植物纤维原料发酵生产燃料乙醇研究进展

第29卷第2期可再生能源Vol 29 No.220l1年4月Renewable Energy ResourcesApr. 2011植物纤维原料发酵生产燃料乙醇研究进展姚秀清',张全(1.辽宁石油化工大学环境与生物工程学院,辽宁抚顺113001;2.抚顺石油化工研究院,辽宁抚顺113001)摘要:综述了以植物纤维素为原料生产燃料乙醇的4种不同工艺,包括:分段水解与发酵(SHF)、同步糖化和发酵(S)同步糖化共发酵(SCF和联合生物加工工艺(CBP),并比较了它们的成熟程度以及优缺点简述了纤维乙醇在国内外的发展现状,同时提出了我国今后一段时间内发展纤维乙醇的策略关键词:植物纤维;燃料乙醇;生物质能;纤维素酶中图分类号:TK6;S2162文献标志码:A文章编号:1671-5292(2011)02005906Status of fuel ethanol production by fermentation ofvegetable cellulosic materialYAO Xiu-qing, ZHANG Quan(l. Liaoning University of Petroleum and Chemical Technology, Fushun 113001, China; 2. Fushun Research In-stitute of Petroleum and Petrochemicals, Fushun 113001, China)Abstract: Four technologies for fuel ethanol production by fermentation of vegetable cellulosicmaterial were summarized in this paper, including separate hydrolysis and fermentation(SHF), simultaneous saccharification fermentation(SSF), simultaneous saccharification and co-fermentation(SSCF) and consolidated bioprocessing (CBP), and the merits and drawbacks of them were com-pared at the same time. Furthermore, the research and development of cellulosic ethanol at homeand abroad was sketched, and the development strategies for cellulosic ethanol in China in futureKey words: vegetable cellulose; fuel ethanol; biomass energy; cellulose0引言有明显优势。与生物柴油及其它生物能源相随着世界人口增长和各国工业化程度的提比,燃料乙醇的生产已经具有了相当规模(2002高,能源消耗持续上升。石油是满足能源需求的主年全球大约生产1700万t),主要是以含糖物质要资源,但是石油资源是有限的,科学家预测,到为原料通过发酵法生产的。在汽油中掺入10%的2050年原油产量将由2009年的258亿桶(3525无水乙醇(E10不仅可以缓解能源压力,还能提高亿t)下降到50亿桶(683亿t)。生物能源作为辛烷值,改善尾气排放质量。在美国和巴西燃料种可再生的交通运输燃料,能够有效地降低有乙醇作为石油替代品已广泛用作交通运输燃料。害气体的排放,减缓环境污染,同时改变现有不平2000~2008年,全球生物乙醇产量呈急速上等的石油供求关系,保持续供应,比矿质燃料具升趁凵中国煤化工8年全球乙醇收稿日期:201007-25CNMHG作者简介:姚秀清(1978-)女,天津人,讲师主要研究方向为环境与资源微生物。