木质纤维素生物炼制及乳酸制备研究进展

唐 勇 ,苏肇秦,赵丹青,蒋建新

(北京林业大学材料科学与技术学院,北京100083)

1 引言

化石原料提供了当今社会需要的大部分交通燃料以及大量化学品。科学技术的进步提高了化石原料精炼及利用效率,因此也加快了化石原料的消耗速度并带来了日益严重的环境问题,这迫使寻求替代能源和化学品炼制方式成为社会可持续发展的必然要求。

地球上具有广泛易得的生物质资源,农业、林业以及人为控制的和非人为控制的微生物系统都能生产可再生碳基原材料,同时可再生碳基原料的使用能降低CO2净排放值,具有环境友好特性。因此以生物质为原料的生物炼制是维持社会和实现化学产业可持续发展的必然要求[1]。生物炼制一般过程是首先将原料的高分子物质采用酶水解转化为可发酵性糖基平台物质,然后通过生物催化过程将其转化为燃料或系列化学品。生物炼制采用蔗糖、淀粉或者纤维素为原料,其炼制方式也是基于不同原料的天然属性发展而来。众多的生物质资源中,木质纤维原料属于非粮食原料,因此基于木质纤维原料的生物炼制方式是目前的研究热点。

乳酸(LA)是一种重要及多用途的化学品,用于食品、医药以及高聚物等多个产业。乳酸通过聚合可以合成聚乳酸(PLA),这种高分子材料具有良好的生物可降解性,因此乳酸更加受到研究者的关注。目前乳酸生产有化学合成和微生物发酵法,世界近90%的乳酸时通过细菌发酵合成[2]。生物基乳酸炼制是采用生物质作为原材料,通过微生物发酵过程最终生成具有光学纯度的乳酸的过程。

2 生物炼制原料

第1代生物炼制采用蔗糖基原料,第2代生物炼制采用淀粉基原料,第3代生物炼制采用纤维素基原料。对比3代炼制方式的可发酵碳成本,目前第1代最具竞争力,第3代生物炼制成本最高。研究指出据估计每年仅有1.7%的蔗糖用于非粮食生产。淀粉类原料可以相对容易转化为可发酵糖,是目前最理想的乳酸发酵原料。我国的生物炼制产业近期最有可能采用甜高粱和木薯作为原料[3]。在粮食短缺的当今世界不提倡使用蔗糖和食用淀粉作为炼制原料,与此同时即使使用淀粉及蔗糖用于生物炼制,它们的供应仍然不能满足未来生物炼制厂对原料的需求。因此长远考虑,开发纤维素基原料的生物质是具有重要意义的。

木质纤维原料优势明显：一方面原料低廉易得;另一方面其生物炼制体系适合产品谱系的生产,木质纤维原料的生物炼制体系最有潜力实现工业化,其过程见图1。

图1 木质纤维为原料的生物炼制

发展和优化木质纤维原料生物炼制过程是近年来研究热点。小麦秸秆水解对欧洲经济是重要的,美国采用玉米秸秆进行生产。我国是农作物秸秆的生产大国,因此我国发展生物炼制具有原料优势[3]。木质纤维原料利用存在以下难点：纤维素生物质具有比淀粉更复杂结构,半纤维素和木质素对纤维素的包裹作用以及纤维素本身具有的两相结构大大降低了纤维素的可及度,因此难于利用;酶高需求量并且高成本使木质纤维至今仍然无法被大规模商业化利用;木质纤维原料含有可观的五碳糖,只有充分利用这些五碳糖才能实现高效的原料利用率。因为持续的技术提高能降低纤维素基生物炼制成本,潜在的未来生物炼制的原料仍将是木质纤维素原料。

