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摘 要：由于近年来能源安全以及環境污染的问题越来越严重，因此现在很多国家都是使用乙醇作为燃料来替代现在使用的汽油。纤维素乙醇在生产过程中对于原材料的选择上是很广泛的，并且纤维素乙醇在使用过程中低碳排放的特点，现在越来越多的受到人们的关注。本文主要就纤维素乙醇的现状以及在生产过程中所遇到的困难进行了阐述，根据这一系列的现状探索了我国纤维素乙醇工程未来的发展方向。
关键词：纤维素乙醇 纤维素酶成本 进展
中图分类号：TQ223.122 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（b）-0112-02
当前我国的乙醇原料大部分来源与粮食以及甘蔗等作物，伴随着纤维素乙醇工程的生产规模的不断增大，因此在原料的选取的问题已经变得越来越突出。多国政府已经明确了乙醇工程的主要方向，很多的专家明确提出，纤维素乙醇是以后生物燃料的基础，尽管在生产过程中存在着很多的技术性问题，但是整个纤維素工程的商业化步伐却没停滞不前，在粮食为本的大前提下，我国的纤维素乙醇工程已经从以前的粮食原料转变为现在非粮食原料乙醇工程。
1 纤维素乙醇技术现状
根据相关部门的专业统计，到现在为止一共有一百多个与纤维素乙醇相关的工程项目，在建的有8个，预计到2016年年底，一共有15个相关项目能够实现投产。按照技术和工艺的发展进程，目前业界将燃料乙醇分为3类：以玉米、小麦等粮食为原料生产的第1代粮食乙醇，以木薯、甘蔗、甜高粱秆等经济作物为原料的第1.5代非粮乙醇，以玉米秸秆、玉米芯等纤维素物质为原料的第2代纤维素乙醇。现在我国的纤维素乙醇生产在技术上主要有以下的几种类型。
1.1 连续蒸汽爆破预处理
对于纤维素乙醇中的预处理技术是需要经过很多的实验，经过实验来确定一个完整的蒸汽预处理路线；另外我国在纤维素乙醇生产过程中的中性预处理技术在近几年也有着一个很大的突破，在生产上能够体现其所具有优势。在装备方面则是借鉴了现在的制浆造纸设备的经验，由原先的间歇转变为现在的连续设备，在技术上也取得了很大的突破。在预处理技术上还是运用潘迪亚横管连蒸系统，回看以前我国造纸行业在制浆技术上的发展过程，给现在的纤维素乙醇预处理技术上提供可很好的技术参考。上个世纪在造纸行业中绝大多数还是使用亚硫酸盐来进行制浆，但是在制浆过程中酸性物质对于生产设备的损害这个问题一直得不到很好的解决，一直到碱性硫酸盐制浆技术的产生，然而这个技术虽然解决了在生产过程对于设备的损害但是运用碱法来制浆会产生很多的木质素，对于环境的破坏很严重，这就需要企业加大在环保上的投入，因此使用连续蒸汽爆破预处理技术能够很好的解决这些问题。
1.2 提高酶活性
如何提高酶的活性是在现在纤维素乙醇工程中比较重要的技术，酶的活性主要是由两个部分所决定的，第一，就是现在的预处理技术能够有效提升底物酶解性。第二，酶的活性主要是由自己本身来提高的。预处理技术能够运用酸性或者碱性的溶剂来有效的阻断酯键，这样就能打开半纤维素以及木质素之间的交联结构，从而有效的改进了酶对于底物的可及性，使得酶的使用量大大的降低。而后者会运用菌株，该种方式可以有效提高酶的活性。
1.3 开发戊糖/己糖共发酵菌株和新的代谢途径
相比较与国外，其很注重对于戊糖发酵菌株的开发，运用转变基因的技术手段来改变酿酒酵母，使得其能够正常的代谢出戊糖生产乙醇这项技术，在国内外的研究已经很长时间了。在外国的企业或者相关的研究机构把一些真菌的戊糖代谢的途径在酿酒酵母菌中得到了很高的活性表达，从而大大的提高酵母菌的乙醇发酵特点，而且取得了很大的进步。尤其是提高对水解物中抑制物的耐受性，提高生产强度。随着戊糖/己糖 共发酵菌株性能不断改进，共发酵工艺已成为趋 势。美国加州大学的研究人员开创了一种新的混合途径非氧化糖酵解 （NOG） ，他们重新改造了最核心的代谢途径，并找到了一种新方法增加乙酰辅酶 A 的产出，将葡萄糖6个碳原子转化为 3个乙酰辅酶 A 分子，因此不会因为二氧化碳损失 2 个碳原子。这种新的代谢合成途径解决了乙醇生产过程中的局限性——损失碳水化合物原料中 1/3 的碳原子，有望使目标产物产量提高 30%，从而使乙醇 与生物质合成烃具有竞争性。
2 工程化遇到的主要问题
