木質纖維素生產燃料乙醇的關鍵技術研究現狀

曹炎鑫

【摘要】作為僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，生物質能源地位越來越重要。而木質纖維素的預處理技術則能夠對燃料乙醇的生產具有直接的影響。本文主要從木質纖維素乙醇生產的關鍵技術入手，重點預處理技術、水解及發酵等關鍵環節進行了分析和闡述，并對木質纖維素生產燃料乙醇的市場前景進行了展望。

【關鍵詞】木質纖維素；燃料；乙醇；預處理技術

引言

木質纖維素取材廣泛且造價低廉，主要由纖維素、半纖維素構成，是重要的燃料乙醇的生產原料。就目前而言，雖然利用木質纖維素進行燃料乙醇的生產技術已經初具可行性，但因其生產工藝十分復雜，且耗能較高等問題，對木質纖維素生產燃料乙醇形成嚴重的阻礙。本文針對其生產過程的幾項關鍵技術進行了分析、研究。

1、木質纖維素乙醇生產的關鍵技術

1.1 預處理

1.1.1 物理方法

（1）機械粉碎。所謂的機械粉碎指的是使用球磨、碾磨等設備對纖維素加以粉碎的過程。粉碎后的物料粉末是不具備膨潤性的，且體積較小，基質濃度較高，對于酶解過程中的木質素酶以及纖維素酶的揮發有著重要作用，然而處理效果不盡人意，且具有較高的耗能。

（2）熱液處理。將物料投入高壓熱水中，可以使得物料中的半縮醛鍵斷裂并形成酸，而在酸的作用下，半纖維素就會水解成為單糖。經過預處理的纖維素酶解效率較高，且其水解物可以直接用于燃料乙醇的生產。

（3）微波處理。微波處理操作簡便、用時短且具有明顯的糖化效果，然而成本較高，使得工業化應用過程中受到限制。微波處理不僅能夠對植物纖維素中的超分子結構加以改變，導致纖維素結晶區的尺寸出現變化，還能對木質素和半纖維素進行講解，有效提升植物纖維素的糖化效率。

（4）超聲波。超聲波形成的空化作用對傳質具有一定的強化作用，同時對材料結構也具有一定影響。眾所周知，木質纖維素是由纖維素、半纖維素以及木質素三部分構成，因此想要取得良好的處理效果，就必須進一步降低發酵過程中的傳質阻力，同時將其包裹結構打破。

（5）高能輻射。該方法主要是通過對電子射線、γ射線來預處理纖維原料，已達到增加其活性和降低聚合度的目的。其中電子輻射不僅能夠降低纖維素的聚合度，改變分子量的結構特性，促使其集中分布，還能夠松散纖維素的結構，并對纖維素晶體結構產生重要影響，增加纖維素的活性，對其后續的水解十分有利。

1.1.2 化學方法

（1）稀酸處理法。通常情況下，可在130-200℃采用0.5%-1%稀硫酸與木質纖維素進行反應幾分鐘，從而使得原料的結構得以疏松，對纖維素的結晶結構得以破壞，大大提升了水解速率。在這一過程中，半纖維素能夠有效水解成為木糖。

（2）氨回收過濾法。氨溶液在150-170℃高溫下，可以對木質纖維素進行充分潤漲，對半纖維素及木質素之間的化學鍵造成了嚴重破壞。使用氨回收過濾法能夠有效出去七成以上的木質素，并水解五成的半纖維素，使得九成以上的纖維素得以保留。

1.1.3 物理化學法（蒸汽爆破法）。當前，木質纖維原料預處理過程中，使用最為廣泛的便是蒸汽爆破法。具體步驟如下：第一，物料用水加熱到200℃，保持0.5-15分鐘，生物質細胞壁結構在高溫高壓下，極易被水分子穿透，并迅速減壓，導致纖維結構出現機械斷裂。與此同時，高溫高壓對纖維素內氫鍵結構造成了一定的破壞，新的羥基產生，大大提升了纖維素的吸附能力，對木質素的轉化和半纖維素的水解具有一定的促進作用。蒸汽爆破技術成本較低，預處理效果良好，但是對設備具有較高的要求，能耗大，且預處理過程中會產生糖醛等有害物質。

1.1.4 生物法。通常情況下，可以使用褐腐菌、白腐菌以及軟腐菌等微生物對木質素進行講解。因生物法對設備要求不高，成本低廉，對于木質素的分解和消化有著較高的效率，然而生物法尚處于試驗階段，還未大規模的用于工業生產。

1.2 水解

1.2.1 酸水解。在催化作用中，使用無機酸能夠將纖維素有效轉化為單糖，成本較低。但是在整個濃酸水解中，還會產生一些有機酸、酚類以及醛類化合物等物質，這些物質對微生物的發酵有著一定的抑制作用。因超低酸水解對設備要求低、環境污染小，逐步被人們所關注。