3 木质纤维基乳酸制备

3.1 木质纤维原料预处理

目前木质纤维原料多种预处理方法已有不同程度上的研究和应用,常用的方法有稀酸处理、生物处理法、有机溶剂法、碱处理法以及蒸汽爆破法[4]：稀酸处理能有效提高纤维素水解效率;同时能高效回收五碳糖;有机溶剂法几乎可以完全去除半纤维素及木质素,但其对设备及有机溶剂回收要求高;生物处理简单易行并且具有环境友好性,但处理周期长：NaOH处理法有较强的脱木质素和降低结晶度能力,但同时能分解半纤维素使生物质损失,并且这种处理方法需要的后期中和处理增加这种预处理的成本;蒸汽爆破具有处理时间短,不用或少用药品,节能环保,无回收工艺等优点,是一种较为理想的预处理技术。

应用蒸汽爆破处理木质纤维原料有可能降低生物炼制成本,蒸汽爆破预处理通过有效地破坏木质纤维素结构及木质素、半纤维素的结合层,增加酶促反应的有效比表面积。低强度的蒸汽爆破对原料处理不够,而高强度的蒸汽爆破一方面耗能多,另一方面会损失物料,因此优化蒸汽爆破条件有重要意义[5]。结合多种预处理方法能提高蒸汽爆破处理效果。原料蒸汽爆破前后采用一定化学处理或水处理能提高蒸汽爆破效率[6],同时减少对后期利用有抑制作用的物质[7]。

除了传统预处理,近来研究也关注一些新型的预处理方式,比如超(亚)临界预处理和离子液体预处理。葡萄糖在超临界水中分解反应速度都很大[8],葡萄糖的降解降低了生物质可利用率。赵岩等[9]的研究表明超临界和亚临界组合优于两者单独使用,但是这种组合技术对天然木质纤维原料的适用程度还有待进一步研究。尽管超(亚)临界预处理优点明显,但其复杂的过程及过程产生大量酶和微生物的抑制产物使得其在生物炼制中大规模应用还需要更多的研究。近期研究开发新型的纤维素溶解溶剂离子溶剂,具有不易挥发并具有很好的化学及热稳定性,同时溶解纤维素效果理想。尽管离子液体处理能大大提高酶解效率[10],但是成本使其不宜在工业大规模生产中应用[11]。

3.2 酶水解

目前酶成本是纤维素降解过程的最重要成本之一,如何降低酶成本也是研究热点[12]。酶成本的降低可以通过两方面实现,一方面是降低单位酶的生产成本,另一方面是提高单位酶酶活力以降低酶用量。使用突变及筛选改进生产菌株,利用纤维素作为碳源及其高产率菌株生产能降低成本。商业化酶是无细胞、稳定的浓缩物,提取和复配成本占了生产成本的大部分,因此在满足应用需求时减少发酵后处理可以降低发酵成本。基于这点,有研究考察了产酶微生物共发酵或者直接使用粗酶液进行炼制过程[12,13]。酶性能的改善主要研究焦点集中于增加纤维素酶的热稳定性[2]。有研究表明一些表面活性剂的使用能减少酶用量[12,14],在不增加太多后期处理成本的情况下,这些做法是可取的。一些产酶混合菌群或者纤维素酶的互配也能提高效率[12,15]。同时针对将要使用的特定底物及预处理方法,对酶系统进行优化也是必要的。此外其它一些措施也能降低酶成本,比如嗜热微生物的使用能减少酶的消耗[16-18],回收利用纤维素酶,有研究表明从汽爆预处理的水解硬木残渣和水解液中回收纤维素酶是可行的,大约可以节省成本130%～427%[19]。