从纤维素乙醇工程的生产成本来看，其在生产上的成本还是远远高于现在的汽油价格，特别是在制造过程中的原料成本、酶制剂成本以及在生产过程中所产生的污染处理费用都占整个生产过程中很大的比例。现在限制我国纤维素乙醇生产工艺的最主要问题有以下几个：第一，成产过程中设备系统的可靠性，因为我们知道设备是生产过程中的最基础条件，设备也是纤维素乙醇工程的基础，一个设备的可依赖性是在生产过程中的前提。在纤维素乙醇生产过程中的设备以及各种操作，在非正常情况下会对预处理设备造成损害，对于设备也存在一定的腐蚀性，从而使得预处理设备较其它的设备而言更易受到破坏，在生产过程中容易产生故障。第二，酶的成本，相关数据表面，在纤维素乙醇工程中，酶的成本问题是除了原料成本之外第二大问题，由于纤维素酶的活力比其它的淀粉酶的活力低，因而，纤维素乙醇工程中在酶的使用是淀粉乙醇酶的用量几十倍，另外纤维素乙醇酶的价格在一定程度上还是高于淀粉酶，这两点就充分的体现了酶的成本一直偏高。
3 发展方向探讨
随着现代科技技术的不断发展，纤维素乙醇装备技术也不断的改变，其装备已经通过了终极测试，现在正在经历示范装置验证的过程。其主要的技术是参考了我国现代的制浆造纸技术以及传统的乙醇发酵设备在制造上的经验，对于现在的设备可靠性以及安全性是需要进行验证的。
4 结语
总之，在以后的应用中也需要以纤维素乙醇装备技术为基础，再结合纤维素乙醇在每个阶段中物料特点，进一步的创新来研究开发出新的效率高的预处理装备，依据酶制剂和发酵菌株特性，开发适合高固、高黏底物的半连续、连续酶解设备以及同步糖化发酵设备，缩短反应时间，提高酶解和发酵效率，最终达到提高发酵液乙醇的浓度，降低纤维素乙醇成本的目的。
参考文献
[1] 岳国君，武国庆，林鑫.纤维素乙醇工程化探讨[J].生物工程学报，2014，30（6）：816-827.
[2] 闫莉，吕惠生，张敏华.纤维素乙醇生产技术及产业化进展[J].酿酒科技，2013（10）：80-84.
[3] 姜芹，孙亚琴，滕虎.纤维素燃料乙醇技术经济分析[J].过程工程学报，2012，12（1）：97-104.
[4] Xiongjun Shao，Lee Lynd，André Bakker，Richard LaRoche，Charles Wyman.Reactor scale up for biological conversion of cellulosic biomass to ethanol[J]. Bioprocess and Biosystems Engineering，2010（4）.
[5] （美）詹姆斯G.斯佩特（JamesG.Speight）编著，陈晓春，孙巍译.化学工程师实用数据手册[M].北京：化学工业出版社，2006.
关键词：纤维素乙醇 纤维素酶成本 进展
中图分类号：TQ223.122 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（b）-0112-02
当前我国的乙醇原料大部分来源与粮食以及甘蔗等作物，伴随着纤维素乙醇工程的生产规模的不断增大，因此在原料的选取的问题已经变得越来越突出。多国政府已经明确了乙醇工程的主要方向，很多的专家明确提出，纤维素乙醇是以后生物燃料的基础，尽管在生产过程中存在着很多的技术性问题，但是整个纤維素工程的商业化步伐却没停滞不前，在粮食为本的大前提下，我国的纤维素乙醇工程已经从以前的粮食原料转变为现在非粮食原料乙醇工程。
1 纤维素乙醇技术现状
根据相关部门的专业统计，到现在为止一共有一百多个与纤维素乙醇相关的工程项目，在建的有8个，预计到2016年年底，一共有15个相关项目能够实现投产。按照技术和工艺的发展进程，目前业界将燃料乙醇分为3类：以玉米、小麦等粮食为原料生产的第1代粮食乙醇，以木薯、甘蔗、甜高粱秆等经济作物为原料的第1.5代非粮乙醇，以玉米秸秆、玉米芯等纤维素物质为原料的第2代纤维素乙醇。现在我国的纤维素乙醇生产在技术上主要有以下的几种类型。
1.1 连续蒸汽爆破预处理
对于纤维素乙醇中的预处理技术是需要经过很多的实验，经过实验来确定一个完整的蒸汽预处理路线；另外我国在纤维素乙醇生产过程中的中性预处理技术在近几年也有着一个很大的突破，在生产上能够体现其所具有优势。在装备方面则是借鉴了现在的制浆造纸设备的经验，由原先的间歇转变为现在的连续设备，在技术上也取得了很大的突破。在预处理技术上还是运用潘迪亚横管连蒸系统，回看以前我国造纸行业在制浆技术上的发展过程，给现在的纤维素乙醇预处理技术上提供可很好的技术参考。上个世纪在造纸行业中绝大多数还是使用亚硫酸盐来进行制浆，但是在制浆过程中酸性物质对于生产设备的损害这个问题一直得不到很好的解决，一直到碱性硫酸盐制浆技术的产生，然而这个技术虽然解决了在生产过程对于设备的损害但是运用碱法来制浆会产生很多的木质素，对于环境的破坏很严重，这就需要企业加大在环保上的投入，因此使用连续蒸汽爆破预处理技术能够很好的解决这些问题。
