以纖維素類(lèi)物質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展

度與數酵工業(yè) and Fermentation indstries以纖維素類(lèi)物質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展馬曉建趙銀峰祝春進(jìn)吳勇牛青川(鄭州大學(xué)化工學(xué)院,鄭州,450002)摘要燃料乙醇是清潔汽油的主要代替物。其生產(chǎn)方法根據原料區分有:糖蜜類(lèi)、谷物淀粉類(lèi)和纖維素類(lèi)。以植物秸稈、木材等纖維素類(lèi)物質(zhì)為原料生產(chǎn)乙醇是最具挑戰性的課題,目前用纖維素類(lèi)物質(zhì)制造乙醇的關(guān)鍵問(wèn)題是纖維素原料的預處理和高效的發(fā)酵工藝。文中就綜述了纖維素類(lèi)物質(zhì)的發(fā)酵機制、發(fā)酵工藝和發(fā)酵方式,對進(jìn)一步實(shí)現工業(yè)化提供一些借鑒關(guān)鍵詞燃料乙醇,纖維素,半纖維素,木質(zhì)素,預處理目前,美國主要以玉米為原料生產(chǎn)燃料乙半纖維素是一類(lèi)高度分支的雜多糖糖殘基有醇,巴西以甘蔗、糖蜜、砂糖為主要原料,日本則己糖(如D半乳糖、L半乳糖等)戊糖(D木采用農、林產(chǎn)廢物等未利用資源直接發(fā)酵生產(chǎn)糖、L-阿拉伯糖)和糖醛酸。半纖維素的組成乙醇。2001年4月,我國河南天冠集團公司和依原料的不同而有所差別。木質(zhì)素不是由碳水黑龍江華潤金玉實(shí)業(yè)有限公司老廠(chǎng)變性燃料乙化合物組成,而是由苯丙烷結構單元組成的近醇改擴建項目已相繼投產(chǎn),分別具有20萬(wàn)t和似球狀的高聚體,對水解纖維素起到屏障作用10萬(wàn)t生產(chǎn)能力,生產(chǎn)規模預計還會(huì )擴大,主到目前為止,還未發(fā)現能利用木質(zhì)素的單聚體要以陳糧小麥、玉米等淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙來(lái)生產(chǎn)乙醇的微生物。醇;吉林省60萬(wàn)t變性燃料乙醇新建項目也已1.2發(fā)酵機制經(jīng)進(jìn)入投產(chǎn)期,主要以玉米為原料;其他省市的以纖維類(lèi)物質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇,燃料乙醇項目也在積極的籌備之中。在其發(fā)酵機制方面也有不少的研究4-6。在植物的秸桿、枝葉等纖維物質(zhì)是地球上最工業(yè)上,纖維素經(jīng)酸解、堿解或酶解預處理后,大的可再生資源,以纖維素類(lèi)物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙釋放出的葡萄糖可進(jìn)入乙醇發(fā)酵途徑。產(chǎn)纖維醇的研究越來(lái)越受到重視-3)。素酶的微生物有真菌、酵母菌和細菌。目前,人1纖維素類(lèi)物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的發(fā)酵機制們研究最多且最有工業(yè)應用前景的是木糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇的微生物,有管囊酵母( Pachysolen1.1纖維素類(lèi)物質(zhì)tannophilus)樹(shù)干畢赤酵母( Pichia stipitis)、纖維素類(lèi)物質(zhì)(秸桿、蔗渣、木材等)主要有卡爾酵母(Sac, carlsbergensis)和休哈塔假絲酵3種成分組成:纖維素,大約占干重的45%;半母( Candida shehatae)等。劉健等選育出一纖維素,占干重的30%;木質(zhì)素,占干重的株優(yōu)良的木糖發(fā)酵菌株樹(shù)干畢赤酵母菌7124,25%。還有少量的蛋白質(zhì)、灰分、淀粉等組成。利用海藻酸鈉固定化在半纖維素水解液中進(jìn)行纖維素和半纖維素可作為乙醇發(fā)酵的原料。纖了乙醇發(fā)酵的初步研究,基本達到了純木糖發(fā)維素是一種有1000~10000個(gè)葡萄糖單體以酵的效果。