岳國(guó)君，武國(guó)慶，林鑫

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纖維素乙醇工程化探討

岳國(guó)君，武國(guó)慶，林鑫

國(guó)家能源生物液體燃料研發(fā) (實(shí)驗(yàn)) 中心，北京 100020

岳國(guó)君, 武國(guó)慶, 林鑫. 纖維素乙醇工程化探討. 生物工程學(xué)報(bào), 2014, 30(6): 816?827.Yue GJ, Wu GQ, Lin X.Insights into engineering of cellulosic ethanol. Chin J Biotech, 2014, 30(6): 816?827.

出于對(duì)能源安全、大氣污染的擔(dān)憂以及促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的考慮，世界許多國(guó)家使用乙醇作為含氧添加劑或交通運(yùn)輸燃料來(lái)替代汽油。纖維素乙醇生產(chǎn)原料豐富，且具有明顯的低碳排放特性而備受關(guān)注。隨著全球范圍內(nèi)幾套大型纖維素乙醇示范裝置的相繼試車(chē)，工程化問(wèn)題將得到解決，并有望在2015?2016年完成裝置的經(jīng)濟(jì)性考核，逐步進(jìn)入商業(yè)化階段。為避免原料“與人爭(zhēng)糧，與糧爭(zhēng)地”，1代燃料乙醇將逐步向2代纖維素乙醇過(guò)渡。本文在綜述近期國(guó)內(nèi)外纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化概況的基礎(chǔ)上，從化學(xué)工程和生物工程的角度對(duì)預(yù)處理、酶制劑及酶解工藝、戊糖/己糖共發(fā)酵菌株及工藝、裝備等幾個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行剖析，討論了工程化遇到的主要問(wèn)題，探討了我國(guó)纖維素乙醇技術(shù)的發(fā)展方向。

纖維素乙醇，預(yù)處理，纖維素酶成本，轉(zhuǎn)化效率，裝備，工程化，進(jìn)展

出于對(duì)能源安全、大氣污染的擔(dān)憂以及振興農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的考慮，世界許多國(guó)家使用乙醇作為含氧添加劑或燃料來(lái)替代汽油，并制定了一系列配套的支持政策。美國(guó)和巴西的燃料乙醇應(yīng)用規(guī)模全球最大，分別占本國(guó)汽油燃料消費(fèi)量的10%和50%以上。以美國(guó)為例，2013年使用30%的玉米生產(chǎn)了3 949萬(wàn)t燃料乙醇，使美國(guó)石油對(duì)外依存度降低6%，降低汽油消費(fèi)價(jià)格0.5?1.5美元/加侖，燃料乙醇替代了源于4.62億桶原油精煉的汽油，這些原油相當(dāng)于美國(guó)從委內(nèi)瑞拉和伊拉克進(jìn)口量的總和，燃料乙醇行業(yè)創(chuàng)造8.6萬(wàn)個(gè)直接工作崗位、30萬(wàn)個(gè)間接就業(yè)崗位和440億美元GDP，上繳83億美元稅收，對(duì)農(nóng)業(yè)純收入貢獻(xiàn)1 310億美元。E10乙醇汽油可使CH減排9.7%，CO減排36%，苯系污染物減排39%，氣溶膠排放減少。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究表明，與普通汽油E0相比，E10乙醇汽油的顆粒物 (PM) 減排量為6%?6.6%，E20乙醇汽油的顆粒物 (PM) 減排量能達(dá)到29.4%?41.8%。

生物質(zhì)液體燃料產(chǎn)品原料廣泛，如農(nóng)林廢棄物、能源作物等，而對(duì)適合做能源作物的植物已有明確的結(jié)論。但是，目前國(guó)際上糧食和甘蔗仍舊是燃料乙醇的主要原料。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，使用這些原料的問(wèn)題變得越來(lái)越突出。美國(guó)政府已確定了產(chǎn)業(yè)方向，認(rèn)為纖維素乙醇是走向下一代生物燃料的基石。盡管目前遭遇“添加上限”的問(wèn)題，纖維素商業(yè)化項(xiàng)目并未受阻，2014年美國(guó)將有6個(gè)纖維素乙醇工廠完成建設(shè)。在“不與民爭(zhēng)糧”方針的指引下，我國(guó)已逐漸由糧食乙醇向非糧乙醇轉(zhuǎn)變，目前已有3套木薯燃料乙醇裝置投產(chǎn)，4個(gè)木薯乙醇項(xiàng)目獲批待建。

