木质纤维素生产燃料乙醇的糖化发酵工艺研究进展

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2011年第30卷第2期·284·化工进展木质纤维素生产燃料乙醇的糖化发酵工艺研究进展李江，谢天文，刘晓风（中国科学院成都生物研究所，四川成都610041）摘要：目前用于生产木质纤维素燃料乙醇的工艺主要有4种：分步糖化和发酵（SHF）、同时糖化和发酵（SSF）、同时糖化和共发酵（SSCF）以及联合生物加工（CBP）。本文综述了以上4种工艺的优缺点及其研究现状，着重介绍了具有应用前景的SSCF和CBP，指出它们的研究重点都在于通过基因工程构建适合的高产菌株。同时，提出了木质纤维降解微生物的筛选还应重视对瘤胃、白蚁肠道等微生态系统的研究，以及生物乙醇工业化的实现还需重视相关高附加值产品的共生产。关键词：木质纤维素；燃料乙醇；糖化发酵工艺中图分类号：TQ920.6文献标志码：A文章编号：1000–6613（2011）02–0284–08TechnologiesofsaccharificationandfermentationforfuelethanolfromlignocellulosicmaterialsLIJiang，XIETianwen，LIUXiaofeng（ChengduInstituteofBiology，ChineseAcademyofSciences，Chengdu610041，Sichuan，China）Abstract：Fourmainkindsofproductionprocessesoffuelethanolfromlignocellulosicmaterials：separateenzymatichydrolysisandfermentation，simultaneoussaccharificationandfermentation，simultaneoussaccharificationandco-fermentationandconsolidatedbioprocessingarereviewed.Thelattertwoarefocusedonconstructinggeneticallyengineeredmicroorganism.Furthermore，theresearchonscreeningfermentativemicroorganismfromrumenandgutsoftermiteareproposedandcommercializationofbioethanolrequiresco-productionofotherhighadded-valueproducts.Keywords：lignocellulose；fuelethanol；technologiesofsaccharificationandfermentation煤炭、石油等传统化石能源不仅资源有限，而且污染环境，这使得生物质能备受关注。以玉米为代表生产的第一代生物燃料乙醇，由于威胁到粮食安全，已逐渐被淘汰。纤维素是地球上储量昀丰富的可再生资源，来自农业、林业、工业和城市的废弃木质纤维素是生物燃料乙醇合成比较理想的原料，于是诞生了第二代生物燃料乙醇。中国作为世界农作物秸秆资源昀为丰富的国家之一，仅每年就会产生6万吨秸秆[2]。若能采用合适的技术将这些废物转化为燃料乙醇，不仅能够节约粮食，缓解能源短缺，而且还可以保护环境，对我国经济的发展将起到促进作用。利用木质纤维素生产乙醇并不新颖，早在1915年就有工厂利用树木生产乙醇[1]。但由于经济和技术上的原因，目前利用植物纤维产乙醇的技术仍未完善，还有待于进一步的研究。其难点之一在于如何进一步简化工艺路线，降低生产成本，使其能够实现产业化。目前，木质纤维素物质生产乙醇的全过程包括：生物质的收集和存储、通过机械磨碎等方法减小体积、前处理、糖化、发酵以及产物分离。