1.2.2 酶水解。所謂酶水解指的是運用纖維素酶將纖維素有效轉化為單糖的一個過程。作為一種復合酶，纖維素酶主要由葡聚糖外切酶、葡聚糖內切酶以及β-葡萄糖苷酶等三部分組成。此外纖維素酶除了用于生產燃料乙醇，還可以在其它化學品聯產中使用，所以纖維素酶的利用能夠進一步擴展纖維素的應用領域。在木纖維素生產燃料乙醇的過程中，酶水解具有眾多優勢：常溫狀態下就可以產生反應，具有較高的糖化得率且水解副產物少，整個過程中沒有有害物質產生。但就目前而言，纖維素酶酶活低是其技術發展的一個瓶頸，對木纖維素生產燃料乙醇的工業化形成嚴重制約。

1.3 發酵。所謂發酵指的是纖維素以及半纖維素進行水解之后形成的五碳糖和六碳糖在酵母等一系列微生物的作用下產生乙醇的過程。就目前而言，對于六碳糖發酵生產燃料乙醇的工藝比較成熟，而五碳糖發酵生產燃料乙醇的工藝尚處于發展階段。具體來說，可以分為以下三種方式：

1.3.1 直接發酵法。直接發酵法，顧名思義，能夠將纖維素直接代謝成為乙醇，其中以熱纖梭菌最著名，其主要是由棕櫚酒分解得到，但是分解能力比不上木霉。此外，粗糙脈孢菌可以用于纖維素的分解上。如果對這兩種菌種進行單獨使用，不但發酵時間長，其醪液酒度也比較低，所以通常采用混合發酵法，有效提高醪液的乙醇濃度，縮短發酵時間。

1.3.2 水解發酵兩步法。水解發酵兩步法指的是將水解和發酵分開進行，其中木質纖維素的水解酶主要來自于曲霉、木霉和青霉。水解發酵兩步法的優勢在于不需要進行脫毒處理，缺陷在于成本高、周期長且具有葡萄糖反饋等問題。

1.3.3 同步糖化發酵。同步糖化發酵指的是利用纖維素酶分解木質纖維素的過程，并加入適量酵母菌，使得糖化與發酵在同一容器內進行。與水解發酵兩步法比較，同步糖化法具有以下優勢：第一，SSF對反應動力學過程有著一定的促進作用，進一步減輕了酶解產物的抑制作用；第二，酶用量得以降低，使得纖維素的酶解成本得以大幅度減少；第三，大大縮短了整個過程的反應時間；第四，葡萄糖的生成與消失幾乎是同步進行，有效提升了發酵效率。然而同步糖化發酵液存在著一定的缺點，即酵母的發酵速度與酶的糖化速度的協調問題難以控制。如果糖化速度過快，而發酵速度慢，則會有大量的單糖積累產生，給雜菌提供了生長的溫床，從而導致發酵升酸幅度過大；如果糖化速度慢，而發酵速度快，則會出現因酵母缺少碳源在對生長產生一定影響。

2、木質纖維素生產燃料乙醇的存在問題與發展趨勢

當前，利用木質纖維素發酵來生產燃料乙醇成為人們關注的焦點。然而雖然木質纖維素原料價格比較低，但是生產工藝十分復雜，且設備投入及生產具有較高的成本，使得這項工藝至今無法得到大規模的工業化生產。想要實現木質纖維素生產燃料乙醇的產業化、規模化以及低成本化還需要解決眾多問題，具體表現為以下幾個方面：第一，加大對預處理技術進一步創新研究，力爭找到高效、經濟、環境污染程度低且副產物少的工藝技術，切實提升纖維素酶的可作用位點。第二，在對多種預處理技術進行綜合處理的基礎上，研究開發高效的木質素降解以及纖維素轉化的微生物，并通過對離子對液體利用實現對纖維素的處理，有效提升酶解效率。第三，低成本且高產纖維素酶的微生物進行篩選、研究，比如可以通過對細胞表面進行固定化展示技術來對纖維素酶基因在發酵微生物中進行穩定表達，有效降低生產成本。第四，對糖化液中的葡萄糖、木糖以及阿拉伯糖進行高效利用，實現燃料乙醇的生產，這也是木質纖維素生物質進行高效轉化的核心所在，主要表現為兩個方面：其一，通過對相關基因工程技術的利用，可以實現對超級菌的構建；其二，運用對反芻動物的瘤胃、白蟻腸道的模擬等仿生技術實現對天然纖維素降解系統的開發。第五，想要木質纖維素發酵生產燃料乙醇實現低成本和工業化，必須實現預處理工藝的簡化、能源的低投入以及乙醇的高產出，所以如何提高木質纖維素發酵生產燃料乙醇的效率和降低成本成為當今國內外研究的重點。

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