以纤维素类物质为原料发酵生产燃料乙醇的研究进展

度与数酵工业 and Fermentation indstries以纤维素类物质为原料发酵生产燃料乙醇的研究进展马晓建赵银峰祝春进吴勇牛青川(郑州大学化工学院,郑州,450002)摘要燃料乙醇是清洁汽油的主要代替物。其生产方法根据原料区分有:糖蜜类、谷物淀粉类和纤维素类。以植物秸秆、木材等纤维素类物质为原料生产乙醇是最具挑战性的课题,目前用纤维素类物质制造乙醇的关键问题是纤维素原料的预处理和高效的发酵工艺。文中就综述了纤维素类物质的发酵机制、发酵工艺和发酵方式,对进一步实现工业化提供一些借鉴关键词燃料乙醇,纤维素,半纤维素,木质素,预处理目前,美国主要以玉米为原料生产燃料乙半纤维素是一类高度分支的杂多糖糖残基有醇,巴西以甘蔗、糖蜜、砂糖为主要原料,日本则己糖(如D半乳糖、L半乳糖等)戊糖(D木采用农、林产废物等未利用资源直接发酵生产糖、L-阿拉伯糖)和糖醛酸。半纤维素的组成乙醇。2001年4月,我国河南天冠集团公司和依原料的不同而有所差别。木质素不是由碳水黑龙江华润金玉实业有限公司老厂变性燃料乙化合物组成,而是由苯丙烷结构单元组成的近醇改扩建项目已相继投产,分别具有20万t和似球状的高聚体,对水解纤维素起到屏障作用10万t生产能力,生产规模预计还会扩大,主到目前为止,还未发现能利用木质素的单聚体要以陈粮小麦、玉米等淀粉质原料生产燃料乙来生产乙醇的微生物。醇;吉林省60万t变性燃料乙醇新建项目也已1.2发酵机制经进入投产期,主要以玉米为原料;其他省市的以纤维类物质为原料发酵生产燃料乙醇,燃料乙醇项目也在积极的筹备之中。在其发酵机制方面也有不少的研究4-6。在植物的秸杆、枝叶等纤维物质是地球上最工业上,纤维素经酸解、碱解或酶解预处理后,大的可再生资源,以纤维素类物质生产燃料乙释放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径。产纤维醇的研究越来越受到重视-3)。素酶的微生物有真菌、酵母菌和细菌。目前,人1纤维素类物质生产乙醇的发酵机制们研究最多且最有工业应用前景的是木糖发酵产乙醇的微生物,有管囊酵母( Pachysolen1.1纤维素类物质tannophilus)树干毕赤酵母( Pichia stipitis)、纤维素类物质(秸杆、蔗渣、木材等)主要有卡尔酵母(Sac, carlsbergensis)和休哈塔假丝酵3种成分组成:纤维素,大约占干重的45%;半母( Candida shehatae)等。刘健等选育出一纤维素,占干重的30%;木质素,占干重的株优良的木糖发酵菌株树干毕赤酵母菌7124,25%。还有少量的蛋白质、灰分、淀粉等组成。利用海藻酸钠固定化在半纤维素水解液中进行纤维素和半纤维素可作为乙醇发酵的原料。纤了乙醇发酵的初步研究,基本达到了纯木糖发维素是一种有1000~10000个葡萄糖单体以酵的效果。半纤维素组分中木糖的有效利用有β-1,4糖苷键连接的直链多糖,多个分子平行紧可能使乙醇燃料的生产成本大大降低。正常情密排列成丝状不溶性微小纤维,其基本组成单况下,纤维素类物质中微量物质对发酵过程影位是纤维二糖,它是地球上最丰富的聚合体。响很小。纤维素类物质的发酵机制如图1所第一作者;硕士,教授。河南省重点科技攻关项目(No0323023000收稿时间:200429,改回时间:2004-09-10中国煤化工CNMHG(77)为主8。稀酸水解要求在高温和高压下进行雄素趙萄着飞反应时间几秒或几分钟,在连续生产中应用较纤维素多;浓酸水解相应地要在较低的温度和压力下直接发酵进行,反应时间比稀酸水解长得多。由于浓酸异构化水解中的酸难以回收,目前主要用的是前者。木糖异构酶杨斌等9研究了硫酸和磷酸水解蔗渣的动力类物质直楼发酵学,并建立了模型。目前生产中存在的主要问题就是酸解条件苛刻,对设备有腐蚀作用,需要木质素(不能转化为燃料乙醇)耐酸耐压设备和解决水解产物对发酵微生物的图1纤维素类物质发酵生产乙醇的路线毒性问题”。碱水解也存在着与酸水解同样的问题。2以纤维素类物质为原料发酵生产燃近年来,对于纤维素酸解产物毒性问题的料乙醇的工艺研究取得了一定的进展10。现在,基本上明确了这种毒性是来源于酸解过程中产生的一些有1预处理预处理的主要目的是降低纤维素的分子质机酸、醛类化合物。