降低木质纤维素燃料乙醇生产成本的分析

酿酒科技2009第5期(总第179期) LIQUOR-MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2000501降低木质纤维素燃料乙醇生产成本的分析吴连祯,林鹿(华南理工大学资源科学与工程系,广东广州510640)摘要:自然界最丰富的可再生资源木质纤维素经过转化可以制取新能源——燃料乙醉,为解决当前的能源危机、粮食危机和环境危机提供了一条出路。由于成本方面限制的原因,纤维素乙醇目前并没有完全商业化。从原料、预处理、纤維素酶、发酵和蒸馏、生物精炼等方面分析了降低纤维素乙醇成本的可行性关键词:新能源;燃料乙醇;木质纤维素;成本中图分类号:TS2622;TS2614;TQ353:Q556文献标识码:A文章编号:1001-9286(2009)05-00906Analysis of Reducing Production Cost of Fuel Ethanol by LignocelluloseWU Lian-zhen and LIN LuDepartment of Resource Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China)Abstract: As the most aboundant renewable resource on the planet, lignocellulose could be used to produce the new energy-fuel ethanol, whichprovides a solution to the existing energy crisis, food crisis and environment crisis. owever, lignocellulosic ethanol has not achieved completecommercialization yet due to high production cost. In this paper, the feasibility of the programs to reduce productionethanol from the aspects of raw materials, pretreatment, cellulase, fermentation, distillation and biorefining was ala/aed cost of lignocellulosicKey words: new energy resources; fuel ethanol; lignocellulose; cost随着世界经济的快速发展,各国对能源的依赖性越维素乙醇始终没有完全商业化。文章综述了从原料、预处来越强,而人类所面对的一个不争的事实就是石油资源理、纤维素酶、发酵和蒸馏、生物精炼这些主要方面降低在枯竭"。寻找可替代石油的新能源已成为大家的共同成本的可行性分析。目标。燃料乙醇作为一种可持续、低二氧化碳排放的新能源受到了大家的广泛关注P6。基于淀粉的玉米小麦、木薯等,基于糖的甘蔗等,以及基于木质纤维素的秸秆、蔗渣、木屑等都可作为燃料乙醇的原料,但淀粉类和糖类原料的产量,不足以满足未来制造大量燃料乙醇的需求,而平咖且它们降低二氧化碳排放的效果也不如木质纤维素原料Residue for po明显团。因此,以木质纤维素原料为主生产燃料乙醇成为各国的共识,并且得到了各国政府的大力支持。图1酶法水解木质纤维素原料制取燃料乙醇的流程图冂早期木质纤维素乙醇的研究主要是采用酸法水解纤1降低原料成本的分析维素原料成单糖然后通过酵母发酵得到乙醇,但酸法水解要消耗大量的酸、对反应设备要求高、能耗高,且不符木质纤维素原料的来源广泛,包括各种林木与草类、合未来社会绿色化学的发展方向。酶法水解发酵制取燃农业废弃物、林业废弃物、工业废弃物及城市生活废弃物料乙醇是当前主流的研究方向。图1为酶法水解木质纤等91。原料本身的成本并不高(如目前玉米秸秆60元维素原料制取乙醇的简单流程图。与酸法水解相比酶法左右),但由于原料的收集、运输、储存等都需要一定的水解条件温和、不生成有毒降解物糖得率高设备投资成本,因此最终的原料成本会涨到200~300元t。为了低,符合未来的发展方向。