作為能源產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，能量投入/產(chǎn)出比和溫室氣體排放量是評(píng)價(jià)生物液體燃料是否可行的兩個(gè)關(guān)鍵因素。而對(duì)于以淀粉、糖或能源作物為原料生產(chǎn)的燃料乙醇，種植環(huán)節(jié)的能耗占到化石能源總消耗的30%；相對(duì)于乙醇本身的產(chǎn)出能量 (27.6 MJ/kg乙醇) 而言占到了40%以上。與非糧原料木薯和甜高粱相比，玉米秸稈在土地使用率、能耗、環(huán)境排放量和耗水量方面都占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是最有開(kāi)發(fā)前景的生物質(zhì)原料。全生命周期能效和排放分析已有很多研究，纖維素乙醇從兩方面都強(qiáng)于1代及1.5代原料已成為共識(shí)。因此，原料必須轉(zhuǎn)向農(nóng)林廢棄物，發(fā)展相應(yīng)的纖維素乙醇技術(shù)。

雖然纖維素乙醇技術(shù)日臻成熟，進(jìn)入工業(yè)示范，但目前在預(yù)處理、酶制劑與酶解工藝、戊糖/己糖共發(fā)酵菌株與工藝以及設(shè)備裝備方面依然有待提升。本文在綜述國(guó)際纖維素乙醇技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，從化學(xué)工程和生物工程的角度剖析了纖維素乙醇各工序在工程化進(jìn)程中遇到的主要問(wèn)題，提出我國(guó)纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干思考，探討了纖維素乙醇技術(shù)的發(fā)展方向。

1 纖維素乙醇技術(shù)現(xiàn)狀

據(jù)國(guó)際能源署 (IEA)統(tǒng)計(jì)，截至目前共有102個(gè)纖維素項(xiàng)目，有3個(gè)示范項(xiàng)目已運(yùn)轉(zhuǎn)，8個(gè)項(xiàng)目在建，預(yù)計(jì)至2016年將有15個(gè)項(xiàng)目投產(chǎn)。以生物化學(xué)轉(zhuǎn)化路線生產(chǎn)纖維素乙醇的主要商業(yè)化裝置如表1所示，預(yù)計(jì)2014年纖維素乙醇產(chǎn)能將超過(guò)30萬(wàn)t/年。

從表1可以看出，多家技術(shù)路線，各展其長(zhǎng)，但各商業(yè)化的裝置均未經(jīng)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐考核，還沒(méi)有形成為多數(shù)企業(yè)普遍接受的主流工藝。

國(guó)內(nèi)已有萬(wàn)噸級(jí)裝置如表2所示，也未見(jiàn)長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的考核報(bào)道，更沒(méi)有公布規(guī)范的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)材料。國(guó)內(nèi)均采用自主研發(fā)技術(shù)，并結(jié)合副產(chǎn)品建設(shè)生產(chǎn)裝置。

表1 世界主要纖維素乙醇商業(yè)化裝置[8-10]

Note: DOE0.5* and USDA0.75* refers to the interest-free loan amount ($100 million) provided by the U.S. Department of Energy (DOE) and the United States Department of Agriculture (USDA), and so on; ton/a: ton per year; M: million dollars.

表2 國(guó)內(nèi)建成的纖維素乙醇示范裝置情況[15-17]

1.1 連續(xù)蒸汽爆破預(yù)處理

預(yù)處理技術(shù)經(jīng)過(guò)幾百套小試、中試驗(yàn)證，幾條技術(shù)路線逐漸清晰，商業(yè)化裝置主要集中在添加化學(xué)試劑的連續(xù)蒸汽預(yù)處理路線；中性預(yù)處理技術(shù)也有重大突破，優(yōu)勢(shì)比較突出。裝備方面則借鑒現(xiàn)代制漿造紙?jiān)O(shè)備廠的成熟經(jīng)驗(yàn)，從間歇轉(zhuǎn)向連續(xù)設(shè)備，并取得突破。連續(xù)預(yù)處理設(shè)備有潘地亞 (Pandia) 橫管連蒸系統(tǒng)和適合更大規(guī)模的卡米爾 (Kamyr) 立式連續(xù)蒸煮系統(tǒng)。如美國(guó)POET-DSM首套商業(yè)化裝置即采用Andritz公司設(shè)計(jì)制造的立式連續(xù)蒸煮系統(tǒng)。國(guó)外Abengoa和Beta-Renewables公司首套商業(yè)化裝置的預(yù)處理設(shè)備均采用連續(xù)預(yù)處理設(shè)備，并由造紙?jiān)O(shè)備公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造。

