秸秆生产燃料乙醇的技术研究

侯玉洁，张建刚，夏 晨，侯小辉

（1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏 扬州 225009；2.新疆阿勒泰市畜牧兽医站，新疆 阿勒泰 836500）

石油是一种不可再生资源，随着石油资源的紧缺，寻找和开发新的燃料资源迫在眉睫，生物能源因其储存量大，作为可转化为液体燃料的可再生资源，发展最快的是燃料乙醇，2004年巴西以甘蔗为原料生产燃料乙醇1200万t；美国以玉米为原料生产燃料乙醇1000万t。糖蜜、粮食淀粉和木质纤维素都可用来生产燃料乙醇，但要依靠糖蜜和粮食淀粉作为原料来解决用量很大的燃料问题显然是不现实的。燃料乙醇是最现实的液体燃料替代用品之一，大力发展燃料乙醇的产业化进程已经成为处理秸秆有效方式。

1 预处理方法

秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白和水构成，难溶于水和其他有机溶剂，化学性质相对稳定，充分的预处理能破坏细胞壁表明的包裹，使得纤维素酶能与作用底物充分接触，原料预处理技术可以部分破坏木质素的包裹作用以及纤维素的结晶结构，聚合度下降。实验室中秸秆预处理的方法主要包括物理法、化学法和生物法。

1.1 物理法

1.1.1 机械粉碎

机械粉碎主要是利用球磨将纤维素物质粉碎，进而促进糖化。机械破碎后，木质素仍被保留，但木质素和纤维素与半纤维素的结合层被破坏，降低聚合度。机械粉碎可提高其后续反应的接触面积，从而提高其反应性能和提高水解糖化率，有利于酶解过程中纤维素酶或木质素酶的进攻。但是粉碎处理的高糖化率的程度有限，耗能大，其能耗占工艺过程总能耗的50%～60%，而且有些材料还是不适合粉碎处理的。

1.1.2 声波电子射线法

声波电子射线法需要高能射线流发生装置，用微波或超声波对纤维素进行预处理，将物料粉碎成极小的颗粒，可增大其表面积，提高纤维素的可接触性；还可破坏其结晶性，提高纤维素的反应活性，使其在以后的糖化阶段更易于加快反应速率。Xiong等研究了微波对纤维素Ⅰ超分子结构的影响，发现微波作用没有引起纤维素化学结构和结晶形成的变化，但使得结晶度和晶区尺寸增大[1]。

1.1.3 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法作为一种物理方法，使纤维素结合层受到破坏，提高对酶作用的敏感性，可以有效地分离出活性纤维，并且不用或少用化学药品，对环境无污染且能耗较低，是近年来发展快、成本低、比较有效的木质纤维高效分离技术。在高温、高压蒸汽中，植物原料经过蒸煮产生一些酸性物质，使半纤维素降解成可溶性糖，同时复合胞间层的木质素软化和部分降解，从而削弱了纤维间的黏结，为爆破过程提供选择性的机械分离，同时在蒸汽爆破瞬间完成的绝热膨胀过程对外做功，使物料从细胞间层解离成单个纤维细胞。但蒸汽爆破法的高温高压蒸汽使部分半纤维素的乙酰基水解，生成的乙酸、糠醛酸等能够催化半纤维素继续水解生成糠醛等物质，易导致木糖损失＞50%。总之，经过物理方法处理过的秸杆，既能增加酶对纤维素的亲和性，还使得还原糖产出率提高。

1.2 化学法

1.2.1 酸处理法

一般用来处理纤维素原料的酸可以用强酸（硫酸），也可以用烯酸，由于生产设备的限制，烯酸法以其对设备耐酸性要求较低，较之强酸也能有效水解纤维素，越来越受到青睐。强酸预处理方法是将粉碎颗粒送入预处理反应器，蒸汽温度为200～250℃时，高压蒸汽和硫酸对原料进行处理，持续时间＜1 min，然后快速释放压力。稀酸预处理方法主要有高温（温度＞160℃）、连续反应和低温批次方法。稀酸预处理方法在后期需要用大量的碱液来中和残留的酸，对环境也有很大影响。