E-mil: yaoxiuqingf0418@163com可再生能獠2011,29(2)产量分别为1362万,2450万,3630万和后两个发酵罐中的发酵液集中进入蒸馏塔进行乙5288万t,其中,60%以糖类作物生产、33%以其它醇回收,见图1(b)。方案一优点是C5糖和C6糖作物为原料通过发酵法生产,其余的7%则通过合可共用一个发酵罐,节省了装置投资成本;缺点是成的方法生产。以糖类和淀粉类作物为原料发C6糖的发酵副产物可能会对后续C5糖的发酵具酵生产乙醇的技术已经很成熟,但这些作物作为有一定的抑制作用。方案二则正好相反,它们各有人类赖以生存的食粮不能无限制地用于燃料乙醇可取之处,但与后面介绍的同步糖化发酵(SSF)生产。相对于糖类和淀粉类作物而言,木质纤维素和同步糖化共发酵(SSCF)相比,具有两个共性的属于非粮原料,而且资源丰富。它主要来源于麦问题:①葡萄糖对纤维素酶反馈抑制比较严重,纤草、玉米秸秆、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等农业废弃维素酶水解过程后期水解速率明显偏低,纤维素物;制浆和造纸厂的纤维渣、锯末等工业废弃物;酶的使用效率较低,不利于降低纤维素酶成本;②树皮、枝桠、树叶等林业废弃物;废纸、包装纸等城C5糖和C6糖采用不同的菌种分开发酵,不利于市废弃物。据估计,全世界木质纤维素原料量为乙醇浓度的积累,会提高乙醇蒸馏的能耗。100亿~500亿t,约占生物量的50%。我国每年仅牛产纤维素农作物秸秆产量即可达7亿t,大量被废弃而未加纤维素隔利用的纤维素物质(小枝、树皮、树叶、屑和废纸半纤维素水解解C6糖发酵等)每年也约有5亿t,如果只利用其中的1亿t,也能年产2000万t的燃料乙醇。由此可见,开发C5发雨木质纤维素生产乙醇的新工艺具有很好的前景。本文简要介绍了利用植物纤维素为原料生←乙醇+水产燃料乙醇的各种工艺,比较了各工艺的成熟程(b)产生产纤维素椭度以及优缺点,分析了国内外对该领域的研究和利用情况,并提出了我国今后一段时间内纤维素纤维水解十酶水解+6发醒乙醇的发展策略。C糖发酵1纤维乙醇生产工艺可溶性糖利用植物纤维素为原料生产燃料乙醇,根据图1分段糖化与发酵工艺流程示意图生产工艺特点可分为4种:①分段水解与发酵Fig. I Flow diagram of SHF process(SHF);②同步糖化和发酵(S;③同步糖化共发12同步糖化和发酵酵(SSCF);④联合生物加工工艺(CBP)。美国的Tak在20世纪70年代开发了同步1.1分段水解与发酵糖化和发酵工艺(SF),即把经预处理的生物质、分段水解与发酵(SHF)工艺流程主要特点是纤维素酶和发酵用微生物加入一个发酵罐内,使纤维素水解、已糖发酵以及戊糖发酵分开进行,酶水解和发酵在同一装置内完成,分离出的戊糖该工艺可采取两种方案。方案一:将纤维素原料单独发酵,见图2。SSF工艺去掉了独立的纤维素依次进行半纤维素水解(预处理)和纤维素水解水解反应器,从而减少了反应器的数量。同时,(酶水解),两股水解液集中打入到发酵罐中,先SSF工艺中纤维素水解产生的还原糖会同步发酵接人C6酵母菌进行葡萄糖发酵,发酵液进行蒸生产纤堆素馏回收乙醇,保留未被转化的木糖溶液再重新打回到发酵罐中,接入C5发酵菌种进行木糖发酵纤维家酶CC发酵结束后再次蒸馏回收乙醇,屺图1(a)。方案二:将预处理获得的半纤维素水解液(主要含半纤维素水解C5糖发醇}↓纤维素水解C6糖发酵C5糖)和纤维素酶解液(主要含C6糖)分别打入中国煤化工到C5糖和C6糖发酵罐,分别接入C6酵母菌和CNMHG程示意图C5发酵菌种,葡萄糖和木糖的发酵平行进行,然w uiagiall UI or process姚秀清,等植物纤维原料发酵生产燃料乙醇研究进展生成乙醇,很大程度上减缓了产物对酶解的抑制和C6糖采用同一个发酵菌种在同一个发酵罐中作用。发酵,该工艺不仅有利于缓解葡萄糖对纤维素酶SSF工艺在纤维素酶的生产成本和水解发的反馈抑制作用,节省设备投资费用,还有利于发酵成本之间存在一个动态平衡,水解时间越短,需酵液中乙醇的积累,提高木质纤维素乙醇发酵液要的纤维素酶越多,发酵成本越低,反之水解时间中最终的乙醇浓度,降低乙醇回收单元中乙醇蒸越长,需要的酶越少,发酵成本随之上升。