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摘 要：木质纤维素生产乙醇技术难度大，目前世界上还尚未实现工业化生产。主要有酸法和酶法两种工艺，与酸化水解等其他工艺相比，酶化水解具有反应条件温和、降解产物毒性低、糖得率高及设备投资低等优点。阐述国外酶解纤维素乙醇述技术进展和国内技术的突破。
关键词：
技术进展；纤维素乙醇；预处理
中图分类号：TQ51
文献标识码：A
文章编号：1672-3198（2011）08-0269-02
1 国外纤维素乙醇技术进展
1．1 木质纤维素预处理技术
预处理技术的目的是破坏植物纤维素、半纤维素和木质素的三维复杂结构，提高纤维素降解为糖的转化率。目前主流工艺有壳牌-Iogen公司的稀酸蒸汽汽爆工艺和杜邦-杰能科的碱法氨爆预处理工艺等，两者都取得实质性进展，计划建设工业化示范装置。预处理工艺确定了原料组分分离利用原则，如碱法（H2O2、NH3等）蒸爆脱除的是木质素和半纤维素，底物纤维素含量高，也避免了木质素对酶的无效吸附，酶解重点方向是纤维素。而稀酸蒸爆是将半纤维素转化为单糖，木质素仍留在底物中，酶解重点方向是纤维素和残存的半纤维素，发酵可能是带渣发酵。但是碱法将木质素降解为小分子单元，产生大量酶解发酵抑制物，需要水洗环节，且污水处理类似草浆造纸产业，是个大问题。而稀酸蒸爆中木质纤维素不会产生抑制物和污染问题，但对设备要求高、投资大，废酸中和也是问题。
从国外原料预处理技术看，涉及因素很多，在原料预处理研发时，应着重考虑以下几点：
(1)尽量使用低腐蚀性体系，有利于降低设备材料成本；(2)在预处理过程中尽量减少对后续酶解和发酵有抑制作用的降解产物（如乙酸、糖醛等）生成；(3)应采用廉价的化学品辅料，且不产生有害残余物；(4)降低预处理工段水耗，以得到较高的糖和乙醇浓度，减少物产分离和后期的加工的能耗。
1.2 纤维酶技术
纤维素酶的生产首先取决于产酶能力强的微生物菌株，通过筛选以及诱变育种可以获得纤维素酶活力显著提高的菌株。
尽管纤维素水解研究多年，但这仍然是整个加工过程中效率最低的一个环节。水解经过预处理的纤维素需要的酶量为水解淀粉的100倍以上，成本占生物质转化总成本的50%-60%。由于酶生产成本过高，应用上只能通过延长水解时间、循环使用酶或底物以及减少木质素对酶无效吸附等手段来减少酶用量。纤维素水解存在许多困难，最重要的是β-葡萄糖苷酶在反应中供应不足，这不仅是由于酶本身浓度低，而且还受到产物葡萄糖的抑制，由于β-葡萄糖苷酶缺乏，纤维二糖就会积累，阻碍水解的继续进行。克服β-葡萄糖苷酶不足将是酶水解的一个重要研究方向。
在美国能源部的支持下，杰能科和诺维信两家酶制剂公司加大了研究力度，努力增加酶活和降低生产成本，超过显著。诺维性筛选复制出新的酶制剂，提高了酶系的降解能力，使玉米秸秆产乙醇用酶的成本降至原来的1/30，达到2.6～4.6美分/升乙醇。通过技术进步，杰能科的酶成本也降至原来的1/30，达到5.3～7.9美分/升乙醇。酶处理成本已经不再是纤维素乙醇产业化的主要障碍。
1.3 纤维素乙醇发酵工艺
酶解转化纤维素生产乙醇的过程通常涉及4步生物催化的反应：纤维素酶生产、纤维素水解、己糖发酵和戊糖发酵。根据研究进度和进展大致可将纤维素糖化发酵工艺分为以下三类。
(1)同时糖化（共）发酵SSF或SSCF。20世纪70年代的第一次石油危机时，美国开始研究用酶水解秸秆等木质纤维素类物质生产乙醇，开发了SSF和SSCF工艺，即同时糖化（共）发酵（Simulanteous Saccharification Co-Fermentation），并已成为国际公认的纤维素乙醇生产技术。SSF工艺是纤维素水解和糖液发酵在同一的反应器内进行，在加入纤维素酶的同时接种酒精发酵的酵母，可使生成的葡萄糖立即被酵母发酵成酒精。去除了产物抑制，就可以不妨碍纤维素糖化的继续进行，酒精得率可明显提高。SSCF是随着能同时发酵戊糖和己糖的稳定基因重组菌种的获得发展起来的，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，这就进一步简化流程。工艺流程如图1.