1.2.2 碱处理法

碱处理的作用机理是通过碱的作用来减弱纤维素和半纤维素之间的氢键，其效果取决于原料中木质素的含量。稀NaOH溶液处理原料可以使得物料的孔隙率和渗透性不断增大，聚合度和结晶度减小，使木质素和糖之间的结合键分离，分裂木质素结构。Kaar等对玉米秸秆进行了石灰预处理，每g生物质加入Ca（OH）20.075 g和水5 mL，在120℃下加热4 h后，玉米秸秆的酶水解能力比预处理前有了很大的提高[2]。碱性过氧化法与传统的碱处理法的水解产物有所不同，利用10%浓度的KOH萃取麦秆然后碱性漂白，得到的半纤维素成分中木糖的含量较高，利用2%H2O2在碱性条件下萃取麦秆，得到的半纤维素成分中阿拉伯糖和葡萄糖的含量较高。

1.2.3 氧化法

氧化预处理是指利用臭氧、氧气、过氧化氢、过氧酸等多种氧化剂对原料进行处理，氧化去木质素，在H2O2的存在下，过氧化物酶可以催化氧化木质素。脱除原料中的木质素，并使原料本身发生物理和化学变化，以有利于后续纤维素的水解。目前常用的为湿氧化法，即在较高的温度和压力下，利用水和氧气，氧化降解植物纤维原料。Varga等用湿氧化法在195℃、1.2×103kPa条件下，对60 g·L-1的玉米秸秆预处理15 min，其中60%的半纤维素、30%的木质纤维素被溶解，90%的纤维素呈固态分离出来，纤维素酶解转化率达85%［3］。纤维素遇碱后膨胀，加入Na2CO3作用在于防止纤维素被破坏，半纤维素与木质素大部分溶解于碱液中，进而有效的与纤维素进行分离，得到高纯度的纤维素。

1.3 生物法

生物法是利用棕腐真菌、白腐真菌和软腐真菌对半纤维素和木质素进行处理，能有效降解纤维素和木质素。生物预处理方法较物理、化学预处理方法更好，原因在于需要环境条件缓和，但是就提高转化率还有待进一步研究。Song等利用白腐菌降解秸秆中的木质素。经过微生物预处理后，秸秆中的木质素降低，且木质素降解率越高，乙醇产量越高。采用固态培养技术降解木质素，乙醇产量为15.8%［4］。

2 纤维素酶水解

在经过预处理的秸秆原料基础之上，需要经过进一步的糖化水解才能成为可以被微生物利用的单糖。实验室中常用的水解方法主要为酸水解和酶水解。酸水解对工艺条件要求苛刻，其回收困难，后期处理不方便，会对造成环境污染；酶解法条件温和，利于环境保护。因此，在纤维素乙醇发酵过程中所应用的纤维素酶包括葡聚糖内切酶（ED）、纤维二糖水解酶（CBH）和β-葡萄糖苷酶（GL）。这3种酶协同作用，缺一不可。酶水解纤维素历程分3步进行，内切葡聚糖酶杂乱地水解纤维素底物分子的糖苷键，生成小的葡聚糖；外切葡聚糖酶从其链端将其水解生成纤维二糖和其他更小分子的低聚糖；β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖成为葡萄糖。虽然酶的作用条件适宜且实用性较强，但是确保酶达到一定的利用率是关键问题。

3 菌种与发酵工艺

3.1 菌种

要以秸秆水解液为底物发酵生产乙醇，必须选育或者构建能够同时代谢五碳糖和六碳糖的微生物，同时要求微生物对抑制物具有一定的抵抗能力。国内外很多研究人员致力于同步代谢五碳糖和六碳糖的微生物菌株的构建工作，并对重组菌株的发酵工艺进行了探索，其中研究最多的菌株是酿酒酵母和运动芽孢杆菌。