SF工馏的能耗,以大幅度降低乙醇生产成本。美国普渡艺常用的微生物是木霉霉菌和酵母 S cerevisiae。大学的 Nancy Ho教授对此作出了重大贡献,她和最佳反应温度为37℃左右,是水解温度(45~她的团队采用基因工程手段把毕赤酵母中与木糖50℃)和发酵温度(30℃)的折衷选择。由于不是代谢有关的基因克隆到酿酒酵母1400的染色体最佳酶解温度,SF工艺中酶解的速率相对较慢,上,构建了一株能够同时以木糖和葡萄糖为原料通常情况下,酶解与发酵时间控制在3~4d。为了发酵生产乙醇的工程菌株LNH-ST,该菌株在使SSF工艺的温度提高到最佳的酶解温度,可采NRIL的9000L中试装置上,通过SSCF工艺对用嗜热酵母和细菌作为乙醇发酵菌株。稀酸预处稀硫酸预处理的玉米秸秆进行同步糖化共发酵试理的杨木片在40℃条件下,用嗜热假丝酵母C.验,4d时间葡萄糖和木糖的转化率分别达到acidothermophilum可获得80%的理论转化率啊。784%和561%,发酵液中乙醇浓度达到434SF工艺与SHF相比具有下列优点①通过g/。在糖化过程中同步发酵转化对纤维素酶具有抑制14联合生物加工工艺作用的中间产物葡萄糖生成最终产物乙醇提高近年来,由于生物工程的发展,往往可以利用了纤维素酶的水解效率;②纤维素酶需求量少;③一种工程菌完成多步骤的生物反应,在一个生物产率高;④中间产物葡萄糖及时发酵转化为乙醇,反应中将原料转换成为产品。人们也希望采用这对体系的无菌要求较低;⑤反应时间较短;⑥反应样的方式利用纤维素,从而产生所谓的纤维素利容器体积较小。但同时SSF过程中产生的乙醇也用的CBP设想,见图4。尽管这样的设想还在不会对纤维素酶的活性产生抑制作用。须要改进的断地改进和完善中,但是初步地估算,用CBP生技术:①水解和发酵温度之间的矛盾;②细菌的耐产乙醇的成本约为093美分几四,约为SSCF工艺乙醇能力;③乙醇对酶的抑制作用的14。CBP工艺把纤维素酶的制备和C5C6糖13同步糖化共发酵发酵功能集中在一个微生物工厂中,体现了现代SSCF是指纤维素水解与己糖和戊糖发酵过生物技术的完美结合,把生物质制乙醇过程传统程同时进行的工艺,见图3。Lynd认为SSCF工艺工艺各单元进行整合,简单易行,但是该工艺真正具有很好的应用前景,DOE和美国国家可再生工业化还有很长的路要走。能源实验室NREL)已经对这个工艺进行了中试试验,并且正作进一步研究。SSCF工艺过程与SSF相比更进一步,在纤维素酶水解与C6糖发酵同时进行的基础上,C5糖生产纤维素酶半纤维素水解纤维素水解生产纤维素酶C5和C6糖共发酵纤维家降图4联合生物加工工艺流程示意图纤维震水解2国内外研究进展半纤维素水解C5和C6糖发21国外进展2.L.1中国煤化工图3同步糖化共发酵工艺流程示意图CNMH生能源实验室Fig3 Flow dof SHCF process(NREL人1小=工,已醇的技术研究。可再生能2011,29(2)早在1995年已经建立了每天处理1t原料干基醇)。2009年, logen公司共生产纤维乙醇的中试厂叫。该厂房设备单元包括原料水洗和粉581042L(合465t);2004年以来,累计共生产乙碎单元、热化学预处理单元、同步糖化与发酵单元醇1026394L(合821t),并已经开始在加拿大渥和乙醇蒸馏单元。太华的加油站出售吗。他们与美国(印地安那州)最大的乙醇生产商logen公司的技术有以下几点创新:①开发了之一 New Energy Company合作发酵玉米粒和淀一个有效的预处理方法,增加了酶与植物纤维接粉中的纤维素纤维,乙醇产率达到13%。他们还触的表面积,利用经过改进的蒸汽爆破过程提高与美国最大的石油公司之一阿莫科公司( amoco了乙醇产率,加强了预处理效率,减少了成本;②corporation)合作开发利用各种不同的纤维素废弃开发了全新的针对专门预处理原料的高效纤维素物质为原料生产乙醇的工艺。