蔗渣發酵生產燃料乙醇的研究進展

黃亞瓊，孫紹發，王智斌

(湖北科技學院核技術與化學生物學院，湖北咸寧 437100)

隨著現代工業發展，世界人口激增，能源危機日趨加劇。許多專家估計，世界上已知的石油儲存量約30年內將被消耗完。所以世界各國紛紛展開新能源的研究與開發，其中以燃料乙醇的生產最為突出，而天然纖維素是地球上最豐富、最廉價的可再生資源。據資料表明［1-2］，植物每年通過光合作用，能產生高達1 515×1010t纖維素類物質，其中纖維素、半纖維素的總量為815×1010t，而每年用于工業過程或燃燒的纖維素僅占2%左右，還有很大一部分未被利用。因此研究開發天然纖維素原料的轉化技術，將秸稈、蔗渣、廢紙、垃圾纖維等纖維素類物質高效地轉化為糖，進一步發酵成燃料乙醇，對開發新能源，保護環境具有重要的現實意義［3-4］。

燃料乙醇被認為是最有發展前景的新型可再生能源之一，開發前景非常廣闊。第一代燃料乙醇以谷物為原料(例如玉米、小麥和稻米)，通過酶解轉化為糖，然后經發酵而成。第二代燃料乙醇的基礎原料是生物質，即蔗渣、廢棄的玉米秸稈和其他類型的植物纖維材料。這些原料經過纖維素酶解轉化為糖，然后再經發酵生成乙醇。第二代燃料乙醇由于其優異的環境效益受到國家政策和乙醇產業界的青睞［5］，最近這方面的研究主要集中在天然的木質纖維素上。據統計，木質纖維素原料占地球總生物量的50%，主要包括:農業廢棄物，如麥草、玉米秸稈、玉米芯、大豆渣、蔗渣等;工業廢棄物，如制漿和造紙廠的纖維渣、鋸末等;林業廢棄物;城市廢棄物，如廢紙、包裝紙等。由木質纖維素生產燃料乙醇可以變廢為寶，緩解廢棄物帶來的環境污染壓力［6］。

1 蔗渣的概述

1.1 蔗渣的特點分析 蔗渣是制糖工業的主要副產品，是甘蔗在糖廠經過多座壓榨機或用滲透法把蔗汁提取后剩下的甘蔗莖的纖維性殘渣。蔗渣產率一般為11.5% ～13.0%，約占甘蔗干重的24% ～27%(其中含水量約為50%)［7］。我國的糖廠每生產1 t的蔗糖就會產生2～3 t的蔗渣。我國是僅次于巴西和印度的第三甘蔗種植大國，南方蔗區甘蔗總產量7 000多萬 t，蔗渣的產量達到700萬 t［8］。

蔗渣一般含有干物質90% ～92%，粗蛋白質2.0%，粗纖維44% ～46%，粗脂肪0.7%，無氮浸出物42%，粗灰分2% ～3%［7］。由此可以看出，蔗渣來源集中、量大面廣，全纖維素含量高，灰分含量低，是一種重要的、較好的可再生生物質資源，其生物轉化已成為必然趨勢。蔗渣經過適當的預處理，用其作為乙醇發酵的原料，不僅解決了處理蔗渣的問題，為制糖工業的可持續發展提供了新的技術支持，也解決了燃料乙醇發酵的原料問題，變廢為寶，這對于緩解目前國際社會資源浪費、能源緊缺、環境惡化的狀況，實現社會可持續發展具有重大意義［9-10］。

1.2 蔗渣轉化為燃料乙醇的現狀 20世紀70～80年代，我國糖廠的蔗渣主要是供糖廠本身作為燃料燒掉或廢棄，這種利用方法的經濟價值非常低。蔗渣中的纖維素可轉化為糖，制成乙醇或飼料酵母。巴西從20世紀80年代開發的用蔗渣生產乙醇的技術居世界領先地位，并已在多個國家注冊了專利，運用新技術可從1 t蔗渣中提取109～180 L乙醇［11］。1980年，美國普度大學Tsao教授主持的再生資源實驗室(LORRE)成功地用D-木糖異構酶將木糖異構化成木酮糖，用酵母將木酮糖發酵成乙醇，為大規模利用半纖維素生產乙醇開辟新途徑。為了合理有效地利用蔗渣，古巴政府與聯合國開發總署簽署并成立了工業技術基金會(FII)，其任務是，以蔗渣為原料，通過酶法來生產乙醇。日本三家公司建成一個新型的擁有最先進設備的乙醇廠，他們將蔗渣粉碎，然后用產生纖維素酶的細菌處理，將纖維素分解為糖，再用固定化酵母連續發酵生產乙醇。每天處理720 kg蔗渣，可以生產200 L的乙醇［12］。目前，世界產糖大國，如巴西、古巴、中國等日益重視蔗渣的深加工利用，其重點在于把大量的蔗渣纖維素經濟、有效地水解成還原糖，并進一步發酵生產燃料乙醇、生物柴油等重要產品［13］。

2 蔗渣生產燃料乙醇的方案

2.1 蔗渣生產燃料乙醇流程 木質纖維原料生產乙醇是未來燃料乙醇的發展方向，蔗渣和其他的木質纖維原料一樣，其生產燃料乙醇主要流程見圖1［3］。原料首先經過物理、化學和生物方法預處理得到糖化液，然后經微生物菌株(釀酒酵母、運動單孢菌)發酵生產乙醇，再進行蒸餾，脫水得到無水乙醇。木質纖維原料生產燃料乙醇主要存在以下兩方面的問題:①木質纖維預處理與酶解效率偏低;②缺少對木質纖維水解糖液中的毒性物質具有耐受性、具有良好乙醇生產性能，能充分利用水解液中的已糖和戊糖的微生物菌株。