对于它们的作用机理也进行了深入研究,并在此基础上研究了相应的各量,打开其密集的晶状结构,以利于进一步的分种解毒方案。但是,更加经济适用的解毒方案解和转化。预处理过程中,半纤维素通常直接还有待于进一步研究。被水解成了各种单糖(如木糖,阿拉伯糖等),剩2.2.2酶水解方式下的不溶物质主要是纤维素和木质素。在原料2.2.2.1直接发酵法预处理方面常见的方法如表1所示。嗜热菌(40~65℃)和极端嗜热菌(65℃)能表1以纤维素类物质为原料的几种预处理方法直接利用纤维素生产乙醇,不需要经过酸解或方法热机械法碾磨、粉碎、抽取酶解前处理过程。研究最多的是用热纤梭菌自动水解法蒸汽爆破、超临界CO2爆破( Clostridium thermocellum),它是嗜热产芽孢酸处理法稀酸(H2SO4、HC)浓酸、乙酸等的严格厌氧菌,革兰氏染色呈阳性,它能分解纤碱处理法NaOH、碱性过氧化氢、氨水维素,并能使纤维二糖、葡萄糖、果糖等发酵。有机溶剂处理法甲醇、乙醇丁醇苯目前看来,它是将纤维素直接转化为乙醇的最2.2发酵方式有效菌种。2.2,1酸、碱水解再经酵母发酵生成法吕福英{112绍了热纤梭菌的生理生化在热酸作用下,纤维素被降解主要转化成特性及发酵生产的研究进展,并对热纤梭菌发葡萄糖;半纤维素则生成多种单糖(木糖阿拉酵生产乙醇的因素以及乙醇等发酵产物对热纤伯糖、甘露糖等)。木质素则降解成多种单环芳梭菌的抑制作用作了概述。此外分离出能直接香族化合物。另外还有一些如甲酸、乙酸、糠发酵纤维素生产乙醇的高纯富集物。目前,从醛、羟甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等不稳定生成发酵工艺看,此类工艺方法设备简单,成本低物。在发酵工业上把这些物质分为2大类:可廉。但热纤梭菌产生乙醇也存在以下问题:①发酵性糖,主要有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖以及碳水化合物发酵不完全,乙酸、乳酸、氢的形成甘露糖等;酒精发酵工业上所谓的有毒物质”,导致乙醇产率低;②纤维素发酵速度慢,容积生主要包括各种有机酸、醛类、醇类化合物以及一产力低;③终产物乙醇和有机酸对细胞有相当些无机离子等。大的毒性纤维素的酒精发酵传统上以酸法水解工艺中国煤化工决酒精产率不(78)CNMHG高和有机酸等副产物的存在问题。大多数的研为了克服反馈抑制作用, Gauss等(1提出究是与另一种不分解纤维素的嗜热厌氧菌进行了在同一个反应罐中进行纤维素糖化和乙醇发共培养,该菌能利用热纤梭菌分解纤维素时所酵的同步糖化发酵法( simultaneous saccharifica产生的游离单糖产生乙醇。已研究过的能在共 tion and fermentation,SSF)。其特点是纤维素培养体系中增加乙醇产量的微生物有嗜热厌氧酶对纤维素的水解和酵母发酵生成乙醇在同杆菌( Thermoanaerobacter ethanolicus)、嗜热硫容器内连续进行,这样酶水解的产物——葡萄化氢梭菌( Clostridium thermohydro-糖由于酵母的发酵不断地被利用,这就消除了sulfuricum)、嗜热解糖梭菌( Clostridium ther-葡萄糖浓度过高对纤维素酶的反馈抑制,这是mosaccharolyticum)。 Hogsett等l3利用嗜热解目前最有前途的方法。在工业生产上,该法简糖梭菌和热纤梭菌直接转化纤维性物质为乙醇化了设备,降低了能源的消耗,节约了总生产时方面作了研究,能提高乙醇产量。间,提高了生产效率,但存在一些如糖化和发酵2.2.2.2间接发酵法温度不协调等抑制因素。间接法即糖化、发酵二段发酵法,它是用纤张继泉等16作了有关玉米秸杆同时糖化维素酶水解纤维素,收集酶解后的糖液作为酵发酵生产燃料乙醇的研究,利用正交试验对玉母发酵的碳源,也是目前研究最多的一种方米秸秆发酵生产燃料乙醇的条件进行了摇瓶试法141为了克服乙醇产物的抑制,必须不断地验但具体应用到工业中尚需时日。张德强将其从发酵罐中移出,采取的方法有:减压发酵等1以汽爆毛白杨木粉为原料,采用正交实验法、快速发酵法和阿尔法拉伐公司的 Biostime法进行同时糖化发酵(SSF)来生产乙醇。通过法。对细胞进行循环利用,可以克服细胞浓度考察反应温度、pH值、酶浓度和酵母用量来寻低的问题。