同时糖化（共）发酵技术存在以下缺点：一是纤维素酶解条件和乙醇发酵条件的不匹配，尤其是反映高温的不匹配，导致了发酵周期长，酶解效率低；二是发酵菌种不能回收利用，再加之高的酶成本、低水解速度和低效率的水解反应器，仍不能低成本生产纤维素乙醇。
(2)水解发酵两段工艺（Separate Hydrolysis Fermentation）。该工艺中纤维素水解和糖液发酵在不同的反应器中进行，可以使水解和发酵分别在各自最合适条件（分别为50℃和30℃）下进行，但是酶水解产生的产物（纤维二糖和葡萄糖）会反馈抑制水解反应，导致反应速度降低以及反应进行不完全。工艺流程如图2：
加拿大Iogen公司是专业生产纤维素酶的公司，采用纤维素酶水解纤维素，固液态分离水解糖（木糖、葡萄糖），工程酵母菌发酵生产乙醇的SHF工艺。2004年底，该公司与Petro-Canada共同投资4500万加元建立的世界上第一座木质纤维素乙醇中间试验工厂（年产燃料乙醇3000吨），在加拿大渥太华建成投产，日处理40吨麦秸，每吨麦秸可产乙醇300L,当年的乙醇成本约0.6美元/L。
(3)联合生物加工工艺（CBP）。该工艺可将纤维素酶生产、水解和发酵组合在一步里完成。这就要求纤维素生成和乙醇发酵都由一种微生物或一个微生物群体来施行。自然界中的某些微生物如Clostridiun、Moniliar等都具有直接把生物质转化为乙醇的能力，CBP需要的菌株也可以通过代谢途径过程方法构建。目前CBP技术纤维素乙醇浓度已达到2%～4%（体积分数），发展迅速，这为我们提供了一种可能的工艺简单、低成本的纤维素乙醇生产路线，也是最理想技术。工艺流程如图3：
2 国内纤维素乙醇技术发展
纤维素乙醇是未来燃料乙醇的发展方向，中国秸秆原料资源丰富，发展纤维素乙醇技术势在必行。作为燃料乙醇的龙头企业，中粮集团2006年开始加大纤维酒精研发力度，与中国石化、世界著名的酶制剂公司维诺信进行战略合作。2006年4月正式启动建设500吨纤维素乙醇产业实验装置，先后投入7000多万元，同年底一次投料试车成功截至。目前该工艺纤维素转化率达90%，成熟醪酒份达到6%，达到世界水平。
2008年中科院投资3000万元，启动了创新工程重大项目“纤维素乙醇的高温发酵和生物炼制”，目前项目进展顺利，在预处理、酶解、高温发酵和产品纯化方面取得了系列成果。
清华大学借鉴当前纤维素乙醇研究成果，与牛津大学、美国农业部等单位合作，高起点的开展纤维素乙醇研究工作，在国内第一次系统地从木质纤维预处理、纤维酶制造、纤维素水解、共代谢戊糖、己糖工程菌构建，到乙醇发酵和分离纯化新工艺，对纤维乙醇技术进行研究，开发了分子振动辅助预处理，微生物菌群同步产纤维素酶水解纤维素、在线分离可发酵糖、工程细菌共发酵戊糖与己糖生产纤维素技术，即同步多菌产酶水解发酵工艺（如图4），克服了SHF或SSF的技术缺点，使纤维素乙醇成本显著降低，技术已居国际领先地位。
参考文献
［1］白金明.中国能源作物可持续发展战略研究［M］.北京：中国农业出版社,2009.