半纖維素組分中木糖的有效利用有β-1,4糖苷鍵連接的直鏈多糖,多個(gè)分子平行緊可能使乙醇燃料的生產(chǎn)成本大大降低。正常情密排列成絲狀不溶性微小纖維,其基本組成單況下,纖維素類(lèi)物質(zhì)中微量物質(zhì)對發(fā)酵過(guò)程影位是纖維二糖,它是地球上最豐富的聚合體。響很小。纖維素類(lèi)物質(zhì)的發(fā)酵機制如圖1所第一作者;碩士,教授。河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項目(No0323023000收稿時(shí)間:200429,改回時(shí)間:2004-09-10中國煤化工CNMHG(77)為主8。稀酸水解要求在高溫和高壓下進(jìn)行雄素趙萄著(zhù)飛反應時(shí)間幾秒或幾分鐘,在連續生產(chǎn)中應用較纖維素多;濃酸水解相應地要在較低的溫度和壓力下直接發(fā)酵進(jìn)行,反應時(shí)間比稀酸水解長(cháng)得多。由于濃酸異構化水解中的酸難以回收,目前主要用的是前者。木糖異構酶楊斌等9研究了硫酸和磷酸水解蔗渣的動(dòng)力類(lèi)物質(zhì)直樓發(fā)酵學(xué),并建立了模型。目前生產(chǎn)中存在的主要問(wèn)題就是酸解條件苛刻,對設備有腐蝕作用,需要木質(zhì)素(不能轉化為燃料乙醇)耐酸耐壓設備和解決水解產(chǎn)物對發(fā)酵微生物的圖1纖維素類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的路線(xiàn)毒性問(wèn)題”。堿水解也存在著(zhù)與酸水解同樣的問(wèn)題。2以纖維素類(lèi)物質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃近年來(lái),對于纖維素酸解產(chǎn)物毒性問(wèn)題的料乙醇的工藝研究取得了一定的進(jìn)展10?，F在,基本上明確了這種毒性是來(lái)源于酸解過(guò)程中產(chǎn)生的一些有1預處理預處理的主要目的是降低纖維素的分子質(zhì)機酸、醛類(lèi)化合物。對于它們的作用機理也進(jìn)行了深入研究,并在此基礎上研究了相應的各量,打開(kāi)其密集的晶狀結構,以利于進(jìn)一步的分種解毒方案。但是,更加經(jīng)濟適用的解毒方案解和轉化。預處理過(guò)程中,半纖維素通常直接還有待于進(jìn)一步研究。被水解成了各種單糖(如木糖,阿拉伯糖等),剩2.2.2酶水解方式下的不溶物質(zhì)主要是纖維素和木質(zhì)素。在原料2.2.2.1直接發(fā)酵法預處理方面常見(jiàn)的方法如表1所示。嗜熱菌(40~65℃)和極端嗜熱菌(65℃)能表1以纖維素類(lèi)物質(zhì)為原料的幾種預處理方法直接利用纖維素生產(chǎn)乙醇,不需要經(jīng)過(guò)酸解或方法熱機械法碾磨、粉碎、抽取酶解前處理過(guò)程。研究最多的是用熱纖梭菌自動(dòng)水解法蒸汽爆破、超臨界CO2爆破( Clostridium thermocellum),它是嗜熱產(chǎn)芽孢酸處理法稀酸(H2SO4、HC)濃酸、乙酸等的嚴格厭氧菌,革蘭氏染色呈陽(yáng)性,它能分解纖堿處理法NaOH、堿性過(guò)氧化氫、氨水維素,并能使纖維二糖、葡萄糖、果糖等發(fā)酵。有機溶劑處理法甲醇、乙醇丁醇苯目前看來(lái),它是將纖維素直接轉化為乙醇的最2.2發(fā)酵方式有效菌種。2.2,1酸、堿水解再經(jīng)酵母發(fā)酵生成法呂福英{112紹了熱纖梭菌的生理生化在熱酸作用下,纖維素被降解主要轉化成特性及發(fā)酵生產(chǎn)的研究進(jìn)展,并對熱纖梭菌發(fā)葡萄糖;半纖維素則生成多種單糖(木糖阿拉酵生產(chǎn)乙醇的因素以及乙醇等發(fā)酵產(chǎn)物對熱纖伯糖、甘露糖等)。木質(zhì)素則降解成多種單環(huán)芳梭菌的抑制作用作了概述。此外分離出能直接香族化合物。另外還有一些如甲酸、乙酸、糠發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇的高純富集物。目前,從醛、羥甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等不穩定生成發(fā)酵工藝看,此類(lèi)工藝方法設備簡(jiǎn)單,成本低物。