筛选在高糖浓度下存活并能利用高找绿色木霉纤维素酶和酿酒酵母同时糖化发酵糖的微生物突变株,以及使菌体分阶段逐步适转化汽爆毛白杨木粉成乙醇的最佳条件。应高基质浓度,可以克服基质抑制。在纤维素酶的糖化过程中,纤维素酶的最纤维素酶法糖化中,目前常用的菌种多来适温度为50℃左右,而酵母发酵的控制温度是自木霉属、曲霉属和青霉属。纤维素的降解需37~40℃,解决这2个过程温度不协调的方法要一系列酶的共同作用才能完成这些酶包括:有:采用耐热酵母(如假丝酵母、克劳森氏酵内切葡聚糖酶,外切葡聚糖酶和β葡萄糖苷酶,母);进一步选育耐热酵母;耐热酵母与普通酵这3种酶协同作用,缺一不可。纤维二糖的积母混合发酵。 Zhangwen Wu181采取了非等温累会抑制内切和外切葡聚糖酶的催化作用,将同时糖化发酵法( nonisothermal simultaneous其水解成葡萄糖,会减少这种抑制作用。葡萄 accharication and fermentation,NSsF)很好地糖的积累对于β葡萄糖苷酶的催化也有一定的解决了纤维素酶这一矛盾。抑制作用。2.2.3其他人们对半纤维素酶法糖化的研究机理不如邓旭等19将酿酒酵母和毕赤酵母经海藻对纤维素酶的研究深入,其中未知的东西更多,酸钙固定化后,分别装入2个串联的固定床内,木聚糖分子比纤维素分子具有结构多样和组分依次用酿酒酵母代谢葡萄糖,及毕赤酵母代谢复杂性,因而其降解难度更大。水解木聚糖分木糖研究了混合糖连续发酵生产乙醇的新工子的酶则主要由β1,4木聚糖和β木糖苷酶构艺。杨斌等20提出了分别以P, stipitis Y成,并且所生成戊糖不宜被酵母发酵利用,需要7124和S. cerivisiae为菌株,采用气升柱发酵木糖异构酶将木糖异构成木酮糖,再被酵母利木糖和溢流柱发酵葡萄糖的串联发酵工艺用生成乙醇。在固定化酶及细胞发酵方面,研究最多的2.2.23同时糖化发酵法(SSF法)是酵H中国煤化工化。最近有报CNMHG(79)道,将微生物固定在汽液界面上进行发酵的研如何高效、经济地回收酸,以及酸解产物毒性问究报道,微生物活性比固定在固体介质上高。题的解决方案。③在生物法(酶工艺发酵)方固定化细胞的新动向是混合固定细胞发酵,如面,同时糖化发酵法和微生物直接转化法中不酵母与纤维二糖酶一起固定化,将纤维二糖基同菌种的共培养和不同酶系的协同作用和反应质转化成乙醇。动力学是研究重点。④酶的价格直接决定着纤3以纤维素类物质为原料发酵生产燃维素类物质发酵生产燃料乙醇的成本因而纤维素酶和半纤维素酶及微生物应用技术方面的料乙醇所采用的微生物研究也是今后的热门课题,研究内容有对微生利用纤维素类物质为原料发酵生产乙醇,物的选择和培养、试验各种形式的发酵器、开发对微生物的要求是很高的。由于自然界中缺乏各种酶的回收方法(超滤再吸附等)制取纤维可以利用纤维素类物质原料有效发酵生产乙醇酶及半纤维酶基因工程菌,还有纤维素酶、半纤的微生物,因此有必要对不同微生物进行代谢维酶及微生物细胞固定化方面的研究。而混合工程改造,以便构造出更有效的微生物。刘翔定化细胞发酵是固定化细胞的一个新动向等(21综述了纤维素类物质生产乙醇的代谢工如酵母与纤维二糖酶一起固定化,将纤维二糖程条件,简要描述了一个强调过程整体化的模基质转化成乙醇。此方法用于同时糖化发酵型,并展望了这一领域今后的发展趋势。由于法,是最有前途的。⑤化学法(酸水解)与生物乙醇耐受性的分子基础还不清楚,所以利用突法(酶水解微生物直接发酵等)能否有机地结变和筛选还是非常有效的。近几十年来,人们合,也值得研究。发现许多微生物可以很好地利用纤维素类物纤维素类物质是自然界中最丰富的可再生质,但迄今为止,人们将主要精力集中在3种微资源之一。近年来,随着人们环境意识的不断生物上,即酿酒酵母( Saccharomyces cerevisi-增强以及政府对环境问题的日益关注,以纤维ae)运动发酵单胞菌( Zymomans mobilis)和大素类物质为原料生产燃料乙醇的研究逐渐受到肠杆菌( Eschericha coli)。重视。从目前研究结果和发展趋势来看,以纤grant2将好携带有运动发酵单胞菌维素类物质发酵生产燃料乙醇不久将会实现工(Z. mobilis)的操纵子( operon)和丙酮酸脱羧业化。酶植入其他菌种,来发酵各种糖类。