［2］石元春.生物质能卷/中国可再生能源发展战略研究丛书［M］.北京：中国电力出版社,2008.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
关键词：
技术进展；纤维素乙醇；预处理
中图分类号：TQ51
文献标识码：A
文章编号：1672-3198（2011）08-0269-02
1 国外纤维素乙醇技术进展
1．1 木质纤维素预处理技术
预处理技术的目的是破坏植物纤维素、半纤维素和木质素的三维复杂结构，提高纤维素降解为糖的转化率。目前主流工艺有壳牌-Iogen公司的稀酸蒸汽汽爆工艺和杜邦-杰能科的碱法氨爆预处理工艺等，两者都取得实质性进展，计划建设工业化示范装置。预处理工艺确定了原料组分分离利用原则，如碱法（H2O2、NH3等）蒸爆脱除的是木质素和半纤维素，底物纤维素含量高，也避免了木质素对酶的无效吸附，酶解重点方向是纤维素。而稀酸蒸爆是将半纤维素转化为单糖，木质素仍留在底物中，酶解重点方向是纤维素和残存的半纤维素，发酵可能是带渣发酵。但是碱法将木质素降解为小分子单元，产生大量酶解发酵抑制物，需要水洗环节，且污水处理类似草浆造纸产业，是个大问题。而稀酸蒸爆中木质纤维素不会产生抑制物和污染问题，但对设备要求高、投资大，废酸中和也是问题。
从国外原料预处理技术看，涉及因素很多，在原料预处理研发时，应着重考虑以下几点：
(1)尽量使用低腐蚀性体系，有利于降低设备材料成本；(2)在预处理过程中尽量减少对后续酶解和发酵有抑制作用的降解产物（如乙酸、糖醛等）生成；(3)应采用廉价的化学品辅料，且不产生有害残余物；(4)降低预处理工段水耗，以得到较高的糖和乙醇浓度，减少物产分离和后期的加工的能耗。
1.2 纤维酶技术
纤维素酶的生产首先取决于产酶能力强的微生物菌株，通过筛选以及诱变育种可以获得纤维素酶活力显著提高的菌株。
尽管纤维素水解研究多年，但这仍然是整个加工过程中效率最低的一个环节。水解经过预处理的纤维素需要的酶量为水解淀粉的100倍以上，成本占生物质转化总成本的50%-60%。由于酶生产成本过高，应用上只能通过延长水解时间、循环使用酶或底物以及减少木质素对酶无效吸附等手段来减少酶用量。纤维素水解存在许多困难，最重要的是β-葡萄糖苷酶在反应中供应不足，这不仅是由于酶本身浓度低，而且还受到产物葡萄糖的抑制，由于β-葡萄糖苷酶缺乏，纤维二糖就会积累，阻碍水解的继续进行。克服β-葡萄糖苷酶不足将是酶水解的一个重要研究方向。
在美国能源部的支持下，杰能科和诺维信两家酶制剂公司加大了研究力度，努力增加酶活和降低生产成本，超过显著。诺维性筛选复制出新的酶制剂，提高了酶系的降解能力，使玉米秸秆产乙醇用酶的成本降至原来的1/30，达到2.6～4.6美分/升乙醇。通过技术进步，杰能科的酶成本也降至原来的1/30，达到5.3～7.9美分/升乙醇。酶处理成本已经不再是纤维素乙醇产业化的主要障碍。
1.3 纤维素乙醇发酵工艺
酶解转化纤维素生产乙醇的过程通常涉及4步生物催化的反应：纤维素酶生产、纤维素水解、己糖发酵和戊糖发酵。根据研究进度和进展大致可将纤维素糖化发酵工艺分为以下三类。
(1)同时糖化（共）发酵SSF或SSCF。20世纪70年代的第一次石油危机时，美国开始研究用酶水解秸秆等木质纤维素类物质生产乙醇，开发了SSF和SSCF工艺，即同时糖化（共）发酵（Simulanteous Saccharification Co-Fermentation），并已成为国际公认的纤维素乙醇生产技术。SSF工艺是纤维素水解和糖液发酵在同一的反应器内进行，在加入纤维素酶的同时接种酒精发酵的酵母，可使生成的葡萄糖立即被酵母发酵成酒精。去除了产物抑制，就可以不妨碍纤维素糖化的继续进行，酒精得率可明显提高。SSCF是随着能同时发酵戊糖和己糖的稳定基因重组菌种的获得发展起来的，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，这就进一步简化流程。工艺流程如图1.
