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于斌，齊魯
(天津工業大學生物與紡織材料研究所，天津市改性和功能纖維重點實驗室，天津300160)
摘要：介紹了近年來國內外木質纖維素生產燃料乙醇的技術現狀。評述了纖維素原料生產乙醇的預處理及水解為葡萄糖和發酵成酒精的各生產工藝。分析了各工藝的技術特點和經濟性。提出應進一步加強纖維素生產燃料乙醇的研究。
經濟社會的發展以能源為重要動力，經濟越發展，能源消耗越多。到2059年，也就是世界上第一口油井開鉆200周年之際，世界石油資源大概所剩無幾[1]。而生物質能是由植物的光合作用固定于地球上的太陽能，最有可能成為21世紀主要的新能源之一。據估計，植物每年貯存的能量約相當于世界主要燃料消耗的10倍；而作為能源的利用量還不到其總量的1%。專家預測，生物質能源將成為未來持續能源重要部分，到2015年，全球總能耗將有40%來自生物質能源。
然而燃料乙醇的生產如均以糖類或糧食為原料，其產量受到糧食資源的限制，難以長期滿足能源需求。從長遠考慮必須進行科技創新，擴大原料來源。含木質纖維素的生物質廢棄物是生產燃料乙醇的另一原料來源，它包括農作物秸稈、林業加工廢料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的廢棄生物質等[2]。國內外專家對木質纖維素原料轉化為乙醇燃料進行了大量的研究。木質纖維素轉化為乙醇的步驟主要分為兩步：纖維素水解成糖，糖發酵成醇。由于木質纖維素結構復雜，纖維素、半纖維素不但被木質素包裹，而且半纖維素部分共價和木質素結合，纖維素具有高度有序晶體結構．因此必須經過預處理，使得纖維素、半纖維素、木質素分離開，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結構，降低聚合度，以提高水解效率。表1列出了幾種木質纖維素中纖維素、半纖維素和木質素的含量[3]。
1燃料乙醇的生產現狀
2001年世界乙醇年產量達314億升，其中近200億升為燃料乙醇，約占乙醇總量的63％。各大洲的產量分別為：美洲205.7億升，歐洲41.5億升，亞洲5.3億升，非洲5.3億升，大洋洲1.8億升[4]。
不難看出，美洲在乙醇的生產上仍然是世界乙醇生產的領頭羊，同樣在將纖維質轉化為燃料酒精的研究、生產和應用方面，巴西和美國也走在了世界的前列。在美國，政府積極鼓勵燃料酒精的生產和使用。在政府的大力倡導下，酒精燃料在美國的燃料市場上的份額已達到8%。1998年10月第一家商業性轉化纖維質為酒精的工廠由BC International在路易斯安那Jennings開始破土動工，該廠以蔗渣和稻殼為原料，年產酒精20×106加侖。
1998年的12月，美國路易斯安那州的一家名為國際生物燃料的公司，宣布他們將利用申報了的專利技術，以纖維質為原料大規模生產酒精，預計年產量為2500kt。除此之外，加利福尼亞和紐約用城市垃圾生產酒精的建廠計劃亦在進行中[5]；在巴西，酒精工業是國民經濟的支柱，他們利用榨汁后的蔗渣發酵燃料酒精。
到目前為止，巴西所產汽車90%采用酒精燃料發動機，全國一半多的交通工具使用的是酒精燃料。日本的研究者對纖維素的酒精發酵也作了大量的研究，日本通產省從1980年起制定了生物質燃料化的七年研究開發計劃，并設置了生物質研究委員會，經費預算總額為260億日元，其中技術開發費用達124億日元。
日本工業技術研究院微生物工業研究所從1979年起，開始進行稻草、廢木材能源化的研究，目的是降低成本、進行工業化生產，至今酒精發酵技術已基本完善。英、法、印度等國也都在計劃生產燃料酒精。綜上所述，在國外，以纖維質為原料生產酒精費正逐步走向一個技術成熟的階段[6,7]。