在發(fā)酵工業(yè)上把這些物質(zhì)分為2大類(lèi):可廉。但熱纖梭菌產(chǎn)生乙醇也存在以下問(wèn)題:①發(fā)酵性糖,主要有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖以及碳水化合物發(fā)酵不完全,乙酸、乳酸、氫的形成甘露糖等;酒精發(fā)酵工業(yè)上所謂的有毒物質(zhì)”,導致乙醇產(chǎn)率低;②纖維素發(fā)酵速度慢,容積生主要包括各種有機酸、醛類(lèi)、醇類(lèi)化合物以及一產(chǎn)力低;③終產(chǎn)物乙醇和有機酸對細胞有相當些無(wú)機離子等。大的毒性纖維素的酒精發(fā)酵傳統上以酸法水解工藝中國煤化工決酒精產(chǎn)率不(78)CNMHG高和有機酸等副產(chǎn)物的存在問(wèn)題。大多數的研為了克服反饋抑制作用, Gauss等(1提出究是與另一種不分解纖維素的嗜熱厭氧菌進(jìn)行了在同一個(gè)反應罐中進(jìn)行纖維素糖化和乙醇發(fā)共培養,該菌能利用熱纖梭菌分解纖維素時(shí)所酵的同步糖化發(fā)酵法( simultaneous saccharifica產(chǎn)生的游離單糖產(chǎn)生乙醇。已研究過(guò)的能在共 tion and fermentation,SSF)。其特點(diǎn)是纖維素培養體系中增加乙醇產(chǎn)量的微生物有嗜熱厭氧酶對纖維素的水解和酵母發(fā)酵生成乙醇在同桿菌( Thermoanaerobacter ethanolicus)、嗜熱硫容器內連續進(jìn)行,這樣酶水解的產(chǎn)物——葡萄化氫梭菌( Clostridium thermohydro-糖由于酵母的發(fā)酵不斷地被利用,這就消除了sulfuricum)、嗜熱解糖梭菌( Clostridium ther-葡萄糖濃度過(guò)高對纖維素酶的反饋抑制,這是mosaccharolyticum)。 Hogsett等l3利用嗜熱解目前最有前途的方法。在工業(yè)生產(chǎn)上,該法簡(jiǎn)糖梭菌和熱纖梭菌直接轉化纖維性物質(zhì)為乙醇化了設備,降低了能源的消耗,節約了總生產(chǎn)時(shí)方面作了研究,能提高乙醇產(chǎn)量。間,提高了生產(chǎn)效率,但存在一些如糖化和發(fā)酵2.2.2.2間接發(fā)酵法溫度不協(xié)調等抑制因素。間接法即糖化、發(fā)酵二段發(fā)酵法,它是用纖張繼泉等16作了有關(guān)玉米秸桿同時(shí)糖化維素酶水解纖維素,收集酶解后的糖液作為酵發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究,利用正交試驗對玉母發(fā)酵的碳源,也是目前研究最多的一種方米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的條件進(jìn)行了搖瓶試法141為了克服乙醇產(chǎn)物的抑制,必須不斷地驗但具體應用到工業(yè)中尚需時(shí)日。張德強將其從發(fā)酵罐中移出,采取的方法有:減壓發(fā)酵等1以汽爆毛白楊木粉為原料,采用正交實(shí)驗法、快速發(fā)酵法和阿爾法拉伐公司的 Biostime法進(jìn)行同時(shí)糖化發(fā)酵(SSF)來(lái)生產(chǎn)乙醇。通過(guò)法。對細胞進(jìn)行循環(huán)利用,可以克服細胞濃度考察反應溫度、pH值、酶濃度和酵母用量來(lái)尋低的問(wèn)題。篩選在高糖濃度下存活并能利用高找綠色木霉纖維素酶和釀酒酵母同時(shí)糖化發(fā)酵糖的微生物突變株,以及使菌體分階段逐步適轉化汽爆毛白楊木粉成乙醇的最佳條件。應高基質(zhì)濃度,可以克服基質(zhì)抑制。在纖維素酶的糖化過(guò)程中,纖維素酶的最纖維素酶法糖化中,目前常用的菌種多來(lái)適溫度為50℃左右,而酵母發(fā)酵的控制溫度是自木霉屬、曲霉屬和青霉屬。纖維素的降解需37~40℃,解決這2個(gè)過(guò)程溫度不協(xié)調的方法要一系列酶的共同作用才能完成這些酶包括:有:采用耐熱酵母(如假絲酵母、克勞森氏酵內切葡聚糖酶,外切葡聚糖酶和β葡萄糖苷酶,母);進(jìn)一步選育耐熱酵母;耐熱酵母與普通酵這3種酶協(xié)同作用,缺一不可。