NREL采用的工艺酶体系,同时他们还向全世界范围内的造纸业、纺路线是SSF,发酵菌株为 S cerevisiae,同步糖化与织业以及动物饲料业的生产商提供纤维素酶的服发酵的温度控制在38℃。通过这样一个工艺,他务;③开发了通过多步水解实现分别水解与发酵们能够把80%的含纤维素生物质转化为乙醇。通的水解反应器体系,利用该反应器葡萄糖产率高;过优化发酵液中的最终乙醇浓度和生产速率,他④拥有先进的微生物与发酵体系,能够发酵C5们的最终目标产率为95%。他们开发的生物质生和C6糖为乙醇,发酵液中的乙醇利用传统蒸馏产乙醇技术在成本上有了很大的突破。酶消耗成的方法回收,生产燃料乙醇本在整个工艺中仅占5%左右。而SF过程成为22国内进展整个生产过程的中心环节。中粮集团是国内最大的以玉米和木薯为主美国政府还资助了诺维信( Novozyme)和杰能要原料的燃料乙醇生产商,现有产能72万to科( Genencor)两家酶制剂公司,用来提高酶活性,2006年以来,该公司在纤维乙醇项目投入了较以降低纤维素酶的成本。 Genencor和 Novozyme大精力,在黑龙江启动建设年产500t纤维素乙公司是美网最重要的酶生产厂商在2002年以后醇试验装置,以玉米秸秆为原料,年消耗量约它们从 NREL/DOE获得了大约3600万欧元的资3500t。预处理直接采用加拿大 sunOpta装置的金用来降低纤维素酶的成本。 Novozyme生物技术连续蒸汽爆破技术;酶制剂由丹麦诺维信公司提部门通过采用生物信息、直接进化等生物技术,将供。诺维信最近宜布:公司最新研发的生产1L燃料级乙醇所需纤维素酶的成本从最初 Celliectec2酶可使生物燃料工业纤维素乙醇生超过1美元的水平大幅减少到低于66美分。产成本低于044美元L。2009年,中粮集团从2006年开始, Novozyme与中国粮油和食中石化和诺维信3家携手组建了纤维素乙醇研品公司( COFCO)合作建立500t中试装置,并为究团队。2010年6月,北京“中美先进生物燃料中试装置提供纤维素酶。2009年,中国石化集团论坛”期间,中粮诺维信与 Nancy Ho教授所在公司正式加人 Novozyme和 COFCO合作团队,3的公司 Green Tech America Inc.签订了Ho酵母家合作共同开发用谷物秸秆生产纤维素生物乙醇的转让协议。中粮集团/中石化/诺维信团队已经的商业化规模工艺,合作范围涉及生物乙醇的生整合了全球优势资源,初期的商业化规模装置将产和分销的整个价值链。于2011年投入运行。212加拿大2003年,吉林轻工业设计研究院与丹麦瑞速logen于2004年投资300万美元,建立了年国家实验室合作,进行“玉米秆湿氧化预处理生产产300万-400万L(约合2400~3200t)乙醇的纤乙醇”的研究工作。他们在实验室利用湿氧化预处维素乙醇工业示范装置。该示范装置以麦秆为原理玉米秸秆,纤维素得率为78.2%-83.6%;预处理料,采用 logen的自主知识产权的酶技术,用多步原料的酶解率为86.4%,利用10L发酵罐发酵糖化及分步糖化与发酵工艺,C5和C6糖全利用62h发酵,日加工原料约40t。利用整合工艺每吨纤维下,中国煤化工用C糖的情况t玉米秆。该技物(ibre)可产乙醇340L(合37t原料产1t乙术还CNMHG进展报道。姚秀清,等植物纤维原料发酵生产燃料乙醇研究进展上海华东理工大学承担了国家“863”项目“农2005年3月,建成了年产300t生产线并连续运林废弃物制取燃料乙醇技术"研究,已建成年产燃行,多项秸秆乙醇关键技术取得了突破性进展。料乙醇600t的示范工厂。他们以稀酸为催化剂,2006年10月,经河南省发改委批准,开工建设国采用两步串联法直接水解玉米秸秆为木糖和葡萄际上首个规模3000ta秸秆乙醇产业化示范生产糖。采用稀盐酸水解玉米秸秆的优点是反应温度线。2008年4月整体工程联动调试完成生产线较稀硫酸要低,但是稀盐酸成本高腐蚀性强,对运行平稳,产品质量合格率达到100%。该公司开设备的要求较高。