高效的預(yù)處理工藝能有效改變植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和組成分布，去除細(xì)胞壁微纖絲的半纖維素外鞘，暴露結(jié)晶纖維素內(nèi)核，打開(kāi)了酶分子進(jìn)入的通道，從而顯著地提高其對(duì)酶作用的敏感性，同時(shí)預(yù)處理后的底物要具有高的糖收率和低含量的降解產(chǎn)物。預(yù)處理過(guò)程會(huì)引起纖維素的結(jié)晶度、晶型和聚合度的變化。在蒸汽預(yù)處理過(guò)程中，纖維素聚合度下降，同時(shí)高壓蒸汽的驟然釋放，破壞了纖維素晶體內(nèi)部的氫鍵，增加了纖維素還原性末端基，使無(wú)定形區(qū)破壞并提高了纖維素結(jié)晶度。稀酸預(yù)處理中，半纖維素的水解和溶解被認(rèn)為是導(dǎo)致纖維素酶可及面積增大的主要機(jī)制。在氨爆 (AFEX) 工藝過(guò)程中，除了發(fā)生堿性降解和類似蒸汽爆破的效果外，液氨處理還使纖維素結(jié)晶度下降，部分纖維素從纖維素Ⅰ型晶型向纖維素Ⅲ型晶型轉(zhuǎn)變；此外，半纖維被降解成寡糖并被脫去乙?；?，大部分木質(zhì)素解聚重排，從而對(duì)酶具有高的可及性。

先進(jìn)的預(yù)處理不僅自身的成本低，而且會(huì)對(duì)所有其他生物過(guò)程的操作成本產(chǎn)生實(shí)際和廣泛的影響，表3總結(jié)比較了幾種主要預(yù)處理技術(shù)的特點(diǎn)和對(duì)下游工序的影響。

稀酸預(yù)處理由于其低的酶加量和較高的木糖收率，使纖維素乙醇的經(jīng)濟(jì)性得到改善，商業(yè)化成為可能，但也面臨著高溫下設(shè)備腐蝕和后續(xù)高鹽污水處理的問(wèn)題。中性預(yù)處理技術(shù)由于不添加化學(xué)品，降低了設(shè)備腐蝕和污水處理的難度，但需要更高的反應(yīng)溫度和壓力，這對(duì)連續(xù)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提出挑戰(zhàn)，高的酶加入量和較低的木糖收率也考驗(yàn)著工藝過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性?？傮w來(lái)看，目前添加少量化學(xué)試劑預(yù)處理工藝經(jīng)濟(jì)性更好，也為多數(shù)示范裝置所采用，然而中性預(yù)處理始終是工藝的發(fā)展方向，這取決于酶制劑與預(yù)處理技術(shù)的共同進(jìn)步。

回顧造紙行業(yè)制漿工藝的發(fā)展歷程，為纖維素乙醇預(yù)處理工藝提供了重要借鑒。19世紀(jì)中期至20世紀(jì)中期造紙行業(yè)普遍采用亞硫酸鹽制漿法，酸性蒸煮對(duì)設(shè)備的腐蝕和污水處理一直難以解決，直到被堿性硫酸鹽制漿法取代。但堿法制漿產(chǎn)生的黑液富含木質(zhì)素，環(huán)保處理投資大、成本高。最近幾年開(kāi)發(fā)的中性制漿法減少了化學(xué)品的應(yīng)用，其制漿的效果正進(jìn)行中試試驗(yàn)。

1.2 提高酶活性

纖維素酶的使用量是由兩方面決定的，一是預(yù)處理對(duì)底物酶解性能的改善，二是酶自身活性的提高。前者通過(guò)預(yù)處理過(guò)程，以酸性或堿性機(jī)理切斷糖苷鍵或酯鍵，打開(kāi)半纖維素、木質(zhì)素與纖維素間的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，顯著改善了酶對(duì)底物的可及性，有效降低了酶的加入量。后者則通過(guò)菌株篩選、基因表達(dá)等手段提高酶的活性和產(chǎn)量。以諾維信公司的酶制劑產(chǎn)品為例，Cellulast 1.5 L、CTec、CTec2、CTec3的酶活性逐步提高，前三者濾紙酶活分別為75、94、120 FPU/mL，CTec2與Cellulast 1.5 L相比，濾紙酶活提高了60%；而CTec3的轉(zhuǎn)化效率又是CTec2的1.5倍，其半纖維素酶的活性也顯著提高。CTec2及CTec3的酶制劑蛋白含量顯著增加，提高了對(duì)酚類、木寡糖等抑制物及單糖產(chǎn)物的耐受能力，可以在較少的酶使用量下，直接酶解不水洗的預(yù)處理物料。