與美國等國家相比，我國的燃料乙醇生產只是在近幾年才受到政府高度重視，起步較晚，但是自2000年以來，我國推廣使用車用乙醇汽油工作取得了很大進展。目前，我國推廣使用車用乙醇汽油工作已取得階段性成果[8，9]。2001年4月，河南天冠集團公司和黑龍江華潤金玉實業有限公司老廠變性燃料乙醇改擴建項目已相繼投產[10]，吉林省新建60萬噸燃料乙醇項目在2001年9月22日正式開工建設。但對以纖維素為原料生產酒精的工藝條件的研究還不成熟。雖然中國科學院早在1980年就在廣州召開了“全國纖維素化學學術會議”，把開發利用纖維素資源作為動力燃料提到議事日程上來，但是到目前為止，仍沒有取得重大突破，天然纖維素轉化為酒精的新型開發技術在工業上尚未大規模實施，其工藝技術的改進和基礎理論的研究仍在進行之中。因此在我國以纖維質廢物為原料生產酒精仍需進一步的深入研究。
2木質纖維素原料的預處理
由木質纖維素的組成和結構可以知道，影響纖維素糖化分解的主要因素有木質素和半纖維素的保護作用，纖維素的結晶度、聚合度、有效比表面積、內部孔隙大小及分布等，要直接對纖維素進行糖化水解或生物轉化是相當困難的。因此，無論采取何種工藝分解利用纖維素，都必須首先對纖維素原料進行預處理，其目的是降低纖維素的聚合度、結晶度，破壞木質素、半纖維素的結合層，脫去木質素，增加有效比表面積。常用的預處理方法可分為物理法、化學法、物理化學結合法和生物法4大類。
2.1物理方法通常有機械破壞、微波或超聲波、高能電子輻射等。
?。?）剪切和研磨Stuart等[11,12]發明了一種特殊的纖維素漿的高速剪切裝置，可有效破壞纖維素與木質素和半纖維素的物理、化學結合，并顯著降低纖維素大分子的結晶度，提高比表面積。研磨的方法有球磨、錘磨等，比較有效的是球磨。1946年有人用球磨制得了完全無定形結構的纖維素，但這種結構很不穩定，很快又重新形成晶態結構，這也是機械物理方法常有的弊端。球磨可使纖維素的結構松散和使微纖中和微纖間晶區間存在的氫鍵斷裂[13,14]。使用三輪球磨處理木質纖維素，對糖化反應極為有效。但存在的問題是，機械處理方法的能耗很高，這無疑增加了生產成本。Daniel等[15]比較了幾種研磨方法的能耗，結果表明Hammer磨的能耗比盤磨低，但處理后產物的粒度較大。
?。?）微波和超聲波
微波是一種新型節能、無溫度梯度的加熱技術，應用于染色工業，可以提高纖維素的染色性能。超聲波在化學工業中的應用也迅速發展。在超高壓條件下，有機酸預處理生物質(如農作物廢棄物)過程中，玉米秸稈用微波(4.9W/g)輻射，然后用酶在400℃、pH值5.0，水解72h，糖化率高達98%[16]。
2.2化學方法
這是目前研究最多的手段。主要采用稀酸、堿或氨、次氯酸鈉、氧化劑等化學試劑單獨或互相結合進行預處理。
?。?）堿處理
堿處理法是利用木質素能溶解于堿性溶液的特點，用稀NaOH或NH3溶液處理生物質原料，使其中的木質素結構破壞，從而便于酶水解的進行。氫氧化鈉可以起到脫木素、潤漲纖維素的作用。盡管這種處理對提高原料的降解效果較好，但由于氫氧化鈉的消耗量大，在堿處理過程中還有部分半纖維素被損失，所以不太適用于大規模生產。近來人們較重視用NH3溶液處理的方法，通過加熱可容易地將NH3回收，重復使用。
Sung等[17]在用氨處理橡木的實驗結果表明，與大多數堿一樣，氨可以打開木質素與半纖維素之間的連接，部分脫除木質素，從而改變植物纖維的結構。但與強堿不同的是，氨水的處理較為緩和，不會使重要的聚糖化合物大量損失，半纖維素的回收率隨氨濃度的增加而增大，木質素的脫除率也隨之上升，但纖維素基本上沒有損失。另外，通過對預處理產物的酶解實驗，發現盡管木質素的脫除率較高，但酶解率僅稍有提高。說明酶解率的提高，與木質素有一定的關系，但并不是關鍵因素。但也有資料[18,19]表明，對于硬質木質纖維材料，氨處理后，酶解率也有明顯的改善。
?。?）酸處理