为了取得能与传统燃料相竞争的价格，要对木质纤进展与述评收稿日期：2010-08-09；修改稿日期：2010-09-06。基金项目：国家863计划（2007AA100702）及中国科学院项目（KSCX2-YW-G-008，KZCX2-XB23-07-02）。第一作者：李江（1987—），女，硕士。联系人：刘晓风，研究员，主要从事生物质能方面的研究。[e-mail]。第2期李江等：木质纤维素生产燃料乙醇的糖化发酵工艺研究进展·285·维素燃料乙醇的整个生产过程进行优化。其中，糖化发酵工艺由于直接关系着乙醇产率和昀终产量，得到了比较广泛的研究。糖化即将前处理得到的多糖水解为单糖，发酵就是在微生物的作用下将这些单糖转化为乙醇。已有多种工艺先后被提出，但对于这些工艺的整合性论述却很少。本文综述了4种主要糖化发酵工艺的优缺点，包括分步糖化和发酵（separateenzymatichydrolysisandfermentation，SHF），同时糖化和发酵（simultaneoussaccharificationandfermentation，SSF），同时糖化和共发酵（simultaneoussaccharificationandco-fermentation，SSCF）和联合生物加工（consolidatedbioprocessing，CBP），以及其国内外研究现状，尝试为木质纤维素产乙醇的产业化提供新的思路。1分步糖化和发酵（SHF）前处理后的木质纤维素经水解糖化生成葡萄糖，然后在另一反应器中进行发酵转化为乙醇，这种糖化发酵工艺被称为分步糖化和发酵。其主要优点是糖化和发酵都能在各自昀优条件下进行——纤维素酶水解糖化所需的昀适温度在45～50℃，而大多数发酵产乙醇的微生物昀适温度在28～37℃[3]。缺点是糖化产物葡萄糖和纤维二糖的积累会抑制纤维素酶的活力，昀终导致产率的降低。研究发现，纤维二糖的浓度达到6g/L时，纤维素酶的活力就将降低60%，葡萄糖对纤维素酶的抑制作用则没有那么明显，但是，它会对β-葡糖苷酶（一种关键的纤维素水解酶）产生强烈的抑制，葡萄糖浓度达到3g/L时，β-葡糖苷酶的活力就将降低75%[3]。此外，水解用的纤维素酶（主要来自于真菌）不仅组分相对单一而且价格昂贵，当其活力受到抑制时，就得增加用量，昀终导致使用成本的提高。昀近，Verma等[4]报道了一种新颖的糖化酶生产方法，在烟草叶绿体中表达木质纤维素糖化所需的酶，用其处理滤纸后所产葡萄糖的量是商业组合酶的36.25倍，木质纤维素发酵系统的高成本和低产量也许会由此得到解决。2同时糖化和发酵（SSF）为了克服SHF的缺点，Gauss等[5]于1976年在一项专利中首次提出了同时糖化和发酵（SSF）工艺，即在一个容器中同时进行这两步反应。水解产生的葡萄糖立即被发酵微生物利用以产乙醇，消除糖对纤维素酶的产物抑制作用，进而减少纤维素酶的用量，缩短反应时间，而且免去了SHF的固液分离操作，避免还原糖的损失，同时，去掉一个反应器，降低投资成本，据报道，成本可降低20%以上[6-7]。由于葡萄糖被维持在较低水平，乙醇的存在以及发酵处于一个厌氧环境，虽然运行温度不高，但SSF感染杂菌的机会较小。昀重要的是它提高了乙醇产量，通常比SHF增加40%[8]。对此的一种解释是SSF中的发酵菌株对抑制物的耐受力较好，能将其转化为毒性较低的化合物[9-10]。但也有SHF比SSF运行得好的报道，表1列举了一些SSF与SHF发酵参数的比较。表1几组SHF和SSF反应条件及结果比较①参考文献原料工艺温度/℃时间/hpH值乙醇产量SHF371205.55%（乙醇质量与底物质量之比）[6]蒸汽爆破麦秆SSF37725.510%（乙醇质量与底物质量之比）SHF45～35②72～118③5～6.5④19g·L－1[11]0.75%硫酸处理麦秆SSF35112613g·L－1SHF45～3772～244.881%（乙醇产量与理论产量之比）[12]蒸汽爆破麦秆SSF37304.868%（乙醇产量与理论产量之比）SHF3772540%（乙醇产量与理论产量之比）[13]蒸汽爆破云杉SSF3772560%（乙醇产量与理论产量之比）SHF35～30120～59—19.6g·L－1[14]再生纸污泥SSF3048—18.6g·L－1①各组中未列出的条件在组内相同；②糖化温度为45℃，发酵温度为35℃；③糖化时间为72h，发酵时间为118h；④糖化pH值为5，发酵pH值为6.5。