同时对含有各种酶的生物体( organisms)进行了研究,以用来水解纤维素和半纤维素,理论上,乙醇转化1suTM. Bioconversion of plant biomass to ethanol[J]. AIChE Symposium Series, 1978, 74(181):75率为90%以上。4结论和展望2 Wyman, Charles E. Alternative transportation fuelsEr纤维素类物质发酵生产燃料乙醇的研究已ergy Conversion Engineering Conference, 1994(3)1090~1095经成为全世界研究的热点课題之一。该领域今3邓良伟,纤维素类物质生产燃料酒精研究进展[后的研究方向主要有以下几个方面:①在预处食品与发酵工业,1995,(5):69~72理方面,单纯的物理法和化学法不足以破坏纤常秀莲.木质纤维素发酵酒精的探讨[J]酸酒科维素晶体结构以及去除半纤维素和木质素。应5 Jeffrey S.Toln,ogem' s Process for producing在物理法与化学法相结合的优化方面多进行ethanol from cellulosic biomass [J]. Clean Technology些研究工作,而使纤维素和半纤维素更易被水Environment Policy, 2002(3): 339-345logy for conversion of lig解和发酵。②在化学法(酸水解)发酵生产燃料nocellulosic biomass to ethanol [J ]. Biomass and乙醇方面,应着重研究解决如何减少酸的用量nrc-K1.27~375中国煤化工(80)CNMHG7刘健陈洪章,李佐虎木糖发酵生产乙醇的研究生产燃料酒精的研究[J].纤维素科学与技术J].工业微生物,2001,31(2):30~322002,10(3):35~398 Paszner. Acos-acceleratd hydrolysis of wood by acid17张德强,张志毅,黄镇亚.木质纤维生物量一步法catalysed organosolvmeans[J ]. International sympo(SSF)转化成乙醇的研究(Ⅲ)[J北京林业大学sium on Wood and Pulping Chemistry, 1985: 235学报,2000,22(6):50~5424018 Zhangwen Wu, Lee LL. Nonisothermal simultane-9杨斌,高孔荣.浓酸水解蔗渣纤维质的动力学研ous saccharification and fermentation for direct con究[J].华南理工大学学报,1997,25(8):10~15ersion of lignocellosic biomass to ethanol[J]. applied10潘进权,刘耘酸解纤维素酒精发酵的毒性问题Biochemistry and Biotechnonogy, 1998, (70-72):[J].生物技术,2002,12(1):45~47479-49211吕福英,闵航,陈美慈.热纤梭菌分解纤维素生19邓旭,郑重鸣,岑沛霖,双底物双菌种固定化生产乙醇的研究进展[J].食品与发酵工业,1996产乙醇串联发酵的新工艺[J].食品与发酵工业(6):43~491995,(6):39~4312吕福英,闵航,陈美慈.一个高温厌氧直接转化20杨斌,吕燕萍,高孔荣.蔗渣水解液发酵乙醇的纤维素为乙醇的高纯富集物[J].浙江大学学报研究[J.生物工程学报,1997,13(4):380~3842000,26(1):56-6021刘翔,何国庆利用木素纤维素生产燃料乙醇的13 Hogsett D A, Ahn H J, Bernardez T D. Direct mi-微生物代谢工程[J]粮油加工与食品机械,2003,robial conversion: Prospects, progress and obstacle(8):67~69[n]. Biotechnology,1992,34(35):527~54122 Ingram Lonnie O. Genetic engineering of bacteria for王丹,林建强,张萧.