張 偉，林 燕，劉 妍，華鑫怡，李春杰，孔海南

（上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

進(jìn)展與述評(píng)

利用秸稈制備燃料乙醇的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

張 偉，林 燕，劉 妍，華鑫怡，李春杰，孔海南

（上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

利用秸稈來(lái)制取燃料乙醇越來(lái)越受到重視，但由于秸稈的成分復(fù)雜，很難直接利用其來(lái)進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。本文從秸稈原料組分分析入手，介紹和比較了以秸稈為原料的各種預(yù)處理方法，并系統(tǒng)分析了典型纖維素酶的種類及特點(diǎn)，對(duì)水解方法及發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并進(jìn)一步分析了秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和今后的研究發(fā)展趨勢(shì)。

秸稈；乙醇；預(yù)處理；水解；發(fā)酵

農(nóng)業(yè)秸稈作為一種大量而又廉價(jià)的生物質(zhì)資源，受到農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等相關(guān)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。近年，我國(guó)的農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)出量在7億噸左右[1]，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份，50%左右的農(nóng)作物秸稈被遺棄或者直接露天焚燒。大面積焚燒農(nóng)作物秸稈不僅造成了極大的大氣環(huán)境污染和土壤生態(tài)平衡，而且浪費(fèi)了大量寶貴的生物質(zhì)資源[2]。采用農(nóng)業(yè)秸稈進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化可以得到生物燃料，其中燃料乙醇作為一種能替代石油的生物質(zhì)能源得到了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于以糧食為原料生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)，采用秸稈為原料來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇，不僅可以避免與人爭(zhēng)糧的問(wèn)題，還可以減少環(huán)境污染。

農(nóng)業(yè)秸稈為主要的木質(zhì)纖維素廢物，主要含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，基于其復(fù)雜的原料物質(zhì)組成特點(diǎn)，秸稈需經(jīng)預(yù)處理、水解、發(fā)酵3個(gè)主要的處理步驟轉(zhuǎn)化制備乙醇，本文作者將分別對(duì)這三方面的研究進(jìn)展進(jìn)行概述分析。

1 秸稈的組成

秸稈多種多樣，包括稻草、麥秸、玉米秸、大豆秸等，其主要成分是木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等聚合而成的致密碳水化合物以及少量蛋白質(zhì)、脂肪、木質(zhì)素、醇類、醛、酮和有機(jī)酸。不同秸稈其組成成分和比例也不同，其主要成分是纖維素，其次是半纖維素和木質(zhì)素，不同植物體殘?bào)w中這3種物質(zhì)的比例是不同的（表1）[3]。

表1 不同農(nóng)作物秸稈中木質(zhì)素、纖維素、半纖維素的比例

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素既不溶于水也不溶于一般的有機(jī)溶劑，而且交織在一起，相互制約，是化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定的高分子化合物。纖維素是由β-D-葡萄糖通過(guò)β-1,4-糖苷鍵連接而成的直鏈型結(jié)晶高聚物，由結(jié)晶區(qū)和無(wú)定型區(qū)交錯(cuò)聯(lián)接而成，分子內(nèi)和分子間存在氫鍵。纖維的特殊結(jié)構(gòu)使得纖維素酶很難接近其內(nèi)部的糖苷鍵進(jìn)行有效的反應(yīng)。半纖維素在結(jié)構(gòu)上變化很大，一般由較短、高度分支的雜多糖鏈組成，比較容易被水解為其組成的糖類。木質(zhì)素是以苯丙基為基本機(jī)構(gòu)單元連接而成的高分支多分散性高聚物，非常難于降解[4-5]。