由于生产成本方面的原因纡降低建应该考虑原料就近、中国煤化工金项日国自基科等基全①7033素博点基全200CNMHG.63计划(200407089收稿日期:20003-18作者简介:吴连祯(1982-),男,硕士,山东秦安人,主要从事植物资源转化与生物质化工研究工作通讯作者:林鹿博士生导师E-mail:liulin@cut.edu.cn酿酒科技200年第5期(总第179期) LIQUOR-MAKING SCIENCE& TECHNOLO2005o规模适度的原则叫。一定规模的生产工厂可以合理有效分离,固体在130~150℃下洗涤后,以SSF工艺水解发地利用资源,发挥规模优势。但规模的不断扩大,原料成酵,结果表明与未经分离及洗涤的原料相比,乙醇产量增本也会增加叫。2002年,美国国家再生能源实验室加了50%达到同样乙醇产量的反应时间降低了43%。(NREL)的技术报告分析得出了一个以玉米秸秆为原料 Moiser!等人用控制pH的热水法处理玉米秸秆,反应器的工厂,合理规模为日处理秸秆20004000。收集方中原料占16%,190℃下处理15min,乙醇的产量达到式也是影响原料成本的重要方面。 petralia分析认为原理论产量的88% Teymouri测等人确定了氨爆破法处理料在切碎后收集将比直接打捆收集更能节省成本,以一玉米秸秆的最佳条件为:90℃,原料湿度60%,1kg绝个年产0.189hm的乙醇工厂为例,原料在切碎后收集比千原料氨用量1kg,处理时间5min。Kim2等人分析了直接打捆收集成本1t少12美元,而且工厂规模扩大后,不同条件下石灰预处理玉米秸秆的效果后认为,通风的效果更为明显。此外,借助后续工艺,增加原料的单位产条件下,温度为55℃,处理4个星期时较为理想,经过此值也是降低原料成本的重要手段。以玉米秸秆为例,国外条件处理的原料,以15FPU/g纤维素的酶用量水解,葡4t秸秆可生产1t乙醇,而国内需要6t秸秆才能生产1萄糖和木糖的产率分别达到932%和795%t乙醇,原料成本优势由此可见。但是,这些预处理方式也都存在一些缺点2。如不同原料的组成成分有明显的差别,生产燃料乙醇应用稀酸处理需要耐腐蚀性的反应器,水解液需要进行所主要利用的纤维素和半纤维素尽可能高,木质素尽可酸的中和;蒸汽爆破和热水处理对设备要求高,处理过程能低,将有助于随后的预处理以及水解发酵的过程,提高会产生一些糖降解产物如糠醛5-羟甲基糠醛(HMF)等,产率,整体上降低最终成本。从此种意义上说,在原料选而这些产物会抑制随后微生物对糖的发酵;石灰预处理择上,应该尽可能地选用纤维素和半纤维素含量高、木质需要进行很长的时间等。采取多种预处理方式的联用,相素含量低的原料。原料的选择最初将是以较低成本的废互取长补短,也许是未来预处理更有效、低成本的重要手弃物原料为主,而当下游技术瓶颈突破、成熟以后,应开段。如将蒸汽爆破与酸催化剂结合,相比单独的蒸汽爆发一个以能源作物为主的综合原料供应系统叫。这些能破,可以降低反应时间和温度,减少抑制剂的生成,改善源作物需要很少的投入却有很高的产量,而且不与粮食酶处理的效果,被认为是一种最接近于商业化的预处理作物争地。通过基因技术,还可以改变这些作物的组分,技术团。目前这种技术在美国NREL和瑞典 SEKAB的中增加纤维素、半纤维素这些高价值组分的含量;改变作物试工厂都进行了广泛试验,并且应用到了加拿大 logen的性质,使其更易于后续的预处理和酶水解过程,最终降公司的示范工厂中。低乙醇的生产成本在我国中科院布局的纤维素乙醇项目中,原料预处2降低原料预处理成本的分析理成本目标是低于0.1美元/加仑乙醇。但不管采用何种预处理方式,为了节省成本,都应该把药品和水的使用原料预处理的目的是为了去除木质素、半纤维素对能量的输人减到最低。此外,在降低预处理成本的同时还纤维素的保护作用,破坏纤维素的晶体结构,增加纤维素应兼顾后续工艺,不以增加后续工艺的成本为代价。的可接触面积,以提高纤维素的酶解转化率吗。目前,预处理的成本在整个的生产成本中所占的比例是最高的,3降低纤维素酶成本的分析据估计可达03美元/加仑乙醇,对于整个的生产过程和在整个的成本中,纤维素酶所占的成本也是相对较生产成本影响最大。如 Wyman所说,“成本比预处理高的。对纤维素酶高产菌进行筛选和诱变育种,改进纤维更高的一步就是不处理”。原料不经预处理直接进行水解素酶的生产技术,提高纤维素酶的产量;改善纤维素酶的会使乙醇的最终得率会低于20%原料的预处理方式有性能以及选择合理的酶系组成提高酶的比活性;循环利很多, Mosier认为最有经济性以及未来前景的包括稀纤维素酶,这些方式都可以降低纤维素酶的成本。酸预处理、蒸汽爆破预处理、控制pH的热水预处理、石3.1选育纤维素酶高产菌株,改进纤维素酶生产技术灰和氨处理。 