直接生物转化纤维素资gnocellulose conversion to ethanol[J]. Preprints源生产燃料乙醇的研究进展[J].山东农业大学学Division of Petroleum Chemistry, American Chemi报(自然科学版),2002,33(4):525cal Society,1993,38(2):291-29315 Gauss W F, S. Suzuki, M. Takagi. Manufacture of 23 Ho Chen, Brainard. Genetically engineered Sacchaalcohol from cellulosic materials using plural fermentsromyces yeast capable of effective cofermentation of[P].US:3990-994,1976glucose and xylose[J]. Applied and Environmental16张继泉,王瑞明,关风梅.玉米秸杆同时糖化发酵Microbiology,1998,64(5):1852-1859Research on the Production of Fuel Alcohol from theMaterial of CelluloseMa Xiaojian Zhao Yinfeng Zhu Chunjin Wu Yong Niu Qingchuan(Institute of Chemical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450002, China)ABSTRACt The fuel ethanol is a main substitute of the clean petrol according to the characteris-tics of raw materials, the production method of the fuel alcohol distinguishes molasses, the starch ofgrain and cellulose. The most challenging subject is using cellulose type materials such as plant strawimber, etc, in the production of alcohol. Cellulose's pretreatment and highly efficient fermentationtechnologies are the key problems for producing alcohol from cellulose kinds of material at presentThis paper briefly narrated fermentation mechanism, the fermentation process and fermentation waywith cellulose. Another purpose of this paper is to offer some references to further industrializationThe paper is concluded by putting forward the authors expectationsKey words fuel alcohol, cellulose, hemi-cellulose, lignin, pretreatment气逸盼要耕娠篓在門誉最近,法国蒙托邦一家包装塑胶设备公司发明并生产了一种难以仿造的气泡防伪塑料标签,用于食品、电子产晶、纺织品及手表等的外包装。据介绍,这种气泡防伪塑料标签是直径1~10mm的塑料圆片,在冷却过程中,会随机形成各种气泡图案。由于气泡图案相同的几率极小,且图案和序号都记录在数据库里,消费者购买商品时,只贾核查商品塑料标签中的气泡图案是否与数据库里记录的气泡图案一致,就能辨别真伪。此外,这种气泡防伪柝签技术还可用在护照及钞累上。中国煤化工CNMHG(81)