对微生物的要求是很高的。由于自然界中缺乏可以利用纤维素类物质原料有效发酵生产乙醇的微生物,因此有必要对不同微生物进行代谢工程改造,以便构造出更有效的微生物。刘翔等综述了纤维素类物质生产乙醇的代谢工程条件,简要描述了一个强调过程整体化的模型,并展望了这一领域今后的发展趋势。由于乙醇耐受性的分子基础还不清楚,所以利用突变和筛选还是非常有效的。近几十年来,人们发现许多微生物可以很好地利用纤维素类物质,但迄今为止,人们将主要精力集中在3种微生物上, 即酿酒酵母( S accharomyces cerevisiae) 、运动发酵单胞菌( Zymomans mobilis) 和大肠杆菌( Eschericha coli) 。Ingram将携带有运动发酵单胞菌(Z. mobilis) 的操纵子(operon) 和丙酮酸脱羧酶植入其他菌种,来发酵各种糖类。同时对含有各种酶的生物体(organisms)进行了研究,以用来水解纤维素和半纤维素,理论上,乙醇转化率为90 %以上。
6 结论和展望
纤维素类物质发酵生产燃料乙醇的研究已经成为全世界研究的热点课题之一。该领域今后的研究方向主要有以下几个方面: ①在预处理方面,单纯的物理法和化学法不足以破坏纤维素晶体结构以及去除半纤维素和木质素。应在物理法与化学法相结合的优化方面多进行一些研究工作,而使纤维素和半纤维素更易被水解和发酵。②在化学法(酸水解) 发酵生产燃料乙醇方面,应着重研究解决如何减少酸的用量,如何高效、经济地回收酸,以及酸解产物毒性问题的解决方案。③在生物法(酶工艺发酵) 方面,同时糖化发酵法和微生物直接转化法中不同菌种的共培养和不同酶系的协同作用和反应动力学是研究重点。④酶的价格直接决定着纤维素类物质发酵生产燃料乙醇的成本,因而纤维素酶和半纤维素酶及微生物应用技术方面的研究也是今后的热门课题,研究内容有对微生物的选择和培养、试验各种形式的发酵器、开发各种酶的回收方法(超滤、再吸附等) 、制取纤维酶及半纤维酶基因工程菌,还有纤维素酶、半纤维酶及微生物细胞固定化方面的研究。而混合固定化细胞发酵是固定化细胞的一个新动向,如酵母与纤维二糖酶一起固定化,将纤维二糖基质转化成乙醇。此方法用于同时糖化发酵法,是最有前途的。⑤化学法(酸水解) 与生物法(酶水解、微生物直接发酵等) 能否有机地结合,也值得研究。纤维素类物质是自然界中最丰富的可再生资源之一。
在我国随着液体燃料乙醇的广泛应用,利用农作物秸秆发酵生产燃料酒精不但可以生产出辛烷值高,对大气无污染的液体燃料乙醇,而且还可以增加社会经济效益,改善环境。利用秸秆生产燃料乙醇是生物质产品商业化的重要目标,燃料乙醇是一种巨大的再生能源,因此以秸秆为原料生产燃料乙醇具有其他淀粉质原料不可比拟的优势,不少国家已在多年以前就开展此项工作,目前还没有实现大规模工业化生产,今后我们应开发秸秆预处理新技术,培育价廉高活力的新型纤维素酶及五碳糖六碳糖同步发酵的新菌种,研发出流程短、效率高、能耗低的秸秆生产乙醇新工艺,从而降低乙醇生产成本,同时应注重秸秆中副产物的开发,例如气化木质素可以较低的成本转化为电厂的固体燃料,糠醛和醋酸也是潜在的副产品,有很大的市场潜力,这些产品的研发都有利于早日实现秸秆生产燃料乙醇的产业化。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