表3 主要預(yù)處理技術(shù)特點(diǎn)及對(duì)下游工序的影響[21-25]

不同纖維素酶系組分的復(fù)配及與半纖維素酶的復(fù)配是提高纖維素酶制劑降解效率、降低酶用量的重要策略。其作用機(jī)制是協(xié)同作用，即兩種或兩種以上酶共同作用時(shí)，其催化效率遠(yuǎn)高于這些酶的單獨(dú)連續(xù)作用。協(xié)同作用僅在兩種酶分別作用纖維素/半纖維素的不同區(qū)域時(shí)才會(huì)發(fā)生，一種酶為另一種酶提供了新的作用位點(diǎn)。氧化酶同樣會(huì)與纖維素酶發(fā)生協(xié)同作用，如近年來(lái)備受關(guān)注的GH61糖苷酶家族蛋白具有糖苷氧化酶活性，可以通過(guò)氧化反應(yīng)使得纖維素被部分氧化降解，并在一定程度上破壞其結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而使纖維素更容易被纖維素酶降解，其開(kāi)發(fā)與應(yīng)用可能是提高木質(zhì)纖維素可降解性的另一種有效途徑。近期研究人員發(fā)現(xiàn)一種叫做CelA的纖維素酶，其消化纖維素的速度比當(dāng)前市場(chǎng)上主要的纖維素酶要快近兩倍，還能夠消化木糖。它是一種非常復(fù)雜的酶，由2個(gè)催化結(jié)構(gòu)域和 3個(gè)結(jié)合模體構(gòu)成，具有兩個(gè)互補(bǔ)的催化結(jié)構(gòu)域可協(xié)同發(fā)揮作用，這很可能是導(dǎo)致它高效降解纖維素的原因。如果這種酶能夠在更大型的測(cè)試中繼續(xù)表現(xiàn)良好，可能會(huì)改變商業(yè)纖維素酶“雞尾酒”設(shè)計(jì)藍(lán)圖，幫助降低纖維素乙醇等生物燃料的制造成本。

1.3 開(kāi)發(fā)戊糖/己糖共發(fā)酵菌株和新的代謝途徑

國(guó)外非常重視戊糖發(fā)酵菌株的開(kāi)發(fā)，通過(guò)基因工程技術(shù)改造普通釀酒酵母使其能夠代謝戊糖生產(chǎn)乙醇的研究已持續(xù)了近20年。國(guó)外企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)將真菌或細(xì)菌的戊糖代謝途徑在釀酒酵母中得到高活性表達(dá)，來(lái)提高基因工程酵母的乙醇發(fā)酵特性，并取得了突破。下一步將繼續(xù)改進(jìn)戊糖酵母的性能，尤其是提高對(duì)水解物中抑制物的耐受性，提高生產(chǎn)強(qiáng)度。隨著戊糖/己糖共發(fā)酵菌株性能不斷改進(jìn)，共發(fā)酵工藝已成為趨勢(shì)。幾種商業(yè)化菌株在各國(guó)多套中試裝置上進(jìn)行測(cè)試并已經(jīng)或準(zhǔn)備在商業(yè)化裝置上應(yīng)用，如表4所示。其中424A (LNH-ST) 已在中糧500 t/年的纖維素乙醇中試上進(jìn)行測(cè)試，總糖利用率超過(guò)85.0%，乙醇轉(zhuǎn)化率超過(guò)42.0%，效果良好。

傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵由于丙酮酸途徑產(chǎn)生CO，降低了葡萄糖碳原子利用率。美國(guó)加州大學(xué)的研究人員開(kāi)創(chuàng)了一種新的混合途徑非氧化糖酵解 (NOG) ，他們重新改造了最核心的代謝途徑，并找到了一種新方法增加乙酰輔酶A的產(chǎn)出，將葡萄糖的6個(gè)碳原子轉(zhuǎn)化為3個(gè)乙酰輔酶A分子，因此不會(huì)因?yàn)槎趸紦p失2個(gè)碳原子。這種新的代謝合成途徑解決了乙醇生產(chǎn)過(guò)程中的局限性——損失碳水化合物原料中1/3的碳原子，有望使目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量提高30%，從而使乙醇與生物質(zhì)合成烴具有競(jìng)爭(zhēng)性。