1.2 提高酶活性
如何提高酶的活性是在现在纤维素乙醇工程中比较重要的技术，酶的活性主要是由两个部分所决定的，第一，就是现在的预处理技术能够有效提升底物酶解性。第二，酶的活性主要是由自己本身来提高的。预处理技术能够运用酸性或者碱性的溶剂来有效的阻断酯键，这样就能打开半纤维素以及木质素之间的交联结构，从而有效的改进了酶对于底物的可及性，使得酶的使用量大大的降低。而后者会运用菌株，该种方式可以有效提高酶的活性。
1.3 开发戊糖/己糖共发酵菌株和新的代谢途径
相比较与国外，其很注重对于戊糖发酵菌株的开发，运用转变基因的技术手段来改变酿酒酵母，使得其能够正常的代谢出戊糖生产乙醇这项技术，在国内外的研究已经很长时间了。在外国的企业或者相关的研究机构把一些真菌的戊糖代谢的途径在酿酒酵母菌中得到了很高的活性表达，从而大大的提高酵母菌的乙醇发酵特点，而且取得了很大的进步。尤其是提高对水解物中抑制物的耐受性，提高生产强度。随着戊糖/己糖 共发酵菌株性能不断改进，共发酵工艺已成为趋 势。美国加州大学的研究人员开创了一种新的混合途径非氧化糖酵解 （NOG） ，他们重新改造了最核心的代谢途径，并找到了一种新方法增加乙酰辅酶 A 的产出，将葡萄糖6个碳原子转化为 3个乙酰辅酶 A 分子，因此不会因为二氧化碳损失 2 个碳原子。这种新的代谢合成途径解决了乙醇生产过程中的局限性——损失碳水化合物原料中 1/3 的碳原子，有望使目标产物产量提高 30%，从而使乙醇 与生物质合成烃具有竞争性。
2 工程化遇到的主要问题
从纤维素乙醇工程的生产成本来看，其在生产上的成本还是远远高于现在的汽油价格，特别是在制造过程中的原料成本、酶制剂成本以及在生产过程中所产生的污染处理费用都占整个生产过程中很大的比例。现在限制我国纤维素乙醇生产工艺的最主要问题有以下几个：第一，成产过程中设备系统的可靠性，因为我们知道设备是生产过程中的最基础条件，设备也是纤维素乙醇工程的基础，一个设备的可依赖性是在生产过程中的前提。在纤维素乙醇生产过程中的设备以及各种操作，在非正常情况下会对预处理设备造成损害，对于设备也存在一定的腐蚀性，从而使得预处理设备较其它的设备而言更易受到破坏，在生产过程中容易产生故障。第二，酶的成本，相关数据表面，在纤维素乙醇工程中，酶的成本问题是除了原料成本之外第二大问题，由于纤维素酶的活力比其它的淀粉酶的活力低，因而，纤维素乙醇工程中在酶的使用是淀粉乙醇酶的用量几十倍，另外纤维素乙醇酶的价格在一定程度上还是高于淀粉酶，这两点就充分的体现了酶的成本一直偏高。
3 发展方向探讨
随着现代科技技术的不断发展，纤维素乙醇装备技术也不断的改变，其装备已经通过了终极测试，现在正在经历示范装置验证的过程。其主要的技术是参考了我国现代的制浆造纸技术以及传统的乙醇发酵设备在制造上的经验，对于现在的设备可靠性以及安全性是需要进行验证的。
4 结语
总之，在以后的应用中也需要以纤维素乙醇装备技术为基础，再结合纤维素乙醇在每个阶段中物料特点，进一步的创新来研究开发出新的效率高的预处理装备，依据酶制剂和发酵菌株特性，开发适合高固、高黏底物的半连续、连续酶解设备以及同步糖化发酵设备，缩短反应时间，提高酶解和发酵效率，最终达到提高发酵液乙醇的浓度，降低纤维素乙醇成本的目的。
参考文献
[1] 岳国君，武国庆，林鑫.纤维素乙醇工程化探讨[J].生物工程学报，2014，30（6）：816-827.
[2] 闫莉，吕惠生，张敏华.纤维素乙醇生产技术及产业化进展[J].酿酒科技，2013（10）：80-84.
[3] 姜芹，孙亚琴，滕虎.纤维素燃料乙醇技术经济分析[J].过程工程学报，2012，12（1）：97-104.
[4] Xiongjun Shao，Lee Lynd，André Bakker，Richard LaRoche，Charles Wyman.Reactor scale up for biological conversion of cellulosic biomass to ethanol[J]. Bioprocess and Biosystems Engineering，2010（4）.
[5] （美）詹姆斯G.斯佩特（JamesG.Speight）编著，陈晓春，孙巍译.化学工程师实用数据手册[M].北京：化学工业出版社，2006.