纖維二糖的積母混合發(fā)酵。 Zhangwen Wu181采取了非等溫累會(huì )抑制內切和外切葡聚糖酶的催化作用,將同時(shí)糖化發(fā)酵法( nonisothermal simultaneous其水解成葡萄糖,會(huì )減少這種抑制作用。葡萄 accharication and fermentation,NSsF)很好地糖的積累對于β葡萄糖苷酶的催化也有一定的解決了纖維素酶這一矛盾。抑制作用。2.2.3其他人們對半纖維素酶法糖化的研究機理不如鄧旭等19將釀酒酵母和畢赤酵母經(jīng)海藻對纖維素酶的研究深入,其中未知的東西更多,酸鈣固定化后,分別裝入2個(gè)串聯(lián)的固定床內,木聚糖分子比纖維素分子具有結構多樣和組分依次用釀酒酵母代謝葡萄糖,及畢赤酵母代謝復雜性,因而其降解難度更大。水解木聚糖分木糖研究了混合糖連續發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的新工子的酶則主要由β1,4木聚糖和β木糖苷酶構藝。楊斌等20提出了分別以P, stipitis Y成,并且所生成戊糖不宜被酵母發(fā)酵利用,需要7124和S. cerivisiae為菌株,采用氣升柱發(fā)酵木糖異構酶將木糖異構成木酮糖,再被酵母利木糖和溢流柱發(fā)酵葡萄糖的串聯(lián)發(fā)酵工藝用生成乙醇。在固定化酶及細胞發(fā)酵方面,研究最多的2.2.23同時(shí)糖化發(fā)酵法(SSF法)是酵H中國煤化工化。最近有報CNMHG(79)道,將微生物固定在汽液界面上進(jìn)行發(fā)酵的研如何高效、經(jīng)濟地回收酸,以及酸解產(chǎn)物毒性問(wèn)究報道,微生物活性比固定在固體介質(zhì)上高。題的解決方案。③在生物法(酶工藝發(fā)酵)方固定化細胞的新動(dòng)向是混合固定細胞發(fā)酵,如面,同時(shí)糖化發(fā)酵法和微生物直接轉化法中不酵母與纖維二糖酶一起固定化,將纖維二糖基同菌種的共培養和不同酶系的協(xié)同作用和反應質(zhì)轉化成乙醇。動(dòng)力學(xué)是研究重點(diǎn)。④酶的價(jià)格直接決定著(zhù)纖3以纖維素類(lèi)物質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃維素類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的成本因而纖維素酶和半纖維素酶及微生物應用技術(shù)方面的料乙醇所采用的微生物研究也是今后的熱門(mén)課題,研究?jì)热萦袑ξ⑸美w維素類(lèi)物質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,物的選擇和培養、試驗各種形式的發(fā)酵器、開(kāi)發(fā)對微生物的要求是很高的。由于自然界中缺乏各種酶的回收方法(超濾再吸附等)制取纖維可以利用纖維素類(lèi)物質(zhì)原料有效發(fā)酵生產(chǎn)乙醇酶及半纖維酶基因工程菌,還有纖維素酶、半纖的微生物,因此有必要對不同微生物進(jìn)行代謝維酶及微生物細胞固定化方面的研究。而混合工程改造,以便構造出更有效的微生物。劉翔定化細胞發(fā)酵是固定化細胞的一個(gè)新動(dòng)向等(21綜述了纖維素類(lèi)物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的代謝工如酵母與纖維二糖酶一起固定化,將纖維二糖程條件,簡(jiǎn)要描述了一個(gè)強調過(guò)程整體化的?；|(zhì)轉化成乙醇。此方法用于同時(shí)糖化發(fā)酵型,并展望了這一領(lǐng)域今后的發(fā)展趨勢。由于法,是最有前途的。⑤化學(xué)法(酸水解)與生物乙醇耐受性的分子基礎還不清楚,所以利用突法(酶水解微生物直接發(fā)酵等)能否有機地結變和篩選還是非常有效的。近幾十年來(lái),人們合,也值得研究。發(fā)現許多微生物可以很好地利用纖維素類(lèi)物纖維素類(lèi)物質(zhì)是自然界中最豐富的可再生質(zhì),但迄今為止,人們將主要精力集中在3種微資源之一。