2 工程化遇到的主要問(wèn)題

纖維素乙醇技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，完成了中試試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)示范裝置驗(yàn)證，現(xiàn)已有多套萬(wàn)噸級(jí)規(guī)模的商業(yè)化裝置在建。從裝置規(guī)模來(lái)看，在美國(guó)農(nóng)業(yè)條件非常好的地區(qū)，原料收集半徑可達(dá)80 km，最大裝置規(guī)模約7.5萬(wàn)t/年，每形成萬(wàn)t/年生產(chǎn)能力的投資強(qiáng)度在2 200萬(wàn)?4 670萬(wàn)美元之間，折合人民幣約為1.36億?2.89億元(詳見(jiàn)表1)。

表4 幾種主要商業(yè)化共發(fā)酵菌株性能分析[36-39]

美國(guó)斯坦福公司2008年對(duì)纖維素乙醇進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，結(jié)論是與2008年在美國(guó)建設(shè)同樣規(guī)模的玉米干法乙醇相比，稀酸預(yù)水解法乙醇產(chǎn)品成本高近1倍，裝置投資高近1倍，固定資產(chǎn)回報(bào)率 (ROI) 相應(yīng)降低。近期從國(guó)內(nèi)外多家中試運(yùn)轉(zhuǎn)和示范裝置測(cè)算成本情況來(lái)看，成本仍然高于汽油價(jià)格，尤其是原料成本、酶制劑成本、折舊和污水處理費(fèi)用占較大比例。

目前，纖維素乙醇酶解底物固含量一般在20%?25%，得到糖的濃度在100?140 g/L，發(fā)酵后乙醇濃度約4%?6% (/)。而當(dāng)蒸餾單元進(jìn)料中乙醇濃度高于4% (/) 時(shí)蒸餾能耗較 低。但即使這樣，與玉米乙醇相比，能耗仍舊偏高。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表5所示。

展望今后的纖維素乙醇進(jìn)程，對(duì)實(shí)現(xiàn)工程化中遇到的主要問(wèn)題進(jìn)行大致的梳理。

2.1 設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性

設(shè)備是纖維素乙醇生產(chǎn)的基礎(chǔ)，設(shè)備的可靠性是裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的前提。工廠的非計(jì)劃停工會(huì)造成巨大損失。分析纖維素乙醇裝置各操作單元，高溫高壓下預(yù)處理進(jìn)料設(shè)備的磨蝕和酸堿對(duì)設(shè)備的腐蝕問(wèn)題較嚴(yán)重，預(yù)處理設(shè)備較其他設(shè)備更容易發(fā)生故障。為此，首先要正確選擇設(shè)備材質(zhì)，其次要對(duì)在苛刻條件下常與物料接觸表面進(jìn)行耐磨蝕的特殊處理，反應(yīng)器進(jìn)行襯里處理。對(duì)于易沖刷、易腐蝕部位，還應(yīng)進(jìn)行定期定點(diǎn)測(cè)厚，重點(diǎn)監(jiān)控，并采取合適的應(yīng)對(duì)措施，確保腐蝕速率在可控范圍內(nèi)。

應(yīng)注重加強(qiáng)自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。通過(guò)提高儀表檢測(cè)系統(tǒng)精度和可控性，保證設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性，精準(zhǔn)控制預(yù)處理、酶解和發(fā)酵過(guò)程中酸堿pH值、溫度、壓力和流量等關(guān)鍵參數(shù)，防止擴(kuò)培及發(fā)酵過(guò)程染菌等造成的非計(jì)劃停工，盡可能減少過(guò)程中糖的損失，提高乙醇收率。

2.2 酶成本

纖維素酶對(duì)纖維素的水解效率低下是纖維素乙醇工業(yè)化生產(chǎn)的主要瓶頸之一，酶成本仍是纖維素乙醇成本僅次于原料的一項(xiàng)大支出 (20%?30%)。由于纖維素酶的比活力明顯低于淀粉酶，從而使纖維素乙醇的用酶量是淀粉乙醇用酶量的30?50倍，中糧集團(tuán)500 t/年的纖維素乙醇中試裝置的多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)；并且纖維素酶的價(jià)格總體上并不低于淀粉酶，以上兩點(diǎn)是導(dǎo)致酶成本居高不下的最主要原因。