圖1 蔗渣生產燃料乙醇主要流程

2.2 蔗渣的預處理方法 基于纖維質原料結構的復雜性和致密性，如圖2，對其進行適當的預處理，可以提高轉化利用率和轉化效率。預處理目的就是破壞纖維質原料的致密結構，破壞木質素對纖維素的包裹作用，降低纖維素的結晶度。高效的預處理可以減少纖維質原料酶解過程中纖維素酶的用量，從而降低酶轉化的成本，提高纖維素制乙醇的經濟可行性［14］。目前常用的預處理方法主要分為:物理法、化學法以及生物法。

圖2 木質纖維素的交聯結構示意

2.2.1 物理法。蒸汽爆破法是目前國內外研究最多的物理方法之一，其主要作用在于去除半纖維素。它將纖維素原料和水或水蒸氣快速加熱至180～210℃，保持1～10 min后，立即降壓，高壓蒸汽滲入至纖維內部，以氣流的方式從封閉的空隙中釋放出來，造成纖維發生一定的機械斷裂;同時高溫、高壓加劇了纖維素內部氫鍵的破壞和有序結構的變化，游離出新的羥基，提高了纖維素的吸附能力，也促進了半纖維素的自水解以及木質素的軟化［15］。Martin等采用蒸汽爆破法處理蔗渣，用能利用木糖的的釀酒酵母，在溫度為30℃時發酵不脫毒的水解液，24 h就可達到38%的乙醇得率［16］。Purchuse等用蒸汽爆破法預處理蔗渣，同時糖化發酵可使80%的纖維素成分轉化乙醇，其可利用糖的基質濃度為5%，纖維素酶僅為 5 U/g［12］。

2.2.2 化學法。酸法和堿法是最常用的化學法。酸處理是通過水解糖鏈與木質素相連，以及木質素本身之間緊密相連的基團，破壞木質素的結構。堿處理主要是消化木質素的矩陣結構，并使纖維素結構發生腫脹和膨化，使纖維素酶更容易接觸到纖維素和半纖維素。Hernaddez-Salas等用1.2%(V/V)的HCl在液固比為15∶1，溫度為121℃，壓力為1.1 kg/cm2條件下處理蔗渣4 h，可以得到37.21%的產糖率［17］。Cheng等用1.25%(W/W)的 H2SO4在121 ℃，1.5 kg/cm2條件下處理蔗渣120 min，蔗渣底物濃度為10%時可以得到59.1 g/L 的總糖［18］。Peng等用3%的 NaOH，以 25∶1的液固比，在50℃下處理蔗渣3 h，可以得到27.65%的產糖率［19］。

2.2.3 生物法。生物法目前應用最多的是白腐菌。白腐菌有纖維素酶、半纖維素酶類，在降解木質素的同時還會造成部分纖維素和半纖維素的損失。它們屬于擔子菌類的真菌，主要是通過木素過氧化酶、錳過氧化物酶和漆酶等木質素分解酶系有效并有選擇地降解植物纖維原料中的木質素，從而提高其酶解效率［20］。研究發現，從南美分離出的42種白腐菌處理長纖維蔗渣30和60 d后，主要是降解了木質素，大部分的菌株都能引起殘留纖維相對含量的增加，經膨化后的蔗渣用白腐菌處理，酶解率高達92%［21］。

2.3 蔗渣的酶解糖化及發酵 蔗渣主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，這幾類化合物的降解都需要多種酶共同作用才能完成。不同來源的纖維素酶具有不盡相同的性質，纖維素酶的3種分解纖維素組分酶的比例可能不同。多酶在蔗渣降解試驗的結果表明:用單一纖維素酶降解蔗渣，生物轉化率一般很低，用多酶降解蔗渣，能夠提高纖維素及半纖維素的分解效率。研究者用不同纖維素酶酶解蔗渣，最高水解率為62.2% ，最低為43.2%;在纖維素酶中加入半纖維素酶酶解蔗渣，蔗渣水解率有不同程度的提高，最大提高到31.0%［22］。

在發酵生產燃料乙醇的過程中，對于蔗渣轉變乙醇中生成物纖維二糖、葡萄糖的抑制作用和同時糖化發酵都引起了人們的重視。所謂同時糖化發酵，就是把可將糖轉化成乙醇的酵母種到有纖維素、纖維素酶或產生纖維素酶的微生物的糖化器里，使糖化發酵同時進行。糖化生成的葡萄糖由能夠轉化成乙醇的微生物直接將其轉化為乙醇，從而消除了葡萄糖的抑制作用?；木扔脡A處理稻草，纖維素酶為Acuceladse和Meielase的混合酶，及酵母進行同時糖化發酵，單式糖化率為58%，而同時糖化發酵則纖維素幾乎完全被分解［12］。如果添加木糖異構酶，乙醇轉化率大幅度提高，乙醇收率可達理論值的92%～95%。

3 小結與展望

蔗渣雖然是糖廠的廢棄物，但其中含有大量的綜纖維素(纖維素和半纖維素)，用其生產燃料乙醇被給予厚望。鑒于能源、環境和再生資源利用等問題，蔗渣的預處理、糖化和轉化為乙醇的研究已勢在必行，并將帶來巨大的經濟效益和社會效益。盡管目前仍存在一些困難和問題，但相信隨著科學研究不斷地深入，有效利用蔗渣生產燃料乙醇將日趨成熟。

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