3.3 乳酸发酵微生物

目前,商业化的乳酸生产菌株有乳酸杆菌、杆菌及根霉菌属。传统乳酸菌在乳酸工业生产中占主导地位[1],研究也在开发酵母和谷氨酸棒状杆菌用于乳酸生产。乳酸菌需要复杂的营养条件,从而需要相对高的发酵成本,同时也影响纯化乳酸经济性,研究关注降低这方面的成本,廉价的天然含氮物质替代酵母浸出物能降低乳酸生产成本[20～22]。多种乳酸菌的共发酵同样可以降低对培养基的要求,不需要有机氮的双岐杆菌种可在培养基内分泌大量多种氨基酸以满足其他乳酸菌需要。大肠杆菌能在简单的矿物培养基中生长,能利用己糖和戊糖,副产物多而产量低。谷氨酸棒状杆菌广泛用于工业生产氨基酸,谷氨酸棒状杆菌在无氧环境下能利用葡萄糖在无机盐培养基中产有机酸,据此开发谷氨酸棒状杆菌生产LA系统,这种系统产生高光学纯度的L-及D-LA同时明显也产生其它有机酸。根霉菌属中米根霉耐低pH,营养要求低,菌体大容易分离,发酵产生唯一的具有高光学纯度乳酸,但是产率低[23]。酵母比细菌更能耐受低的pH,Min-Tian Gao[24]等利用代谢工程得到的酿酒酵母OC-2T T1-185R,在pH低于3.5时仍能高效产乳酸。基因改造酵母能实现高光学纯度LA的生产,但是他们不是产率较低就是需要较长的发酵时间。

目前基于木质纤维原料利用微生物改造研究集中在直接利用纤维二糖的菌株、高忍耐发酵抑制剂的菌株、嗜热耐酸菌株及五碳糖利用菌株的开发。乳酸菌不能直接对纤维素或多于4个葡萄糖单体的纤维低聚糖进行LA发酵[25],但是开发能直接利用纤维二糖的菌株具有重要意义,因为纤维二糖是纤维水解后一个主要低聚糖化合物,同时也是降解晶状纤维素的主要酶 CBH s的强力抑制剂[26]。Mukund[2]使用突变体UC-3利用高浓度纤维二糖生产乳酸,产率达到0.9g乳酸/纤维二糖。研究表明改造酵母也实现了对纤维二糖的利用[1]。蒸汽爆破过程会产生对后续水解及发酵的抑制物质,去除这种不利物质会增加操作步骤并且损失部分可发酵糖[27],所以如果能提高菌种对发酵抑制剂的忍耐力就能降低处理过程的强度[28,29]。提高菌种对发酵抑制剂的忍耐力除了突变、筛选及基因手段,还有一种更为简单的方式,有研究表明采用纤维水解液进行培育的微生物能一定程度上适应水解液中抑制剂,使用这种自适应微生物发酵能提高产品产量[30]。研究表明嗜热菌的利用能提高酶利用效率,从而降低酶用量[16]。乳酸生产原料中,纤维素的水解伴随着半纤维素水解而产生一定量的五碳糖。充分利用这些五碳糖显然能提高生物质利用率。通过基因工程改造谷氨酸棒状杆菌[31,32]已经实现了对木糖、树胶醛糖及纤维二糖的发酵。但是基于酵母利用木糖和树胶醛糖改造还仅见于乙醇生产中[33,34]。Ronald等[35]研究表明米根霉真菌也能够转化木质水解液中大量存在的戊糖如木糖。这些研究使得发酵半纤维素水解产物生产乳酸成为可能。

3.4 乳酸发酵

乳酸发酵可以采用分步糖化发酵(SHF)、同步糖化发酵(SSF)、同步糖化共发酵(SSCF)以及综合生物过程(CBP)[3]。同步糖化发酵是在同一反应器中同时进行水解和发酵,是目前常用的发酵过程。相比分步发酵,同步发酵能减少酶水解产物对酶的抑制作用,同时过程反应容器的减少也降低设备投资。但是不使用嗜热发酵微生物的SSF的发酵温度一般不高于45℃,牺牲酶水解的效率以保证发酵微生物的活力[18]。其次同步发酵结束后很难对菌体及酶进行回用,这使得同步发酵过程宜降低菌体浓度同时使用高固体负载进行发酵。分步过程需要较多的设备投资和长的过程时间,这使得尽管分步过程能得到较高的原料纤维转化率,但是其生产力比同步发酵低。