稀酸預處理通常采用0.3%～1.2%的硫酸，在110～220℃下處理一定時間。由于半纖維素易被水解成單糖，纖維殘渣形成多孔或溶漲型結構，從而促進了酶解效果[20]。雖然半纖維素用熱水處理時也會溶出，但反應速度遠小于稀酸催化劑存在的情況。稀酸的脫木質素作用較弱，0.1%的酸的木質素脫除率只有22%，但半纖維的溶出率高，在酸濃度為0.2%時，酶解率可提高到大于90%，遠比氨處理效果好，說明半纖維素的有效溶出比木素的脫除更有利于纖維素的酶解[17]。Carrasco等對9種生物質底物的稀酸預處理進行比較，結果表明，幾乎所有實驗底物均表現出有利于隨后的纖維素酸水解的特點[21]。
除了無機酸以外，還有人采用有機酸，如甲酸，但作用機理有所不同，甲酸主要是脫除木質素，而不是加速半纖維素的溶出。Baeza以0.3%鹽酸為催化劑，用甲酸在90℃常壓處理松木底物，可有效分離木質纖維素，纖維素的含量上升，并且結晶度下降，酶解糖化率從25%上升到56%[22]?？捎靡宜?ndash;硝酸為反應劑溶解和脫除木質素，僅用乙酸不能脫除木質素，為了有效地溶解木質素，必須加入硝酸。乙酸濃度35%和硝酸濃度2%，約80%的木質素可從報紙中脫除[23]。
（3）氧化劑
氧化法主要是用過氧化氫進行氧化脫木質素的反應，從而達到破壞天然植物纖維的物理結構的目的。pH值是影響反應的重要條件，在堿性條件下，可在80～90℃低溫下反應，但在酸性條件下，要達到同樣的氧化裂解木質素的效果，就需在130～160℃[24]條件下，Gould等以H2O2為氧化劑，控制pH值在11.2～11.8的范圍，可部分脫除木質素，并降低纖維素的結晶度，過程中產生的抑制酶解過程的毒素較少[25]。
Kazuhiro等介紹了H2O2為氧化劑，Fe2+為催化劑的兩步氧化法來處理木質纖維素，獲得有機酸等化學物質。通過第一步非催化氧化，一部分木質素轉化為甲酸等小分子有機酸，純纖維素回收率約為22%；第二步催化氧化，小分子有機酸達到纖維原料的33%[26]。為了加強預處理的效果，一些研究者將氧化劑與其他化學試劑結合使用。Sung等將硫酸與H2O2配合用于橡木的預處理[17]。結果表明，隨H2O2濃度的增加，半纖維素的溶出率升高，當H2O2濃度為1.6%時，達到90%，相當于0.2%的酸單獨處理的效果，但可省去酸中和的步驟。Jun等[27]用氨和H2O2配合預處理兩種不同的軟木質纖維廢料，研究結果表明，單獨氨處理(ARP)，氨與H2O2混合(ARP–H)，氨和H2O2按先后順序處理，均有脫木質素的作用。但ARP工藝處理后，纖維底物的酶解率僅稍許提高了5%，ARP–H工藝，H2O2雖然有助于木質素的脫除，但酶解效果也沒有明顯改善。先H2O2，后氨處理后，產物的酶解率從41%上升到75%，但纖維素的保留率有所下降。Brownell等[28,29]認為氧化劑H2O2有利于生物酶對軟木質纖維底物的水解作用。其他氧化劑還有過乙酸、臭氧、硝酸、次氯酸鈉等。
2.3物理–化學方法
這一方法主要指蒸汽爆破技術。蒸汽爆破是將木質纖維原料先用高溫水蒸氣處理適當時間，然后連同水蒸氣一起從反應釜中急速放出而爆破，由于木質素、半纖維素結合層被破壞，并造成纖維素晶體和纖維束的爆裂，使得纖維素易于被降解利用。但蒸汽爆破處理后可能會提高纖維素的結晶指數[30]。最初的蒸汽爆破由Mason于1927年提出并取得專利[31]。此后各國的研究者進一步結合化學處理，使蒸汽爆破技術更加完善。蒸汽爆破與酸結合，分兩步預處理軟木質纖維，糖的回收率可大大提高，并可降低后續酶解過程的酶的用量[32]。蒸汽爆破楊木時加入NaOH，隨堿濃度的增加，木質素脫除率可提高到90%[33]。蒸汽爆破的處理效果不僅與使用的化學試劑有關，而且與纖維材料的粒度大小有關。采用較大的粒度（8～12mm）不僅可節約能耗，而且可采用較劇烈的操作條件，具有較高的纖維素保留度，較少的半纖維素水解糖類損失，提高纖維素酶的酶解率[34]。
氨冷凍爆破[35]是利用液態氨相對較低的壓力(1.5MPa左右)和溫度(50～80℃)下將原料處理一定時間，然后通過突然釋放壓力爆破原料。在此過程中由于液態氨的迅速汽化而產生的驟冷作用不但有助于纖維素表面積增加，同時還可以避免高溫條件下糖的變性以及有毒物質的產生。氨冷凍爆破中采用的液態氨可以通過回收循環利用，整個過程能耗較低，被認為是一種較有發展前途的預處理技術。
