纖維素乙醇工程化的技術現狀與發展方向

陳星宇

摘 要：由于近年來能源安全以及環境污染的問題越來越嚴重，因此現在很多國家都是使用乙醇作為燃料來替代現在使用的汽油。纖維素乙醇在生產過程中對于原材料的選擇上是很廣泛的，并且纖維素乙醇在使用過程中低碳排放的特點，現在越來越多的受到人們的關注。本文主要就纖維素乙醇的現狀以及在生產過程中所遇到的困難進行了闡述，根據這一系列的現狀探索了我國纖維素乙醇工程未來的發展方向。

關鍵詞：纖維素乙醇 纖維素酶成本 進展

中圖分類號：TQ223.122 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（b）-0112-02

當前我國的乙醇原料大部分來源與糧食以及甘蔗等作物，伴隨著纖維素乙醇工程的生產規模的不斷增大，因此在原料的選取的問題已經變得越來越突出。多國政府已經明確了乙醇工程的主要方向，很多的專家明確提出，纖維素乙醇是以后生物燃料的基礎，盡管在生產過程中存在著很多的技術性問題，但是整個纖維素工程的商業化步伐卻沒停滯不前，在糧食為本的大前提下，我國的纖維素乙醇工程已經從以前的糧食原料轉變為現在非糧食原料乙醇工程。

1 纖維素乙醇技術現狀

根據相關部門的專業統計，到現在為止一共有一百多個與纖維素乙醇相關的工程項目，在建的有8個，預計到2016年年底，一共有15個相關項目能夠實現投產。按照技術和工藝的發展進程，目前業界將燃料乙醇分為3類：以玉米、小麥等糧食為原料生產的第1代糧食乙醇，以木薯、甘蔗、甜高粱稈等經濟作物為原料的第1.5代非糧乙醇，以玉米秸稈、玉米芯等纖維素物質為原料的第2代纖維素乙醇。現在我國的纖維素乙醇生產在技術上主要有以下的幾種類型。

1.1 連續蒸汽爆破預處理

對于纖維素乙醇中的預處理技術是需要經過很多的實驗，經過實驗來確定一個完整的蒸汽預處理路線；另外我國在纖維素乙醇生產過程中的中性預處理技術在近幾年也有著一個很大的突破，在生產上能夠體現其所具有優勢。在裝備方面則是借鑒了現在的制漿造紙設備的經驗，由原先的間歇轉變為現在的連續設備，在技術上也取得了很大的突破。在預處理技術上還是運用潘迪亞橫管連蒸系統，回看以前我國造紙行業在制漿技術上的發展過程，給現在的纖維素乙醇預處理技術上提供可很好的技術參考。上個世紀在造紙行業中絕大多數還是使用亞硫酸鹽來進行制漿，但是在制漿過程中酸性物質對于生產設備的損害這個問題一直得不到很好的解決，一直到堿性硫酸鹽制漿技術的產生，然而這個技術雖然解決了在生產過程對于設備的損害但是運用堿法來制漿會產生很多的木質素，對于環境的破壞很嚴重，這就需要企業加大在環保上的投入，因此使用連續蒸汽爆破預處理技術能夠很好的解決這些問題。

1.2 提高酶活性

如何提高酶的活性是在現在纖維素乙醇工程中比較重要的技術，酶的活性主要是由兩個部分所決定的，第一，就是現在的預處理技術能夠有效提升底物酶解性。第二，酶的活性主要是由自己本身來提高的。預處理技術能夠運用酸性或者堿性的溶劑來有效的阻斷酯鍵，這樣就能打開半纖維素以及木質素之間的交聯結構，從而有效的改進了酶對于底物的可及性，使得酶的使用量大大的降低。而后者會運用菌株，該種方式可以有效提高酶的活性。

1.3 開發戊糖/己糖共發酵菌株和新的代謝途徑

相比較與國外，其很注重對于戊糖發酵菌株的開發，運用轉變基因的技術手段來改變釀酒酵母，使得其能夠正常的代謝出戊糖生產乙醇這項技術，在國內外的研究已經很長時間了。在外國的企業或者相關的研究機構把一些真菌的戊糖代謝的途徑在釀酒酵母菌中得到了很高的活性表達，從而大大的提高酵母菌的乙醇發酵特點，而且取得了很大的進步。尤其是提高對水解物中抑制物的耐受性，提高生產強度。隨著戊糖/己糖 共發酵菌株性能不斷改進，共發酵工藝已成為趨 勢。美國加州大學的研究人員開創了一種新的混合途徑非氧化糖酵解 （NOG） ，他們重新改造了最核心的代謝途徑，并找到了一種新方法增加乙酰輔酶 A 的產出，將葡萄糖6個碳原子轉化為 3個乙酰輔酶 A 分子，因此不會因為二氧化碳損失 2 個碳原子。這種新的代謝合成途徑解決了乙醇生產過程中的局限性——損失碳水化合物原料中 1/3 的碳原子，有望使目標產物產量提高 30%，從而使乙醇 與生物質合成烴具有競爭性。

2 工程化遇到的主要問題

從纖維素乙醇工程的生產成本來看，其在生產上的成本還是遠遠高于現在的汽油價格，特別是在制造過程中的原料成本、酶制劑成本以及在生產過程中所產生的污染處理費用都占整個生產過程中很大的比例。現在限制我國纖維素乙醇生產工藝的最主要問題有以下幾個：第一，成產過程中設備系統的可靠性，因為我們知道設備是生產過程中的最基礎條件，設備也是纖維素乙醇工程的基礎，一個設備的可依賴性是在生產過程中的前提。在纖維素乙醇生產過程中的設備以及各種操作，在非正常情況下會對預處理設備造成損害，對于設備也存在一定的腐蝕性，從而使得預處理設備較其它的設備而言更易受到破壞，在生產過程中容易產生故障。第二，酶的成本，相關數據表面，在纖維素乙醇工程中，酶的成本問題是除了原料成本之外第二大問題，由于纖維素酶的活力比其它的淀粉酶的活力低，因而，纖維素乙醇工程中在酶的使用是淀粉乙醇酶的用量幾十倍，另外纖維素乙醇酶的價格在一定程度上還是高于淀粉酶，這兩點就充分的體現了酶的成本一直偏高。

3 發展方向探討

隨著現代科技技術的不斷發展，纖維素乙醇裝備技術也不斷的改變，其裝備已經通過了終極測試，現在正在經歷示范裝置驗證的過程。其主要的技術是參考了我國現代的制漿造紙技術以及傳統的乙醇發酵設備在制造上的經驗，對于現在的設備可靠性以及安全性是需要進行驗證的。

4 結語

總之，在以后的應用中也需要以纖維素乙醇裝備技術為基礎，再結合纖維素乙醇在每個階段中物料特點，進一步的創新來研究開發出新的效率高的預處理裝備，依據酶制劑和發酵菌株特性，開發適合高固、高黏底物的半連續、連續酶解設備以及同步糖化發酵設備，縮短反應時間，提高酶解和發酵效率，最終達到提高發酵液乙醇的濃度，降低纖維素乙醇成本的目的。

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