近年來(lái),隨著(zhù)人們環(huán)境意識的不斷生物上,即釀酒酵母( Saccharomyces cerevisi-增強以及政府對環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注,以纖維ae)運動(dòng)發(fā)酵單胞菌( Zymomans mobilis)和大素類(lèi)物質(zhì)為原料生產(chǎn)燃料乙醇的研究逐漸受到腸桿菌( Eschericha coli)。重視。從目前研究結果和發(fā)展趨勢來(lái)看,以纖grant2將好攜帶有運動(dòng)發(fā)酵單胞菌維素類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇不久將會(huì )實(shí)現工(Z. mobilis)的操縱子( operon)和丙酮酸脫羧業(yè)化。酶植入其他菌種,來(lái)發(fā)酵各種糖類(lèi)。同時(shí)對含有各種酶的生物體( organisms)進(jìn)行了研究,以用來(lái)水解纖維素和半纖維素,理論上,乙醇轉化1suTM. Bioconversion of plant biomass to ethanol[J]. AIChE Symposium Series, 1978, 74(181):75率為90%以上。4結論和展望2 Wyman, Charles E. Alternative transportation fuelsEr纖維素類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究已ergy Conversion Engineering Conference, 1994(3)1090~1095經(jīng)成為全世界研究的熱點(diǎn)課題之一。該領(lǐng)域今3鄧良偉,纖維素類(lèi)物質(zhì)生產(chǎn)燃料酒精研究進(jìn)展[后的研究方向主要有以下幾個(gè)方面:①在預處食品與發(fā)酵工業(yè),1995,(5):69~72理方面,單純的物理法和化學(xué)法不足以破壞纖常秀蓮.木質(zhì)纖維素發(fā)酵酒精的探討[J]酸酒科維素晶體結構以及去除半纖維素和木質(zhì)素。應5 Jeffrey S.Toln,ogem' s Process for producing在物理法與化學(xué)法相結合的優(yōu)化方面多進(jìn)行ethanol from cellulosic biomass [J]. Clean Technology些研究工作,而使纖維素和半纖維素更易被水Environment Policy, 2002(3): 339-345logy for conversion of lig解和發(fā)酵。②在化學(xué)法(酸水解)發(fā)酵生產(chǎn)燃料nocellulosic biomass to ethanol [J ]. Biomass and乙醇方面,應著(zhù)重研究解決如何減少酸的用量nrc-K1.27~375中國煤化工(80)CNMHG7劉健陳洪章,李佐虎木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的研究生產(chǎn)燃料酒精的研究[J].纖維素科學(xué)與技術(shù)J].工業(yè)微生物,2001,31(2):30~322002,10(3):35~398 Paszner. 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Applied and Environmental16張繼泉,王瑞明,關(guān)風(fēng)梅.玉米秸桿同時(shí)糖化發(fā)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氣逸盼要耕娠簍在門(mén)譽(yù)最近,法國蒙托邦一家包裝塑膠設備公司發(fā)明并生產(chǎn)了一種難以仿造的氣泡防偽塑料標簽,用于食品、電子產(chǎn)晶、紡織品及手表等的外包裝。據介紹,這種氣泡防偽塑料標簽是直徑1~10mm的塑料圓片,在冷卻過(guò)程中,會(huì )隨機形成各種氣泡圖案。由于氣泡圖案相同的幾率極小,且圖案和序號都記錄在數據庫里,消費者購買(mǎi)商品時(shí),只賈核查商品塑料標簽中的氣泡圖案是否與數據庫里記錄的氣泡圖案一致,就能辨別真偽。此外,這種氣泡防偽柝簽技術(shù)還可用在護照及鈔累上。中國煤化工CNMHG(81)