近幾年酶制劑成本及構(gòu)成情況如表6所示 (從裝置的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，由于底物不同和售價(jià)的不同，酶成本會(huì)高于表中數(shù)據(jù))?？梢钥闯雠c玉米乙醇酶制劑成本約60元/t乙醇相比，未來(lái)纖維素酶成本還有很大的降低空間。

表5 玉米乙醇和纖維素乙醇技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

表6 酶制劑成本及構(gòu)成分析[43-46]

*An average annual exchange rate between US dollar and RMB is 6.77 in 2010 and 6.31 in 2011 respectively.

**Enzyme protein accounts for circa 20% of the mass of liquid enzyme.

除了酶的自身生產(chǎn)成本外，酶制劑的精制、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的成本將占總成本1/3以上。酶制劑的生產(chǎn)通常要對(duì)菌種發(fā)酵產(chǎn)生的粗酶液進(jìn)行分離除菌絲和孢子、濃縮、穩(wěn)定配方等制備過(guò)程，后續(xù)還有儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程，使用酶制劑過(guò)程中又需要加水稀釋，酶的提濃和稀釋過(guò)程會(huì)耗費(fèi)能量。因此將產(chǎn)酶單元集成到乙醇生產(chǎn)裝置中，直接用粗酶液酶解底物已成為趨勢(shì)，而且未經(jīng)加工的粗酶液有更高的水解效率。如POET-DSM的7.5萬(wàn)t/年和杜邦的8.3萬(wàn)t/年的商業(yè)化裝置均將采用原位產(chǎn)酶、用酶模式，有效降低酶的成本。

2.3 酶解、發(fā)酵效率

與淀粉酶解過(guò)程相比，纖維素酶解效率低，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。淀粉加入液化酶經(jīng)噴射液化后，在3 h內(nèi)即完成長(zhǎng)鏈糖苷鍵的斷裂生產(chǎn)糊精 (低分子寡糖)，在全糖化工藝中加入糖化酶約10 h時(shí)葡萄糖DE值可超過(guò)90%，總的酶加入量約占原料總重的0.2%，這種高效的酶催化作用使淀粉糖化過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)，降低了淀粉產(chǎn)糖的成本。纖維素酶根據(jù)酶的活性不同，酶加入量通常約占木質(zhì)纖維素原料總重的2%?5%，而且酶解72 h或者更長(zhǎng)時(shí)原料轉(zhuǎn)化率才超過(guò)85%。與淀粉酶相比，纖維素酶效率要低100倍以上 (g糖/g酶?h)，成本高出約30倍。

目前先進(jìn)的玉米乙醇技術(shù)，發(fā)酵50 h醪液乙醇濃度即可達(dá)到15% (/)，發(fā)酵效率達(dá)到3.0 g乙醇/(h?L)。而纖維素酶解液中混合糖濃度偏低 (10%?14%)，乙酸等酵母抑制物濃度較高 (2?5 g/L)，而基因工程菌株對(duì)戊糖、己糖代謝的不同步性延緩了整個(gè)發(fā)酵過(guò)程。通常發(fā)酵72 h后，乙醇濃度僅達(dá)到5% (/)，發(fā)酵效率僅約0.7 g乙醇/(h?L)，不到玉米乙醇的1/4。

2.4 裝備效率

在解決了預(yù)處理設(shè)備之后，核心是解決黏度多變系統(tǒng)的“三傳一反”問(wèn)題。預(yù)處理物料酶解時(shí) (20%?30%的底物濃度)，起始黏度高達(dá) 2 500?4 000 mPa·s，但在酶解2?5 h后，黏度會(huì)迅速降低至100 mPa·s以下?，F(xiàn)有單獨(dú)的間歇反應(yīng)器已無(wú)法滿足纖維素酶解這種高效混合和快速降黏特點(diǎn)需求，開(kāi)發(fā)快速混酶降黏與酶解分步進(jìn)行的半連續(xù)高效新型酶解反應(yīng)器迫在眉睫。中糧集團(tuán)聯(lián)合諾維信公司開(kāi)發(fā)了半連續(xù)的酶解設(shè)備，并在500 t/年的纖維素乙醇中試上進(jìn)行了驗(yàn)證，與傳統(tǒng)間歇酶解設(shè)備相比在相同水解率的情況下可降低酶解過(guò)程能耗約20%。丹麥Dong Energy公司的4 000 t/年Inbicon纖維素乙醇試驗(yàn)裝置則開(kāi)發(fā)適合了高固含量的臥式螺帶攪拌槳連續(xù)酶解設(shè)備，嘗試解決高黏物料與酶的混合、酶解以及降低能耗的問(wèn)題。底物黏度可快速降低源于酶解過(guò)程中物料的平均粒度尺寸不斷變小，改變了底物的流變性能。因此，為使高固、高黏物料體系下酶和物料快速均勻混合，充分發(fā)揮酶的作用，必須深入研究模擬高固、高黏底物的流變性質(zhì)，為開(kāi)發(fā)高效的酶解裝備提供理論基礎(chǔ)。

