纤维素乙醇生产技术和产业化进展

摘要：以秸秆等木质纤维素原料进行生物燃料生产的工艺越来越受到业内人士的重视，然而，目前对秸秆等农业废弃物生物原料的利用，除了对其当作燃料进行简单粗放的燃烧以外，大都集中在无氧分解生产生物燃气即沼气中，而通过将木质纤维素原料进行预处理及糖化的第二代纤维素乙醇可以很好地解决这一问题，并最大限度地利用原料中的纤维素和半纤维素，得到与玉米淀粉乙醇相当的指标。因此，将玉米秸杆、小麦秸杆、稻杆等转化为生物燃料乙醇的研宄很有价值。我国幅员辽阔、地大物博、农业和林业资源丰富，充分寻找并利用各种农业林业废弃物，有利于对木质纤维素原料的种类和来源进行扩充，寻找木质纤维素原料的替代物，从而促进该产业的长足发展。

关键词：生物能源；纤维素乙醇；预处理；乙醇发酵

1.生物乙醇及纤维素乙醇生产历史与现状

化石燃料的使用导致全球CO2含量及温室效应加剧，自1813年至2019年，大气CO2含量由220 mg/L增至411 mg/L，而利用可再生生物质能有助于减缓CO2排放。其中，乙醇由于具有较高辛烷值、良好抗爆性和低污染性，被广泛认为是理想的可再生替代能源之一。生物乙醇根据其原料来源的不同可分为第一代淀粉基燃料乙醇和第二代纤维素燃料乙醇。纤维素乙醇是通过纤维素酶降解后再进行发酵所获得的乙醇，研究发现，与汽油相比，玉米乙醇可减少39%~52%的温室气体排放，而纤维素乙醇可减少86%的温室气体排放。事实上，世界各国积极采取能源举措并出台相关政策，减少化石燃料使用的同时，加大扶持可再生能源产业，全球燃料乙醇需求与产量激增。事实上，全球生物乙醇仍以淀粉质、糖类为主要原料，以纤维素生物质为原料的燃料乙醇生产占比很低。截至2018年，美国年产纤维素乙醇2.2万t，占其燃料乙醇生产总量的0.46‰，全球纤维素乙醇产量在生物乙醇产量中的占比低于3%。因此，纤维素乙醇仍具有较大的市场空间，全世界各地都逐渐建立起生产纤维素乙醇的工厂。

2纤维素乙醇生物炼制

2.1原料预处理

第一代生物乙醇多以玉米、甘蔗、甜菜、甜高粱等粮食作物等为原料，减少粮食供应的同时，也不利于缓解全球碳排放及温室效应。另一方面，以农业废弃物为代表的木质纤维素生物质，富含葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等单糖组分，可被微生物利用并转化为乙醇，这些原料包括玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、玉米芯、甘蔗渣、酒糟及农产品加工废料等，利用这些原料生产纤维素乙醇，可提高废弃物资源化、能源化利用综合效益，也有助于减少碳排放。如Tinôco等以甜高粱秸秆为原料，经酸碱预处理、纤维素酶水解后，再利用马克斯克鲁维酵母发酵，乙醇质量浓度、产率分别为17.83 g/L与0.74 g/L/h。Perrone等也以甘蔗渣为原料，依次经臭氧、稀酸预处理及纤维素酶水解后，利用酿酒酵母发酵生产乙醇，质量浓度为2.2 g/L。事实上，木质素、纤维素和半纤维素所形成的致密结构使得这些原料难以被生产菌株直接利用，为了打破这一特殊屏障，必须通过物理、生物、化学或联合预处理方法对原料进行处理，提高原料水解释放葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等总发酵糖的得率，还要兼顾减少预处理过程中产生的毒性副产物，为生产菌株提供良好的乙醇发酵微环境

2.2纤维素酶水解预处理

将纤维素组分剥离，使得纤维素酶更易于降解纤维素为发酵单糖，有利于纤维素乙醇生产菌株的利用转化。事实上，纤维素酶水解是纤维素乙醇生产工艺中成本最高的单元操作：一方面，由于纤维素酶活性易受温度、pH、底物及水解产物影响；另一方面，预处理残余木质素组分等物质，环境因素会引起组分基质效应、纤维素酶吸附效应、水束缚效应、抑制物效应等，影响体系传质、传热和反应特性改变，造成纤维素酶活性下降、水解反应效率及原料利用率降低，进而提高或补充纤维素酶用量，导致纤维素乙醇生产成本居高不下。因而，通过开发纤维素酶高产菌株、优化发酵产酶工艺、进行纤维素酶就地生产，可以有效降低纤维素酶使用成本。