发的原料预处理新工艺中,秸秆经预处理后发酵江南大学以玉米芯为原料采用先浓酸后稀酸单糖的收率提高;选育出了纤维素酶生产菌株和的水解方法,工艺得糖率可达到81%,水解液用半纤维素酶生产菌株,建立了酶生产车间,进行了石灰中和后,即可接种酵母发酵生产乙醇。浓酸水工业化生产;开发了规模化生产秸秆纤维乙醇的解法获得的糖产率很高(90%),可以针对各种不关键工艺及糖化设备;成功选育驯化了可同化木同的原料,处理时间相对较长(总共10-12h),并糖生产乙醇的菌株,其发酵性能得到大幅提高,糖且对单糖的降解较少,因此,具有一定的可行性。醇转化率已提高到45%以上,耐乙醇能力已提高但是,要想使浓酸水解过程在经济上可行,还必须到12%以上通过酸的回收循环再利用来尽可能地降低酸的消3开发建议耗,提高成本效率。早期(1948年)膜分离装置已综上所述的燃料乙醇生产技术有的已经有工经能够回收80%的酸,现在的连续离子交换能够业化应用,有的还在实验室阶段,甚至还有的只是回收卯%的酸(以损失2%的糖为代价)。而且浓未来的趋势。若要进一步研究与开发,对于短期、酸水解比稀酸水解所需的设备要昂贵很多中期和长期规划而言,可以选择3种不同的体系。山东大学微生物技术国家重点实验室开展短期规划工艺的各单元一般仅选择现阶段已经可了“纤维素原料转化乙醇关键技术”研究。先后进用于工业化或已经中试的技术;中期规划可以选行了酸水工艺、蒸汽爆破、低温氨爆破纤维素酶择中试技术和有希望的小试技术;而长期规划则生产技术、天然废物利用策略等研究。山东禹城倾向研究那些利用生物质转化为乙醇技术中理论龙力生物科技有限公司投资16亿元建成年产5上可行,而又不成熟的技术。万t的装置,该装置采用龙力公司与山东大学合表1对这3种体系举例做了描述:短期规划作开发的纤维废渣生产乙醇新技术,并选用获得采用SF工艺:应用稀酸法预处理,具有成本高国家发明专利的高活性优良纤维素酶制造方法。污染环境的缺点;采用酶法水解纤维素,与稀酸法利用该装置木糖渣纤维素转化率达到85%,纤维比较现有技术已经具有成本低,产率高的优势,纤素酶发酵液的滤纸酶活达到98U/ml。龙力公司维素酶的生产需要消耗5%的、经预处理的纤维素在以玉米芯为原料生产低聚木糖和木糖醇的流作为纤维素菌生长的碳源;生产规模设计为能量程中,酸解玉米芯中所含半纤维素,洗出C5糖,输入500MW,配置一个以木质素废渣为燃料的剩余的残渣中主要成分是纤维素和木质素。这个锅炉生产工艺所需的蒸汽,同时利用涡轮机把部过程相当于用秸秆生产乙醇时的预处理脱半纤分蒸汽用以发电维素过程,龙力公司利用生产木糖和低聚木糖过表13种体系的主要区别程中产生的残渣作纤维素乙醇生产的原料属于Table I The main differences between the three systems废渣利用,而且比传统的纤维素乙醇生产节省了短期(5a)中期(10a)长期(20a)预处理过程,可大大降低纤维乙醇的成本。龙力生物质输入高热值500X100MwW2000MW预处理公司现有的5万t纤维素乙醇装置是全球最大碾碎、稀酸蒸汽爆破纤维素酶生产单独反应器从供应商购买CBP反应器的纤维乙醇装置纤维素水解河南天冠企业集团从1997年开始先后与山工艺流东大学和浙江大学等多所高校进行合作,开展秸发电装中国煤化工锅炉或 BIG/CC秆乙醇生产关键技术和产业化示范项目的攻关。技术发THsCNMHG实验室/计划可再生能源2011,29(2)中期规划采用SSCF工艺:预处理采用蒸汽8] GRETHLEIN HE, DILL TThe cost of ethanol produc爆破法,这个预处理方法对木糖的产率会比稀酸tion from lignocellulosic biomass -A comparison of se法低,但是下一步葡萄糖的产率会从80%升高到lected altemative processes[M]. USA: Michigan Biotech-90%;纤维素酶也可以在单独的反应器中自己生nology Institute, 1993. 