2 預(yù)處理

預(yù)處理的目的是解除木質(zhì)素、半纖維素等對(duì)纖維素的保護(hù)作用和破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，增加其表面積，從而提高纖維素的水解糖化效率。目前，秸稈的預(yù)處理方法很多，根據(jù)原料性狀的不同采取不同的預(yù)處理方法，一般包括物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法、生物法 4類。物理法有機(jī)械粉碎、熱分解；化學(xué)法有酸或堿處理法、氨滲透法、臭氧分解法、濕式氧化法、有機(jī)溶劑法；物理化學(xué)法有蒸汽爆破、AFEX（氨纖維爆破）、超臨界CO2法、離子液體法；生物法主要是利用白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等微生物通常用來(lái)降解秸稈中的木質(zhì)素和半纖維素。各種預(yù)處理方法效果具體見(jiàn)表2。

在眾多的預(yù)處理方法中，一般使用蒸汽爆破和濕式氧化處理秸稈等木質(zhì)纖維素。其中蒸汽爆破法雖然可以達(dá)到很好的處理效果，但在處理木質(zhì)纖維原料時(shí)還存在一些問(wèn)題，尚不具備工業(yè)化推廣的條件，濕式氧化法處理雖然能耗少，但資金成本非常高[20]。H2SO4和HCl等濃酸均可用來(lái)預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料，但是由于其具有較強(qiáng)的腐蝕性和會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，因此要求反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能且處理后的濃酸必須進(jìn)行回收。稀酸法處理效率較高，且在溫度高時(shí)所需時(shí)間較短，但成本還是偏高，且在后續(xù)處理中需對(duì)酸進(jìn)行中和。因此，低成本且不消耗能源的生物質(zhì)利用技術(shù)的重要性越發(fā)突出。在此背景下，當(dāng)前引人注目的是利用離子液體的纖維素預(yù)處理技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。2002年美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)的 Rogers 教授首次報(bào)道了離子液體在100 ℃左右具有溶解纖維素的優(yōu)異能力，隨后出現(xiàn)了在常溫下溶解纖維素的研究成果。之后還發(fā)現(xiàn)將酶溶解在離子液體中能夠使酶發(fā)揮活性、將纖維素和纖維素酶同時(shí)溶解，能夠?qū)崿F(xiàn)常溫下纖維素的酶法糖化[21]。此外，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保且有效的木質(zhì)素脫除方法，生產(chǎn)高附加值的木質(zhì)素產(chǎn)品也是降低成本、提高預(yù)處理效果的有效途徑。

3 水 解

預(yù)處理過(guò)后的秸稈需進(jìn)行水解才能轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖。水解的作用是破壞纖維素中的氫鍵，纖維素水解需要在催化劑存在下才能進(jìn)行，常用的催化劑有無(wú)機(jī)酸和纖維素酶，由此形成了酸水解和酶水解工藝。

3.1 纖維素的酸水解

常用于纖維素水解的酸主要有鹽酸和硫酸。酸催化水解纖維素的機(jī)理是：酸在水中解離并產(chǎn)生H+，H+與水構(gòu)成不穩(wěn)定的水合氫離子（H3O+），當(dāng)纖維素上的β-1,4-葡萄糖苷鍵和H3O+接觸時(shí)，后者將一個(gè)H+交給β-1,4-葡萄糖苷鍵上的氧，使得這個(gè)氧變成不穩(wěn)定的4價(jià)氧。當(dāng)氧鍵斷裂時(shí)，與水反應(yīng)生成兩個(gè)羥基，并重新放出氫離子H+，H+可再次參與催化水解反應(yīng)。在一定的酸濃度范圍內(nèi)，纖維素水解反應(yīng)速率與酸的濃度呈正比，水解反應(yīng)的速度也隨著溫度的升高而加快。酸水解法有稀酸水解和濃酸水解[22]。

3.1.1 稀酸水解

稀酸水解要求在高溫、高壓下進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)間較短，通常為幾秒或幾分鐘，在連續(xù)生產(chǎn)中應(yīng)用較多。稀酸水解法又有常壓水解和加壓水解法，后者又分為固定水解法、分段水解法和滲濾水解法[22]。