目前，乙醇生產(chǎn)受限于酵母性能，偏低的發(fā)酵效率使發(fā)酵罐體積超過(guò)上千立方米，而 5萬(wàn)t/年規(guī)模纖維素乙醇發(fā)酵罐的體積達(dá) 2 000 m。龐大的發(fā)酵罐和水耗造成傳質(zhì)傳熱效率的降低，導(dǎo)致能耗增加。提高發(fā)酵效率的本質(zhì)是改進(jìn)共發(fā)酵菌株的性能，同時(shí)對(duì)發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)行深入研究，提高效率，降低水耗和能耗。

3 發(fā)展方向探討

3.1 博采眾長(zhǎng)，集成創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)纖維素乙醇成套裝備

纖維素乙醇裝備跟隨技術(shù)的發(fā)展，也完成了中試考核，正在經(jīng)歷示范裝置驗(yàn)證過(guò)程。其主要借鑒了現(xiàn)代制漿造紙和傳統(tǒng)乙醇發(fā)酵行業(yè)的設(shè)備制造經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備的可靠性亟待驗(yàn)證，效率有待提升。未來(lái)應(yīng)在此基礎(chǔ)上，結(jié)合纖維素乙醇不同工段的物料特性，進(jìn)一步集成創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)高效規(guī)?；A(yù)處理裝備 (尤其是耐受更高壓力的中性預(yù)處理設(shè)備喂料器等)，強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱過(guò)程，降低糖的損失；依據(jù)酶制劑和發(fā)酵菌株特性，開(kāi)發(fā)適合高固、高黏底物的半連續(xù)、連續(xù)酶解設(shè)備以及同步糖化發(fā)酵設(shè)備，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高酶解和發(fā)酵效率，最終達(dá)到提高發(fā)酵液乙醇的濃度，降低纖維素乙醇成本的目的。

3.2 協(xié)同開(kāi)發(fā)預(yù)處理與酶解工藝，降低預(yù)處理強(qiáng)度，提高酶制劑效率

近年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)植物細(xì)胞壁化學(xué)組成與超微結(jié)構(gòu)在預(yù)處理、酶解過(guò)程中的變化進(jìn)行深入細(xì)致的研究，從機(jī)理上加深對(duì)轉(zhuǎn)化過(guò)程的理解，為預(yù)處理新工藝和裝備的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界在示范裝置上將對(duì)稀酸汽爆、中性汽爆和氨爆預(yù)處理等多條路線進(jìn)行考核，最終在相互競(jìng)爭(zhēng)中優(yōu)勝劣汰，形成經(jīng)濟(jì)可行的實(shí)用路線。因?yàn)轭A(yù)處理工藝的選擇會(huì)影響水解所需酶的數(shù)量和類型，因此預(yù)處理和酶解工藝的協(xié)同開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，要找到兩者影響總成本的平衡點(diǎn)；從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看應(yīng)逐步降低預(yù)處理的強(qiáng)度 (溫度、停留時(shí)間和酸堿度等)，充分發(fā)掘生物催化劑的特性——酶制劑的高效性和專一性，通過(guò)提高酶制劑的活性和優(yōu)化配方來(lái)彌補(bǔ)降低預(yù)處理強(qiáng)度而產(chǎn)生的不利因素。如中性預(yù)處理底物中含有大量的半纖維素，因此開(kāi)發(fā)適合中性預(yù)處理的復(fù)合酶制劑需要有更高的半纖維素酶活力，酶制劑的活性與配方組成決定了中性預(yù)處理技術(shù)的可行性。