3.2 发酵工艺

由于秸秆中纤维素含量较多，水解得到一定浓度的木糖，然后木糖对纤维素酶水解有一定的抑制作用，如何减少木糖的累积作用，将其及时转化为酒精是值得探讨的问题。

3.2.1 直接发酵法

直接发酵法是基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产乙醇，不需要经过酸水解或酶解前处理过程。可直接发酵的细菌有嗜热菌（40～65℃）和极端嗜热菌（65℃），研究最多的是热纤梭菌，其是嗜热产芽孢的严格厌氧菌，革兰氏染色呈阳性，能够分解纤维素，并能使纤维二糖、葡萄糖、果糖等发酵。目前看来，热纤梭菌是将纤维素直接转化为乙醇的最有效菌种。在分解过程中，处理工艺简单，但是乙醇产率还有待于提高。

3.2.2 间接发酵法

间接发酵法是利用纤维素酶水解纤维素，得到的葡萄糖发酵产生乙醇，由于末端生成产物的积累，必须持续的从发酵罐中移除乙醇，目前实验室中通常采用的方法主要有减压发酵法、快速发酵法等。

3.2.3 固定化细胞发酵法

固定化细胞发酵法可以使得细胞连续使用，反应器细胞浓度升高，进而提高发酵液乙醇浓度，常用的载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃等。目前研究最多的是酵母和运动发酵单孢菌的固定化。

3.2.4 同步糖化发酵法

同步糖化发酵法（SSF法）先用纤维素酶水解纤维素，酶解后的糖液作为发酵碳源。由于酒精产量受末端产物抑制，主要受低细胞浓度以及底物基质抑制，为了克服反馈抑制作用，有研究指出，在同一个反应罐中进行纤维素水解（糖化）和酒精发酵的同步糖化发酵法。纤维素的水解和发酵是在同一个发生装置中进行，水解得到的葡萄糖在菌体的分解作用下及时分解，减少了对纤维素酶的抑制作用。

3.2.5 非等温同步糖化发酵法

非等温同步糖化发酵法（NSSF）是由SSF法衍生而来。实验室研究表明，糖类发酵最适温度为35℃，然而水解糖化适宜温度约为50℃。协调这两个温度指标，实现尽可能一致，对于提高乙醇生产效率至关重要。NSSF法通过热量交换“畅通”能量传递，在确保水解和发酵温度最佳的条件下减少能量损失。

4 小结

以作物秸秆生产燃料乙醇成为当今世界研究的热点，全世界很多国家早已开始了探索能源之路，而用秸秆生产燃料乙醇还未能大规模的步入工业化进程，在预处理方面应该尝试结合物理和化学处理方法进行深入探索；在纤维素水解过程中提高酶的产量和纤维素活性以及提高酶的利用率；纤维素酶、半纤维素酶研究过程中对微生物的选择和培养等进行更加深入细致的研究。

[1]熊犍,叶君,梁文芷,等.纤维素醚/Eu（Ⅲ）/羧酸配合物的结构及荧光性能[J].华南理工大学学报:自然科学版,2000,28（3）:28-32.

[2]Kaar W E,Holtzapple M T.Using lime pretreatment to facilitate the enzymic hydrolysis of corn stover[J].Biomass and Bioenergy,2000,18（3）:189-199.

[3]Varge E,Schmidt A,Reczey K,et al.Pretreatment of corns tover using wet oxidation to enhance enzymatic digestibility[J].Applied Biochemistry and Biotechnology,2003,104（1）:37-50.

[4]Song A,Wu K,Zhang B L.Biodegradation of strawstalk and exper⁃iment of ethanol ferm entation[J].Wuhan University Journal of Natural Sciences,2007,12（2）:343-348.