118-120产,但是从供应商手中购买会更便宜特别是在国 ZHENG Y Z,LNHM, TSAO G T. Pretreatment for外的 Novozyme和 Genencor两家酶制剂公司先后cellulose hydrolysis by carbon dioxide explosion [ J]Biotechnol Prog, 1998, 14(6): 890-896大幅度提高纤维素酶的成本效率后,国内河南天1 0] LYND LR, ELANDER RT, WYMAN CE. Likely features冠集团等企业和科研单位对纤维素酶的研究也有and costs of mature biomass ethanol technology [J].Ap-了新的进展(但国内对酶的研究与国外还有一定plied Bio chemistry and Biotechnology, 1996, 57/58差距)。(1):741-761长期规划采用CBP工艺:预处理方法计划采 SAN T TOON, GEORGE P PHILIPPIDIS, NANCY W用LHW法,这个预处理方法木糖产率高,同时Y HO, et aL. Enhanced cofermentation of glucose and下一步葡萄糖产率也会高;水解和C5C6糖共发xylose by recombinan Saccharomyces yeast strains in酵仅在一个CBP反应器中同时进行;一株菌完成batch and continuous operating modes[J]Applied Bio-纤维素酶生产和共发酵多个功能。从长期来看chemistry and Biotechnolog, 1997, 63-65(1): 243CBP工艺无疑是最完美的工艺,但是太多的不成12 LYND LR, VAN ZYL WH, MCBRIDE JE, et al. Con-熟注定在短期内不可能工业化应用。lidated bioprocessing of cellulosic biomass: an updateU) Curr Opin Biotechnol, 2005, 16(5): 577-83参考文献:[13]Q A NGUYEN, H DICKOW, B W DUFF, et aL.[1] CAMPBELL C J, LAHERRERE J H. The end of cheapNRELDOE ethanol pilot-plant: Current status and caoil[J].Sci. Am-,1998(3):78-83pabilities [] Bioresource Technology, 1996, 58(2):[2]丁峰世界油气资源储产量动态中国石油和化工,189-196.2010(4):14-15.[141钱伯章诺维信与中石化组建纤维素乙醇合作伙伴3 ROBERT H WILLIAMS, ERIC D LARSON, RYAN E精细石油化T进展,2009,10(5):16KATOFSKY, et aL. 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Global bio-fuel processing and production作已基本完威,项目计划2011年3月份开工,2011412trends Energy Explor Exploit00253):195218月送厂用电2012年4月份投产发电。彭泽生物发电厂计Q A NGUYEN, J H DICKOW, B W DUFF,eal划总投赉为26亿元人民币,建设规模:装机30MW,年发NREL/DOE ethanol pilot-plant: Current status and ca十电量耗农林废弃物30万t每年可为农民增pabilities []. Bioresource Technology, 1996,58(2): x6中国煤化工量189-196CNMHG生能源网