3.3 構(gòu)建高效的產(chǎn)酶工程菌及乙醇發(fā)酵菌株，發(fā)展原位產(chǎn)酶/菌株、用酶/菌株模式

當(dāng)前，國(guó)際上的先進(jìn)產(chǎn)酶菌株和共發(fā)酵菌株均為少數(shù)幾家專業(yè)公司和研究機(jī)構(gòu)所掌握，國(guó)內(nèi)公司也已開(kāi)發(fā)了自己的酶制劑和共發(fā)酵菌株。今后一段時(shí)期內(nèi)酶制劑的重點(diǎn)應(yīng)是通過(guò)基因工程途徑提高酶的產(chǎn)量，通過(guò)理性設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)工程技術(shù)和酶的體外定向進(jìn)化技術(shù)提高酶的比活力或者提高酶的熱穩(wěn)定性、pH穩(wěn)定性等。發(fā)酵菌株則通過(guò)基因工程途徑及馴化技術(shù)進(jìn)一步提高菌株對(duì)抑制物的耐受性，并繼續(xù)探索進(jìn)一步提高碳原子利用率的代謝途徑。產(chǎn)業(yè)方面纖維素乙醇生產(chǎn)商應(yīng)與酶制劑公司及乙醇菌株公司深度合作，發(fā)展原位產(chǎn)酶/菌株、用酶/菌株的模式，從而大幅度降低酶制劑/菌株在精制、運(yùn)輸和包裝方面的成本。

3.4 共發(fā)酵優(yōu)先，力爭(zhēng)能源產(chǎn)品最大化

未來(lái)通過(guò)微生物技術(shù)和裝備技術(shù)的進(jìn)步，提高反應(yīng)體系固含量，以增加可發(fā)酵糖濃度和成熟醪液的乙醇濃度，這是纖維素乙醇技術(shù)的重要發(fā)展方向。雖然戊糖可以用來(lái)生產(chǎn)沼氣，但單位木糖生產(chǎn)沼氣與生產(chǎn)乙醇相比，無(wú)論從產(chǎn)品熱值還是從產(chǎn)品價(jià)值來(lái)說(shuō)前者均處于劣勢(shì)，因此優(yōu)化戊糖/己糖共發(fā)酵菌株性能和工藝，盡量提高糖醇轉(zhuǎn)化率，提高乙醇得率是另一個(gè)發(fā)展方向，以上兩點(diǎn)可有效提高纖維素乙醇的能量產(chǎn)出/投入比值。當(dāng)然對(duì)于化學(xué)組成極其復(fù)雜的木質(zhì)纖維素原料來(lái)講，分級(jí)利用，拓寬能源產(chǎn)品的品種是提高總能效的方向，要以能源產(chǎn)品產(chǎn)出最大化為目標(biāo)，應(yīng)重點(diǎn)考慮建設(shè)乙醇?沼氣?電力聯(lián)產(chǎn)裝置。

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(本文責(zé)編 陳宏宇)

Insights into engineering of cellulosic ethanol

Guojun Yue, Guoqing Wu, and Xin Lin

National Energy Research Center of Liquid Biofuels, Beijing 100020, China

For energy security, air pollution concerns, coupled with the desire to sustain the agricultural sector and revitalize the rural economy, many countries have applied ethanol as oxygenate or fuel to supplement or replace gasoline in transportation sector. Because of abundant feedstock resources and effective reduction of green-house-gas emissions, the cellulosic ethanol has attracted great attention. With a couple of pioneers beginning to produce this biofuel from biomass in commercial quantities around the world, it is necessary to solve engineering problems and complete the economic assessment in 2015?2016, gradually enter the commercialization stage. To avoid “competing for food with humans and competing for land with food”, the 1st generation fuel ethanol will gradually transit to the 2nd generation cellulosic ethanol. Based on the overview of cellulosic ethanol industrialization from domestic and abroad in recent years, the main engineering application problems encountered in pretreatment, enzymes and enzymatic hydrolysis, pentose/hexose co-fermentation strains and processes, equipment were discussed from chemical engineering and biotechnology perspective. The development direction of cellulosic ethanol technology in China was addressed.

cellulosic ethanol, pretreatment, cellulase cost, conversion efficiency, equipment, engineering, progress

February 11, 2014; Accepted: March 10, 2014

National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No. 2012AA022304).

Guoqing Wu. Tel:+86-10-56989586; Fax: +86-10-8561-5955; E-mail: wugq@cofco.com

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃) (No. 2012AA022304) 資助。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-04-15

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13345/j.cjb.140073.html