固体化细胞能保护细胞不受外界不利条件的影响,实现连续生产。固定化细胞具有良好的稳定性及可重复利用性。沈雪亮等[36]将富含纤维二糖酶的黑曲霉孢子和德氏乳酸杆菌细胞共固定在海藻酸钙凝胶珠中,耦联共固定化细胞体系与纤维素原料的酶水解体系,利用这种组建成新型串联式生物反应器发酵乳酸,反复分批协同反应试验表明共固定化细胞具有持续、稳定、高效的乳酸生产能力,可以重复利用。

底物抑制和产物抑制是生物反应中限制生产强度和产物浓度的两个主要因素,SSF能有效降低底物抑制,生物炼制与生物分离的组合系统则能降低产物抑制。Seyed等[37]比较了离子交换原位分离培养基中乳酸的发酵方式和平常普通的发酵方式,结果表明使用离子交换树脂用于分离乳酸和自动pH控制器进行在线控制pH,在优化工艺条件下原位发酵的生产力是普通发酵体系的5倍。发酵与萃取耦合的原位分离技术能简化原有发酵工艺,并且消除产物抑制从而提高了发酵转化率,M in-Tian Gao[38]等的研究表明这种萃取发酵的可行性。

4 乳酸的精制

生物炼制得到的乳酸产品需要精制才能应用于聚乳酸生产。近年来研究者尝试各种精制方法,如分子蒸馏法、酯化水解法、电渗析法和膜分离法。分子蒸馏是一种真空蒸馏技术,高真空度(系统绝压约0.1Pa)条件下进行的非平衡连续蒸馏过程[39]。由于分子蒸馏的操作温度远低于常压沸点并且物料被加热的时间短,过程中物质本身基本不受到破坏,因此这种技术适合于分离低挥发度、高沸点、热敏性和具有生物活性的物料。分子蒸馏是一种很好的乳酸精制技术,工艺简单、步骤少,但设备投资大,适合乳酸的深加工。酯化法是获得高纯度乳酸的有效方法之一,酯化反应化学平衡的限制酯化法产率,近年来,高效催化剂和工艺的开发以及和膜技术发展推动了酯化法新的发展[40～42]。膜分离技术作为新型化工分离技术之一,具有低成本快速,易于放大,可连续操作等优点。近年来材料的发展促进膜技术在各领域的广泛应用。膜分离技术中的超滤和微滤能用于乳酸发酵液前期澄清处理,纳滤、反渗透及和电渗析结合的膜分离能用于精制[43],利用耦合纳滤膜和反应器也可以实现乳酸半连续生产。纳滤和反渗透过程精制得到的乳酸能满足食品乳酸生产要求。膜分离技术的应用仍然要考虑吸附和浓差极化的问题。

普通电渗析法是利用选择性的离子交换膜在电场作用下使离子发展定向运动,从而达到离子的浓缩。利用普通电渗析可获得较纯净的乳酸盐溶液。双极膜电渗析是新型的技术,不同于普通电渗析,双极膜层使水发生解离从而可以分解乳酸盐制备乳酸和碱,因此在从乳酸盐制备乳酸时具有独特的优势[39,43]。电渗析过程制备乳酸具有简单、物耗降低、三废排放少,同时乳酸产品质量高明显优势,但是其不能单独用于乳酸精制,先利用其它预处理技术(微滤,其它膜分离技术等)获得较为纯净的乳酸盐溶液,之后利用双极膜电渗析过程进行精制。

5 结语

目前每年聚乳酸的生产能力450万kg,而塑料总产量2 000亿kg。究其原因是聚乳酸生产成本较高,不能和化石原料生产的塑料竞争。聚乳酸生产成本包含单体乳酸生产成本。因此需要降低乳酸生产成本。木质纤维基乳酸的生物炼制是一种有前途的乳酸生产方式,其原料来源广泛而低廉,同时相对化学合成更具有环境友好性,被认为最符合采用非粮食生产乳酸理念的炼制方式。当前的技术实现其工业化还有很大差距,因此研究致力于降低炼制成本。生物炼制乳酸面临前所未有的机遇和挑战,整合生物炼制各过程、全面利用生物质材料以及经济炼制是应对挑战的方法。

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