Eggeman'等人分析了在同等条件下以不丝状真菌是纤维素酶最主要的来源其中木霉属(里同的方式预处理玉米秸秆对乙醇成本的影响,得出结论氏木霉、绿色木霉等)是目前应用最多、最有效的产酶菌认为预处理成本:稀酸法<氨爆破法<石灰法<氨循环株四中国煤化工生菌株产酶能力比较过滤法<热水法。对现行的处理方式进行改进和优化,低。CNMH(以及所产纤维素酶的提高预处理的效果,是降低成本的有效方式。 Nicholas(活力,诱变育种是一个有效的途径。林英叫等以绿色木酶等人用稀硫酸通过单步批式预处理白杨木屑,然后固液F264为出发菌株制备其原生质体,经紫外诱变处理,筛吴连祯,林鹿降低木质纤维素燃乙醇生产成本的分析选出1株纤维素酶高产突变绿色木酶FUV264,其产酶商业酶大多就是活性最大配比合理的酶复合物能力和滤纸酶活都增加了约3倍。利用堪因组重组技术33纤维素酶的循环利进行菌株的选育是近年来提出的一种新的方法,这种方纤维素酶作为一种催化剂,决定了其具有可以循环法可以更为快速和高效的筛选出优良菌株。利用的性质。纤维素酶的循环利用可以降低酶的成本,但纤维素酶的生产方式包括液体发酵和固体发酵两随着利用次数的增多,纤维素酶的活性会逐渐降低,而且种固体发酵法投资少,工艺简单,产品价格低廉,然而固纤维素酶的吸附能力和原料中的木素对循环利用的次数体发酵法生产的纤维素酶很难提取、精制。液体发酵培养也有影响以。纤维素酶的循环利用也可以通过纤维素条件容易控制,不易染杂菌,生产效率高虽然其动力消酶的固定化来实现。固定化酶与水溶性酶相比具有下列耗大设备要求高仍然具有广阔的前景。任何菌种发酵优点:(1)极易将纤维素酶与底物、产物分开;(2)可在较长都有自己最佳的发酵条件。pH值温度通氧量接种量、时间内反复进行分批反应和装柱连续反应;()可提高纤发酵时间、培养基成分及配比对纤维素酶的产量都有影维素酶的稳定性和使用率;(4)产物溶液中酶的残留较响,因此在选择合理发酵工艺的同时,应该优化培养条少,简化了提纯工艺。件,这对于提高酶活、降低生产成本是很重要的。杰能科和诺维信是国际上两大主要的酶制剂生产32改善纤维素酶的性能、选择合理的纤维素酶系商。在NREL的资助下,两家公司都已经将生产1加仑在对结构和反应机理认识的基础上,利用基因工程燃料乙醇所需纤维素酶生产成本从2001年5美元的水改善纤维素酶的性能-,包括增强在不同温度及pH值平降到大约02美元,而且他们计划能使纤维素酶的成下的稳定性提高抵抗水解终产物抑制的能力提高酶的本继续降低至01美元以下。为了促进纤维素酶成本的比活性从而降低水解底物所需要的单位用酶量,将有助降低,应该加大对反应机理的研究,更好地认识反应机于纤维素酶成本的降低。 Teter等冽利用定点突变、定向理,将有助于更好地降低成本。他和突变PCR扩增和DNA分子进化,产生了里氏木酶4降低发酵和蒸馏成本的分析的变种,突变株在酵母中表达选育后其热稳定性和热活性都超过了母体。 Bower介绍了将不同菌种的内切酶引木质纤维素水解后能产生戊糖和己糖两种不同的单人里氏木霉纤维素酶的方法。把 Acidothermus cell-糖其中纤维索水解产生葡萄糖;半纤维素水解产生木糖lolyticus B的GH5A蛋白,融合到里氏木酶的纤维二糖酶(陆生植物占60%~90%)、阿拉伯糖等戊糖,甘露糖、半中后,发现在纤维素的糖化过程中重组酶具有更高的活乳糖、葡萄糖等己糖。普通的酿酒酵母很难将戊糖发酵性结果显示6h达到20%的纤维素转化率,而用母本为乙醇, Hinman等人曾分析了木材制乙醇过程中木糖的纤维素酶则需要10h在结构和反应机理认识基础上,利用与否对生产成本的影响,结果表明木糖被利用后可引人或突变与水解相关的保守性氨基酸残基,可以提高使生产成本由165美元/加仑降至123美元/加仑。因酶的活性。β-葡萄糖苷酶能水解纤维二糖为葡萄糖,对此,戊糖的利用成为降低乙醇成本的重要一项η。选择于反应的彻底完成有重要作用。Kim叫等人利用原位活合理的发酵工艺,并对工艺中不利于发酵的因素加以改性染色法从 Aspergillus fumigatus中分离出了一种新的善,可促进成本的降低。发酵完成后需要对乙醇进行纯β-葡萄糖苷酶,经过基因编码和异源表达,使其具有了化改善纯化过程对于降低成本也是必要的。