表2 各種預(yù)處理方法效果的比較

衛(wèi)民等[23]用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.5%、1.5%、2.5%的硫酸等對(duì)熱磨處理后的玉米秸稈進(jìn)行加壓水解，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水解溫度為180 ℃，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，水解液中還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)5.5%，還原糖最大得率為理論得率的75%。黃愛(ài)玲等[24]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用稀硫酸水解玉米秸稈時(shí)，當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以下時(shí)，葡萄糖的水解得率隨硫酸濃度的增加而增加，在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)達(dá)最大值，此后，硫酸濃度的提高對(duì)葡萄糖的水解得率的影響不大。

3.1.2 濃酸水解

濃酸水解是均相水解，纖維素晶體結(jié)構(gòu)在酸溶液中潤(rùn)脹或溶解后形成酸的復(fù)合物，再水解成低聚糖和葡萄糖。濃酸水解的優(yōu)點(diǎn)是糖的回收率高且副產(chǎn)物較少，約有90%的半纖維素和纖維素轉(zhuǎn)化的糖能被回收。濃酸水解工藝的代表是Arkenol公司，該工藝對(duì)生物質(zhì)原料采用兩級(jí)濃酸水解，水解得到的酸糖混合液經(jīng)離子排斥法分為凈化糖液和酸液。糖液中還含少量酸，可用石灰中和，生成的石膏在沉淀槽和離心機(jī)里分離。經(jīng)離子排斥法分離得到的稀硫酸經(jīng)過(guò)脫水濃縮后可回到水解工段中再利用[25]。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，濃硫酸必須回收，但硫酸的分離和再濃縮增加了工藝的復(fù)雜程度，且濃硫酸具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)設(shè)備的要求較高。

此外，濃酸水解法可在較低的溫度和壓力下進(jìn)行，但反應(yīng)時(shí)間比稀酸水解長(zhǎng)得多，而且纖維素水解的同時(shí)也會(huì)發(fā)生葡萄糖的回聚現(xiàn)象。葡萄糖的回聚是纖維素水解的逆過(guò)程，水解液中單糖和酸的濃度越大，其回聚度越大。葡萄糖回聚后會(huì)生成二糖或三糖，因此在水解末期需對(duì)溶液進(jìn)行加熱，使回聚的低聚糖再進(jìn)行水解[26]。

王歡等[27]在酸固比為15∶1，反應(yīng)溫度為40℃，粒度為20～40目，水解時(shí)間為60 min，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、50%、55%、60%、70%、80%的條件下，研究不同濃度濃酸對(duì)總糖收率的影響，發(fā)現(xiàn)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%時(shí)總糖收率有較大值（65%），質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于50%時(shí)，玉米秸稈中纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)不能被完全破壞，水解不充分，酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于50%時(shí)，總糖收率降低。

3.2 酶水解

在自然界中，90%的含纖維素的生物質(zhì)可被微生物降解，這些能降解纖維素的微生物中80%為霉菌，因此可以利用自然界豐富的霉菌來(lái)產(chǎn)生纖維素酶。纖維素酶生產(chǎn)菌種主要是木霉屬（Trichodermasp.）中的里氏木霉（Trichoderma reesei）、曲霉屬（Aspergillus）和青霉屬（Penicilliumsp.）[28]。纖維素的水解需要3類纖維素酶的協(xié)同作用，這3類酶分別為：外切β-葡聚糖酶類（CBH，EC 3.2.1.91），也叫微晶纖維素分解酶或C1酶；內(nèi)切β-1,4-葡聚糖酶類（EG，EC 3.2.1.4），也叫CMC分解酶或Cx酶；β-1,4-葡萄糖苷酶（BG，EC 3.2.1.21），也叫 Cb酶或纖維二糖酶。有證據(jù)表明這些酶是起協(xié)同作用的[29]，目前有一種公認(rèn)的3種纖維素酶的功能分別為：CBH酶作用于纖維素分子鏈的非還原性末端，切割β-1,4鍵，釋放最終產(chǎn)物葡萄糖和纖維二糖；EG酶任意攻擊纖維素分子內(nèi)部的β-1,4-葡糖糖苷鍵，產(chǎn)生許多不同長(zhǎng)度的葡聚糖鏈；BG酶特定作用于纖維二糖，產(chǎn)生葡萄糖[30]。