3. 乙醇生产菌株的研究进展

由于生产菌株自身及外部环境影响，导致纤维素乙醇产量不稳定。首先，在木质纤维素原料预处理过程中，伴随产生毒性副产物诸如糠醛、5-羟甲基糠醛(5-HMF)、呋喃类化合物、酚类化合物等；其次，由于木质纤维素水解糖主要为葡萄糖和木糖，而大多数酿酒酵母等野生菌株无法利用或高效利用木糖；最后，生物乙醇合成途径往往伴随甘油、乙酸等副产物形成。这些因素综合影响利用木质纤维素原料生产乙醇的产量、产率及得率，导致纤维素乙醇发酵生产经济性往往不理想。因此，作为纤维素乙醇生产工艺核心，通过基因工程改造策略开发优良重组菌株，是有效克服上述问题、提高纤维素乙醇产能的关键。

3.1提高菌株碳源利用

近年来，以纤维素乙醇生产菌株酵母为代表，在提高木糖转运转化、混合碳源共利用等方面也取得了重要的研究进展。研究工作主要是在单基因或多基因水平，通过基因工程、代谢工程调节木糖或葡萄糖转运转化功能基因表达，有效提高纤维素乙醇生产菌株木糖利用或混合碳源同步利用能力。但是，这些研究工作主要利用木糖或混合糖为碳源的合成培养基，与葡萄糖底物发酵相比，木糖利用及乙醇合成效率仍存在不足，且在抑制物胁迫环境下的纤维素水解液发酵可行性有待验证。因而，提高重组菌株的木糖转运转化能力、混合碳源共利用能力，兼顾增强重组菌株的抑制物胁迫耐受性，对于持续提升纤维素乙醇发酵性能来说，显得尤为重要。

3.2强化菌株乙醇合成

通过调节细胞中心碳流通量，优化代谢网络节点，重构代谢合成通路，可以有效强化生产菌株的乙醇合成能力，进而提高乙醇发酵产量及产率。敲除了嗜热厌氧杆菌SCUT27/Δldh内丙酮酸甲酸裂解酶基因pflA后，利用该突变菌株在55℃下进行葡萄糖分批补料发酵，110 h内乙醇质量浓度可达38.82 g/L，乙醇得率及产率分别为0.38 g/g及0.35 g/L/h。相关的研究工作主要针对乙醇代谢合成通路中的关键基因进行敲除或过表达，针对分子伴侣及降解酶系等功能蛋白元件进行异源表达，以优化重构中心代谢通路，提高乙醇产量、产率及得率。事实上，以上研究工作进展大多围绕生产菌株胁迫耐性、碳源利用及乙醇合成3个方面分别开展，协同强化研究或报道仍较少，因而兼顾提高生产菌株对复杂、复合抑制物的胁迫耐性、高温胁迫耐性以及混合碳源高效转化乙醇的能力，开发高强度、高浓度纤维素乙醇发酵工艺是未来研究工作的重点。

4结语

总体来说，未来纤维素乙醇生物炼制的研究重点在于开发成套集成技术，包括：低耗、高效、清洁的原料预处理技术，可以减少中和、脱毒化学品及水源的用量，降低固废、液废产生；低成本、高效率的纤维素酶生产与水解技术，可以提高纤维素糖得率，节约原料成本；相匹配的高效生产菌株及工程改造技术，可以提高重组菌株抑制物及高温胁迫耐性、戊糖和己糖（同步）转运转化能力以及产物乙醇代谢合成能力。通过上述技术的优化集成，可以从根本上降低纤维素乙醇的资本投入和运营成本，助推以纤维素燃料乙醇为代表的能源低碳转型和高质量发展，为全面建设社会主义现代化国家提供稳定可靠的能源保障。

参考文献：

[1] 黄俊，梁士劼.利用联合生物加工生产纤维素乙醇的研究进展[J].江苏农业科学,2021,49:18-23.

[2]杜聪.纤维素乙醇发酵菌株的构建及发酵条件优化[D].大连理工大学,2019.