苷酶更高的热稳的r和A甲 pergillus oryzae B-葡萄糖41枘建混合糖发酵茵比典型 Aspergillus n理想的纤维素乙醇发酵菌应能发酵所有水解产生的纤维素酶由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、B-葡萄糖,具有对木素单体、乙酸和其他抑制性副产物的良好抗糖苷酶3种不同的组分组成,3种类型的酶在水解过程性并在同步发酵丁艺中与纤维素酶有协同作用同。混合中有不同的功能,纤维素的水解大多是由3种酶协同作菌株构建的代谢工程可以通过两种方法进行。一种是从用完成的,任何类型酶的缺失都会对水解产生不利的影能够利用广泛底物的微生物,如大肠杆菌出发(Es响。如里氏木霉是一种高效的产酶菌种,但由于其较低的 cherichia coli),利用其本来就有的戊糖利用能力,通过基β-葡萄糖苷酶活,降低了水解木质纤维素的能力因此因工程改善其产物的选择性及其他同合成产物相关的特补充额外的β一葡萄糖苷酶活成为提高酶解效率的有效性呵竿能右抽地利田女质纤维素材料的水解中国煤化方式酶系比例的不当对于水解也会产生不利影响,选择生成耐性。但大肠杆菌缺及组合对水解有最大影响的酶类型,可以促进纤维素的少CNMHG酵解过程产生的副产有效水解以及酶的合理利用,降低成本。目前市场上的物较多(主要为有机酸)。早在19837年, Ingram就利用运101酿酒科技2009年第5期(总第179期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY200N.To19动发酵单胞菌( Zymomonas mobilis)中的高活力丙酮酸脱工艺(CBP),它是把纤维素酶的生产纤维素水解糖的发氢酶(PDC)和乙醇脱氢酶基因(ADHI构建了PET操纵酵结合在一个反应器内完成。这种方式简化了工艺减少并将该操纵子导入大肠杆菌中表达,结果大肠杆菌工了反应容器。由于没有了纤维素酶的生产问题,与最理程菌株的乙醇产量得到了极大的提高。当前众多在大肠想条件下酶生产、纤维素水解和糖发酵成本为089美杆菌上开展的代谢工程也取得了很大成功明。元/加仑的SSCF工艺相比,CBP用于纤维素水解和糖另一种方法是从已有很高产物选择性和其他产物合发酵的成本仅为0042美元/加仑。成特性的乙醇发酵菌株,如酿酒酵母( Saccharomyces4.3改进纯化过程cerevisiae)和运动发酵单胞菌( Zymomonas mobilis)出发,车用燃料乙醇要求乙醇的浓度达到995%vol以通过代谢工程手段赋予其利用戊糖发酵的能力。运动上,一般发酵液中的乙醇浓度低于20%,需要进行发酵单胞菌具有高效、快速转化己糖为乙醇的能力,乙醇提纯。传统的乙醇纯化主要是蒸馏法,当乙醇浓度达到产量可以比普通酵母发酵高5倍回,但由于自身缺少必95%wo时,由于共沸点的存在,必须进行二次蒸馏。以要的代谢途径而使其无法利用木质纤维素水解产生的木苯作脱水剂的共沸蒸馏最具有代表性。膜化学分离法是糖等戊糖成分。 Mohagheghi等将代谢木糖、阿拉伯糖的很有发展前景的提纯新技术,但应用还不是很广泛。蒸馏7个必需酶的基因整合近 z. mobilis的染色体上的特异位过程中耗费大量的能量,为了减少蒸馏过程中的能量输点-乳酸脱氢酶基因(ldh)中,构建菌株具有利用戊糖的人,发酵液中乙醇的浓度应尽可能高。能力发酵混合糖的乙醇产率达到理论值的84%,同时5生物精炼以降低生产成本的分析减少了副产物乳酸的形成。酿酒酵母是传统的乙醇发酵生产菌株具有很高的发酵速率和乙醇耐性,但现有的现代成功的石油化工及粮食乙醇产业精炼技术证工业菌株都不能利用木糖等戊糖。 Kuyper等将明,充分利用木质纤维素原料的各种组分,尽可能地提升Piromyces XYLA的木糖异构酶基因在酿酒酵母中表达和拓展原料各组分的经济价值,联合生产乙醇和部分高得到的菌株发酵木糖和葡萄糖混合物的能力比酿酒酵母值产品的生物精炼技术,是实现纤维素乙醇商业化的重提高了2倍。要突破口,也是纤维素乙醇产业发展的必然方向。木素此外为提高菌株的性能诱变和驯化也是有效的手是木质纤维素原料的重要组成部分,占原料的10%~25段。 Wahlbom等将染色体重组酿酒酵母TMB9经%,目前木素主要是作为燃料使用经济价值较低。通过诱变后得到了木糖发酵性能更好的TBM3400,成为代谢改性后木素可变为具有高价值的混凝土减水剂、水处理工程和诱变技术结合的良好范例。不同的原料不同的处剂、水煤浆分散剂等产品。木素也是DMSO苯酚、乙烯理过程产生不同的戊糖和己糖的比例,不同糖比例,如木等的天然化学前体,还可以用来生产胶黏剂、碳纤维等众糖含量较高的混合糖液中利用 Pstipitis发酵,乙醇得率多产品⑤。半纤维素水解生成的低聚糖可用作饲料添加较高。