纖維素酶水解纖維素的機(jī)制主要存在有兩種假說(shuō)：一種認(rèn)為，首先由 CBH酶水解纖維素為不溶性纖維素、可溶性纖維素糊精與纖維二糖，然后由EG酶水解纖維糊精成纖維二糖，最后由BG酶將纖維二糖水解為葡萄糖；另一種認(rèn)為首先由 EG酶在纖維素聚合物內(nèi)部起作用，在纖維素的非結(jié)晶區(qū)進(jìn)行切割，產(chǎn)生新的末端，然后再由 CBH酶從纖維素鏈的末端進(jìn)行水解，最后由BG酶將纖維二糖水解為葡萄糖。關(guān)于纖維素酶水解的機(jī)制至今仍沒(méi)有完全統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[22，31]。

纖維素酶是一種復(fù)合酶[32]，和其它的生物酶一樣，具有水解的專一性，不同微生物合成的纖維素酶在組成上有顯著的差異，對(duì)纖維素的酶解能力也不盡相同[33]。影響纖維素酶水解效果的因素主要有底物濃度，纖維素酶用量和水解條件。底物濃度過(guò)高對(duì)酶水解有抑制作用，濃度過(guò)低則水解效率低；纖維素酶的用量決定酶水解的成本及經(jīng)濟(jì)可行性，合適的酶濃度及酶系組成是纖維素酶水解工藝所必須確定的，常用纖維素酶及其水解效果見(jiàn)表3。

表3 常見(jiàn)纖維素酶及其水解效果

在酶法水解纖維素生產(chǎn)乙醇的過(guò)程中，需要用復(fù)雜的纖維素酶系將纖維素、半纖維素等多糖組分分解成單糖（葡萄糖、木糖等），才能利用酵母發(fā)酵制備燃料乙醇?，F(xiàn)有的纖維素酶活力比較低，單位原料用酶量很大，酶解效率低，使得酶解糖化經(jīng)濟(jì)成本較高。因此，開(kāi)發(fā)高活性纖維素酶成為提高酶解效率、降低成本的必經(jīng)之路。世界上最大的工業(yè)酶制劑企業(yè)丹麥諾維信公司（Novozymes）于2010年2月成功推出了能將植物纖維為主要成分的纖維素高效轉(zhuǎn)變成糖的、面向第二代生物燃料的酶制劑“Cellic CTec2”，其能夠?qū)?加侖生物燃料的生產(chǎn)成本降到2美元，擁有與現(xiàn)行生物燃料和汽油同等的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力；使纖維素乙醇所需酶的成本大幅降低至50美分/加侖，相當(dāng)于過(guò)去兩年的1/5。同時(shí)，隨著基因工程（宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏蛋白質(zhì)組學(xué)）、酶工程等生物技術(shù)的快速發(fā)展，將極大促進(jìn)纖維素酶的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

4 發(fā)酵工藝

利用秸稈等含纖維素物料發(fā)酵制備乙醇的方法有同步糖化發(fā)酵法（simultaneous saccharification and fermentation，SSF）、固定化細(xì)胞發(fā)酵法、統(tǒng)合生物工藝（consolidated bioprocessing，CBP）、間接發(fā)酵法、混合發(fā)酵法等。下面將對(duì)前3種方法進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