同时糖化（共）发酵技术存在以下缺点：一是纤维素酶解条件和乙醇发酵条件的不匹配，尤其是反映高温的不匹配，导致了发酵周期长，酶解效率低；二是发酵菌种不能回收利用，再加之高的酶成本、低水解速度和低效率的水解反应器，仍不能低成本生产纤维素乙醇。
(2)水解发酵两段工艺（Separate Hydrolysis Fermentation）。该工艺中纤维素水解和糖液发酵在不同的反应器中进行，可以使水解和发酵分别在各自最合适条件（分别为50℃和30℃）下进行，但是酶水解产生的产物（纤维二糖和葡萄糖）会反馈抑制水解反应，导致反应速度降低以及反应进行不完全。工艺流程如图2：
加拿大Iogen公司是专业生产纤维素酶的公司，采用纤维素酶水解纤维素，固液态分离水解糖（木糖、葡萄糖），工程酵母菌发酵生产乙醇的SHF工艺。2004年底，该公司与Petro-Canada共同投资4500万加元建立的世界上第一座木质纤维素乙醇中间试验工厂（年产燃料乙醇3000吨），在加拿大渥太华建成投产，日处理40吨麦秸，每吨麦秸可产乙醇300L,当年的乙醇成本约0.6美元/L。
(3)联合生物加工工艺（CBP）。该工艺可将纤维素酶生产、水解和发酵组合在一步里完成。这就要求纤维素生成和乙醇发酵都由一种微生物或一个微生物群体来施行。自然界中的某些微生物如Clostridiun、Moniliar等都具有直接把生物质转化为乙醇的能力，CBP需要的菌株也可以通过代谢途径过程方法构建。目前CBP技术纤维素乙醇浓度已达到2%～4%（体积分数），发展迅速，这为我们提供了一种可能的工艺简单、低成本的纤维素乙醇生产路线，也是最理想技术。工艺流程如图3：
2 国内纤维素乙醇技术发展
纤维素乙醇是未来燃料乙醇的发展方向，中国秸秆原料资源丰富，发展纤维素乙醇技术势在必行。作为燃料乙醇的龙头企业，中粮集团2006年开始加大纤维酒精研发力度，与中国石化、世界著名的酶制剂公司维诺信进行战略合作。2006年4月正式启动建设500吨纤维素乙醇产业实验装置，先后投入7000多万元，同年底一次投料试车成功截至。目前该工艺纤维素转化率达90%，成熟醪酒份达到6%，达到世界水平。
2008年中科院投资3000万元，启动了创新工程重大项目“纤维素乙醇的高温发酵和生物炼制”，目前项目进展顺利，在预处理、酶解、高温发酵和产品纯化方面取得了系列成果。
清华大学借鉴当前纤维素乙醇研究成果，与牛津大学、美国农业部等单位合作，高起点的开展纤维素乙醇研究工作，在国内第一次系统地从木质纤维预处理、纤维酶制造、纤维素水解、共代谢戊糖、己糖工程菌构建，到乙醇发酵和分离纯化新工艺，对纤维乙醇技术进行研究，开发了分子振动辅助预处理，微生物菌群同步产纤维素酶水解纤维素、在线分离可发酵糖、工程细菌共发酵戊糖与己糖生产纤维素技术，即同步多菌产酶水解发酵工艺（如图4），克服了SHF或SSF的技术缺点，使纤维素乙醇成本显著降低，技术已居国际领先地位。
参考文献
［1］白金明.中国能源作物可持续发展战略研究［M］.北京：中国农业出版社,2009.
［2］石元春.生物质能卷/中国可再生能源发展战略研究丛书［M］.北京：中国电力出版社,2008.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”