剂,生成的木糖除了可以发酵为乙醇还可用来生产木糖4.2改善发酵工艺醇、糠醛和呋喃树脂等。纤维素水解生成的葡萄糖,可早期采用的是分步水解发酵工艺(SH,纤维素水部分用于生产乙酰丙酸蚁酸等高价值的有机酸图2是解和水解液的乙醇发酵分别在不同的容器内进行,但由对玉米秸秆乙醇产业发展单一产品以及多种产品的经济于纤维二糖和葡萄糖对水解过程的抑制大大增加了纤维性分析,可以看出发展多种产品远比发展单一产品有经素酶的成本,于是开发了同步糖化发酵工艺(SSF),即纤济可行性维素水解和水解液的乙醇发酵在同一个容器中进行,水其中,玉米秸秆共含有361kg葡萄糖、241kg木糖解产生的葡萄糖马上被酵母所利用,消除了葡萄糖和纤36kg阿拉伯糖等少量其他多糖、208kg木素和32kg乙维二糖浓度的增加对纤维素酶的抑制作用。与SHF工艺酸。预处理和水解得到的糖为总糖的90%;戊糖和己糖相比,SSF工艺可以提高约40%的乙醇产量,而且减少发酵生成的乙醇为理论产量的85%和90%;乙醇1.50了反应所需的设备。但这种工艺存在的主要问题是纤美元/加仑、乙酸1.00美元/kg、高值化木素110美元维素酶解和乙醇发酵的温度不一致。选择合适的发酵菌kg燃烧用木素004美元/kg木糖1.20美元/kg。Sm株成为关键。后来由同步糖化发酵法(SSF)衍生出了同pe中国煤化工有木素作为燃料使用步糖化共发酵法(ScpF,即戊糖和己糖在同一个容器内Pati素一半用做燃料,一半共同发酵为乙醇进一步提高了转化效率,降低了成本。·用,CNMH〔衔品。 Complete表示葡近年来又出现了一种具有诱人前景的新工艺-联合生物萄糖转化为乙醇,木糖和其他少量多糖转变为更高值化102吴连祯林龐·降低木质纤维素燃料乙醇生产威本的分析700thanol[9]Philippidis GP, Hatzis C Biochemical engineering analysis ofcritical p Process factors in the biomass-to-ethanol technologyU. 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Features of promising tech-元,分别低于当时粮食乙醇和汽油价格0.24美元、008nologies for pretreatment of lignocellulosic biomass J美元。文献[23]中提到,原油价格在欧洲达到70美元/Bioresour Techno, 2005, 96: 673-686桶,在美国达到50~60美元/桶,纤维素乙醇与汽油相[6] Huber Gw,boms. Corma A. Synthesis of transportation fuels比就具有竞争力。当前的石油价格,已使纤维素乙醇显示from biomass: chemistry, catalysts, and engineering []. Chem出了一定的竞争力。众多商业化的工厂已经建成或正在Rev2006,106:4044-4098建设中纤维素乙醇实现商业化将指日可待。但为了让[l7 Eggeman T, Elander RT. Process and economic analysis of燃料乙醇始终保持价格上的优势,防止石油价格波动带pretreatment technologies [] Bioresour Technol, 200596:2019-2025来的负面影响,仍需要从各个环节考虑继续压缩成本[18] Nicholas JN, Richard TE, Mildred MN, et al. Efficacy of a hot参考文献:washing process for pretreated Yellow Poplar to enhance[1 Campbell, CJ, Laherrere, JH. The end of cheap oil Sci Am,bioethanol production []. Biotechnol Prog, 2002, 18: 734-738.998,(3):78-83[19] Mosier N, Hendrickson R, HoN, et al. Optimization of pH con-[2] Pimental D, Patzek TW. 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