4.1 同步糖化發(fā)酵法

同步糖化發(fā)酵法（SSF）是微生物發(fā)酵與纖維素酶水解的有效結(jié)合[40]，采用同步糖化發(fā)酵法時(shí)，通常采用酶水解的方法進(jìn)行水解[41-43]。運(yùn)行過(guò)程中，由于發(fā)酵對(duì)酶水解產(chǎn)生的纖維二糖及葡萄糖的及時(shí)利用，減輕了發(fā)酵罐中由于糖的積累對(duì)纖維素酶的抑制作用，使得此種方法具有乙醇產(chǎn)量高、酶用量少的優(yōu)點(diǎn)[44]，且水解和發(fā)酵在一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，該方法又有投資少、運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)[45]。Thomsen等[46]對(duì)麥稈進(jìn)行兩段預(yù)處理（第一段 80 ℃，第二段190～205 ℃），然后進(jìn)行同步水解發(fā)酵。預(yù)水解控制pH值4.8，溫度50 ℃，Cellubrix L纖維素酶活10 FPU/g，時(shí)間24 h，再流加10 FPU/g纖維素酶，控制溫度為32 ℃，反應(yīng)6天，乙醇產(chǎn)率達(dá)64%～75%。Ruiz等[47]通過(guò)對(duì)蒸汽預(yù)處理過(guò)的葵花秸稈進(jìn)行同步糖化發(fā)酵，其中纖維素酶活15 FPU/g，β-葡萄糖苷酶12.6 IU/g，發(fā)酵菌種采用啤酒酵母，反應(yīng)控制pH值為4.8，溫度為50 ℃，時(shí)間72 h，乙醇含量達(dá)30 g/L，轉(zhuǎn)化率為理論值的67.7%。

但此方法也存在一些問(wèn)題，如纖維素酶和酵母菌的最佳反應(yīng)溫度不同。糖化水解的最佳反應(yīng)溫度在45～50 ℃，而乙醇發(fā)酵通常是35 ℃左右，解決辦法是篩選或馴化具耐高溫性能的乙醇發(fā)酵酵母。Kumar等[48]從制糖廠甘蔗渣傾倒堆的土壤樣品中分離得到一株Kluyveromycessp. IIPE453，發(fā)現(xiàn)該酵母在 45～50 ℃范圍內(nèi)都能生長(zhǎng)且具有發(fā)酵活性。它能利用廣泛的底物，如葡萄糖、木糖、甘露糖等來(lái)生長(zhǎng)或發(fā)酵產(chǎn)乙醇。研究人員通過(guò)整批發(fā)酵實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在50 ℃，當(dāng)葡萄糖初始濃度為200 g/L時(shí)，反應(yīng)器中乙醇濃度最大能達(dá)到(82±0.5) g/L。Ysnase等[49]研究發(fā)現(xiàn)Kluyveromyces marxianus在溫度較高時(shí)還具有很高的活性和發(fā)酵能力。當(dāng)控制溫度為48℃、底物β-葡聚糖初始濃度為10 g/L時(shí)，12 h內(nèi)乙醇濃度達(dá) 4.24 g/L，產(chǎn)率達(dá)理論值的 92.2%。Kluyveromyces酵母已經(jīng)被鑒定為具有耐高溫的特性，它能在較高的溫度（45 ℃以上）下高效地將葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇，但是在高溫下，它對(duì)葡萄糖的耐力很低[40]。Brooks[50]對(duì)8株酵母進(jìn)行篩選，得到5株較為理想的酵母，具有較高的乙醇產(chǎn)率、酒精耐受性及耐高溫性，其中SaccharomycecerevisiaeR-8酵母具有最好的酒精產(chǎn)率（37～40 ℃下乙醇產(chǎn)率達(dá)40%）且有較高的乙醇耐受性（6%～12%）。但據(jù)報(bào)道，溫度越高，酵母對(duì)乙醇越敏感，尚需提高菌株高溫下的乙醇耐受力[51]。