化工进展2011年第30卷·286·SSF作为目前广泛应用的工艺，已有不少学者对其进行数学建模，以期深入了解其运行过程。这些数学模型大多表明，SSF的性能决定于三方面——底物特性、水解酶特性和发酵微生物特性，而且，SSF的限速步骤在反应初期表现为发酵微生物的生长，之后则是酶水解糖化，其中昀关键的是酶对纤维素的可接触性[15]。Ko等[16]根据SSF的数学模型，对反应容器进行一段时间的通风，有助于发酵微生物的生长，从而缩短其限速时间，结果提高了乙醇的产生速度，这应该与发酵微生物的生长良好有关。通过建模，还可寻找昀佳的酶和发酵菌的用量[17]。可见，数学模型的建立对于促进木质纤维素的生物处理效果比较重要。SSF工艺的缺点主要是糖化和发酵的昀优温度和pH值不同，不能同时满足，从而不能使两步都处于昀佳状态。相对于温度差异，两者的pH值差异较小，对过程的影响也就相对弱些，所以关键就是温度的选取[8]。现在多采用的酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）在高于40℃的温度下就会失活，于是它将温度限制在了37℃左右，这样纤维素酶活力降低，多糖的水解速率也随之减慢。对于这些问题，有两种解决方法。第一种，选择耐高温的高产发酵菌株。克鲁维酵母菌（Kluyveromyces）能在42℃的高温下发酵，Tomas-Pejo等[18]采用KluyveromycesmarxianusCECT10875对经前处理的麦秆进行SSF，得到乙醇浓度36.2g/L。第二种方法则是改进工艺，如采用不等温同时糖化和发酵（NSSF），循环温度同时糖化和发酵（CTSSF）等，与传统SSF中的等温相比，这些改进强化了纤维素酶的水解作用。Wu等[19]运用NSSF，首先在50℃下进行水解糖化反应，然后在20～30℃发酵，提取乙醇后又将发酵液回流到水解糖化容器中，如此循环，与相应的SSF相比，不仅加快了多糖的水解，减少了30%～40%的纤维素酶用量，而且提高了产量，缩短了反应时间。Chen等[6]采用CTSSF（先42℃下水解15min，然后在37℃下进行SSF10h，重复此过程），72h后，与相应的37℃SSF相比，乙醇产量提高50%。虽然SSF消除了水解产物的反馈抑制，但终产物乙醇同样存在产物反馈抑制效应，这不仅影响水解反应，而且抑制发酵菌株的生长，加速其细胞死亡，进而影响发酵反应的顺利进行[20]。所以使用对乙醇具有高耐受力的发酵菌株显得尤为重要。有报道称，乙醇浓度达到30g/L，纤维素酶活降低25%[3]。当乙醇在发酵液中达到一定浓度时，及时地将其抽提出来，是一种有效的应对方法。但是，当乙醇浓度低于45g/L，蒸馏提纯的效率会很低[21]。所以，为了降低成本，高产量也是必须的。固态发酵可以提高产物浓度，但是较高的固体浓度（大于10%）不利于质量和热的传递，能耗高，而且前处理产生的抑制物的浓度也会随之升高，反而不利于发酵的进行[22]。用补料发酵代替固态发酵，既能使抑制物的浓度能被控制在较低水平，又可获得较高的乙醇浓度。Liu等[23]在SSF中运用补料发酵，不仅增加了产量，还减少了纤维素酶的用量。此外，在SSF中，纤维素酶与微生物可能存在互相抵触的现象，如微生物分泌不利于酶的物质，酶中某些成分会对微生物有害[8]。再者，由于SSF过程的复杂性，使得酶和微生物的循环使用变得比较困难。如果不重复利用，每次发酵都需加入新的菌种和酶，不仅增加成本，而且由于菌种的生长消耗了一部分糖，这必然影响到乙醇产量；新的菌种又需要适应期，结果延长了反应时间[13]。一