本文作者課題組的前期研究中已將Saccharomyces cerevisiae的發(fā)酵溫度提高至40 ℃，觀察到其高溫發(fā)酵性能對(duì)pH值及內(nèi)源乙醇濃度較敏感，其高溫代謝過(guò)程尚不穩(wěn)定，因此SSF高溫耦合系統(tǒng)的建立尚存在諸多重要因素需要考慮。

4.2 固定化細(xì)胞發(fā)酵

與傳統(tǒng)的發(fā)酵方法相比，固定化細(xì)胞發(fā)酵能顯著提高乙醇的產(chǎn)率，且具有經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)[52-53]。固定化細(xì)胞發(fā)酵能提高反應(yīng)器中細(xì)胞濃度以及酶的水解效率，從而縮短停留時(shí)間，使反應(yīng)設(shè)備小型化。目前，利用Saccharomyces cerevisiae酵母的固定化來(lái)釀酒已經(jīng)有相當(dāng)多的研究。常用固定載體有聚合碳水化合物，如海藻酸鈣、陶瓷顆粒、多孔玻璃等。但是在有流動(dòng)液體的反應(yīng)器內(nèi)載體容易破碎，所以將酵母細(xì)胞固定在以上載體上來(lái)進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵的方法在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有得到應(yīng)用[54]。因此，尋找新型的、穩(wěn)定的固定化載體已經(jīng)成為迫切需要解決的問(wèn)題。Shindo等[52]利用天然沸石作為固定化載體固定Saccharomyces cerevisiae酵母，然后進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)，結(jié)果表明沸石對(duì)酵母的固定量、發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇量分別是玻璃載體的2倍和1.2倍，且連續(xù)發(fā)酵過(guò)程中很穩(wěn)定，21天后載體沒(méi)有破碎現(xiàn)象。宋向陽(yáng)等[55]用海藻酸錳凝膠替代海藻酸鈣來(lái)固定畢赤酵母，采用混合糖60 g/L（50%葡萄糖、50%木糖）為發(fā)酵底物，在35 ℃、150 r/min、pH值5.0下振蕩發(fā)酵，結(jié)果表明海藻酸錳凝膠耐磷酸鹽能力是海藻酸鈣凝膠的3倍，42天發(fā)酵結(jié)果表明固定化細(xì)胞穩(wěn)定時(shí)間明顯長(zhǎng)于海藻酸鈣固定化酵母發(fā)酵穩(wěn)定時(shí)間（24天），總糖利用率為 95.8%，乙醇產(chǎn)率達(dá)理論率的92.3%。

4.3 CBP

CBP是將纖維素酶和半纖維素酶的生產(chǎn)，預(yù)處理后原料的酶水解，六碳糖和（葡萄糖、甘露糖和半乳糖）及五碳糖（木糖和阿拉伯糖）的發(fā)酵這 4個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程都由一種微生物或一個(gè)微生物群體來(lái)施行，實(shí)現(xiàn)一步完成。CBP可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程，縮短生產(chǎn)周期，從而減少設(shè)備的投資成本并降低纖維素乙醇的生產(chǎn)成本。CBP轉(zhuǎn)化秸稈等木質(zhì)纖維素的核心技術(shù)是培養(yǎng)出一種既能利用木質(zhì)素，又能生產(chǎn)乙醇的“超級(jí)菌”或“超級(jí)菌群”。美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)的Leschine等[56]從土壤中篩選出一種新型微生物——植物發(fā)酵梭菌，又稱Q細(xì)菌。Q細(xì)菌既能分解甘蔗渣等植物原料，而且具有乙醇產(chǎn)率高、副產(chǎn)物少的優(yōu)點(diǎn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，釀酒酵母一直是工業(yè)乙醇生產(chǎn)的常用工業(yè)微生物，但是它不能利用戊糖的弱點(diǎn)降低了它在纖維素乙醇生產(chǎn)中的效率。目前，研究最多的是利用基因工程手段在釀酒酵母中構(gòu)建一條木糖→木糖醇→木酮糖→磷酸化木酮糖→乙醇的代謝途徑。日本京都大學(xué)和產(chǎn)綜研合作，成功改造了木糖醇脫氫酶（xylitol dehydrogenase，XDH）的基因，使其利用NADP+作為主要輔酶因子，形成了 NADPH→NADP+→NADPH 的輔酶因子循環(huán)，并把木糖還原酶（xylose reductase，XR）、改造后XDH以及木酮糖激酶（xylulokinase，XK）轉(zhuǎn)入磷酸戊糖代謝能力較強(qiáng)的絮凝性釀酒酵母IR-2中，成功構(gòu)建了基因工程酵母MA-R5。以天然木質(zhì)纖維素水解液為底物經(jīng)過(guò)48 h發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，乙醇產(chǎn)率達(dá)93.3%[57]。

5 問(wèn)題與展望

隨著原油價(jià)格的持續(xù)攀升及對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視，利用秸稈等纖維素生物質(zhì)原料來(lái)生產(chǎn)乙醇受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。我國(guó)發(fā)展能源作物種植在土地資源上具有較大的空間，隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的繼續(xù)降低，能源作物種植和生物液體燃料產(chǎn)業(yè)將得到長(zhǎng)足的發(fā)展，并將帶動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、創(chuàng)造大量就業(yè)和大幅度增加農(nóng)民收入。從長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略考慮，發(fā)展秸稈制乙醇技術(shù)，對(duì)減少對(duì)化石能源的依賴、保護(hù)環(huán)境、應(yīng)對(duì)氣候變化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)具有重要意義。

目前利用秸稈等纖維素原料生產(chǎn)乙醇的技術(shù)還不夠成熟，乙醇產(chǎn)率偏低且費(fèi)用較高。通過(guò)開(kāi)發(fā)新型、高效、低成本的預(yù)處理技術(shù)來(lái)提高原料的轉(zhuǎn)化利用率，如利用離子液體溶解纖維素，實(shí)現(xiàn)常溫下的纖維素酶法糖化；采用新型發(fā)酵工藝來(lái)提高糖的利用效率，如使用SSF工藝，降低中間產(chǎn)物抑制作用的同時(shí)提高乙醇的產(chǎn)率，采用CBP工藝，提高六碳糖、五碳糖的利用率；培育高效發(fā)酵菌株，如通過(guò)現(xiàn)代基因工程和篩選技術(shù)，篩選、構(gòu)建具有耐高溫、酸性，較高糖濃度耐受性的發(fā)酵菌株，從而使水解和發(fā)酵的反應(yīng)條件相耦合。以上各種技術(shù)的突破和應(yīng)用對(duì)發(fā)展、推廣秸稈制乙醇技術(shù)具有至關(guān)重要的作用。

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Research progress in the crucial techniques of fuel ethanol production from stalks

ZHANG Wei，LIN Yan，LIU Yan，HUA Xinyi，LI Chunjie，KONG Hainan
（School of Environmental Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

In recent years，the way of using stalks to produce ethanol has attracted more and more attention. However，it is extremely difficult to produce ethanol directly from stalks as their components are very complex. Different pretreatment methods for stalk materials are introduced and compared given their components. Meanwhile，some typical cellulases are systematically summarized in terms of their characteristics and progress in hydrolysis and ethanol fermentation. The crucial techniques of ethanol production from stalks as well as the future research development trend are prospected.

stalks；ethanol；pretreatment；hydrolysis；fermentation

TQ 351

A

1000–6613（2011）11–2417–08

2011-05-19；修改稿日期2011-06-07。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2009ZX07101～015）及污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（PCRRF09002）項(xiàng)目。

張偉（1987—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：林燕，副教授，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能源化利用。E-mail linyan2002@sjtu.edu.cn。