2.4生物方法
常用于降解木質素的真菌是木腐菌，通常是白腐菌、褐腐菌和軟腐菌，其中軟腐菌的木質素分解能力很低，褐腐菌只能改變木質素的性質，而不能分解木質素，只有白腐菌分解木質素的能力較強。用白腐菌預處理纖維素較省能，還可以得到有價值的副產物——SCP（單細胞蛋白)，成本低，經濟效益好，并且由于反應條件溫和，副反應和抑制性產物少。但生物法處理時間長，而且白腐菌除分解木質素外，還產生分解纖維素和半纖維素的纖維素酶和半纖維素酶，處理的同時也造成纖維素、半纖維素的損失，因此必須分離或選育木質素氧化酶活性高，而不產生纖維素酶、半纖維素酶的菌種。
3木質纖維素原料的水解和糖化
木質纖維素的水解糖化并生產燃料乙醇的過程中，從葡萄糖轉化為乙醇的生化過程是簡單和成熟的，反應在溫和條件下進行。目前傳統的間歇發酵已被各種連續發酵工藝所取代，因而有高的生產率，可為微生物生長保持恒定的環境，同時也能達到高的轉化率。其水解產物為以木糖為主的五碳糖，以農作物秸稈和草為原料時還有相當量阿拉伯糖生成(可占五碳糖的10%～20%)，故五碳糖的發酵效率也是決定過程經濟性的重要因素，能同時發酵戊糖和己糖的菌種也已發現和改良，并能夠達到較高的產率[36]。所以纖維素的糖化是木質纖維素制燃料乙醇的關鍵，其工藝主要有酸解法和酶解法兩種工藝。
（1）酸水解工藝
最古老的纖維素糖化方法是以酸解為基礎的[37]。主要有濃酸水解和稀酸水解兩種。稀酸處理的優點在于半纖維素水解得到的糖量大，催化劑成本低，易于中和。但半纖維素水解產物五碳糖易在催化下進一步降解(糠醛)。稀酸水解過程為多相水解反應，硫酸濃度一般為0.5%～2%，溫度為180～240℃，時間為幾分鐘到幾小時。Brink為天然纖維素轉化為葡萄糖提出了一個兩步法過程。第一步，把半纖維素解聚為木糖和其他糖類。第二步，把纖維素解聚為葡萄糖。由于酸的濃度低，可以不必進行酸的回收。但葡萄糖的最大產率僅占纖維素的55%，并且有較多的解聚產物會阻止酵母發酵生成乙醇[38]。法國在1856年即開始進行了濃硫酸水解法進行乙醇生產。濃酸水解過程為單相水解反應，纖維素在濃酸作用下首先溶解，然后在溶液中進行水解反應。濃酸能夠迅速溶解纖維素，但并不是發生了水解反應。濃酸處理后成為纖維素糊精，變得易于水解，(纖維素經濃酸溶液生成單糖，由于水分不足，濃酸吸收水分，單糖又生成為多糖，但這時的多糖不同于纖維素，它比纖維素易于水解)但水解在濃酸中進行得很慢，一般是在濃酸處理之后再與酸分離，使用稀酸進行水解。傳統的酸水解流程包括固定水解法、分段水解法和滲濾水解法。一般采用連續滲濾反應器，固體物料充填其中，酸液連續流過。這樣水解所產的糖可連續流出，減少了在床內停留時間，相應也減少了糖的進一步反應。
也有人提出了兩步法稀酸水解。首先原材料用0.5～2.5mol/L的稀硫酸處理，約有50%的半纖維素轉化為可溶性的低聚糖或單糖，然后在62.5%～87.5%的液體乙醇中，用2mol/LH2SO4處理，脫除木素。通過以上兩步，總纖維素得率>60%[39]。近年來，人們還研究了助催化劑的作用。即用某些無機鹽（如ZnCl2，FeCl3等）來進一步促進酸的催化作用[40]。加電解液NaCl溶液可觀察到非均相稀酸水解速率的提高，酸解速率與添加的電解液的濃度成線性關系。還有人嘗試在滲濾反應器酸解過程中添加非水溶劑。如在稀硫酸中使用丙酮，葡萄糖產率為83.4%，不用丙酮，產量為65%。這表明，在適合的糖化條件下，可用丙酮、酸、水混合體系[41]。酸解法已有近一百年的歷史，發展至今，仍存在許多問題，如酸回收問題、設備腐蝕、工程造價等，因此有逐漸被生物酶解的方法所代替的趨勢[42]。
(2)生物酶水解工藝
隨著纖維素酶生產技術日益成熟，成本大幅度降低，酶解法已經開始逐漸取代酸解法。纖維素酶是一種多組分的復合酶，包括內切型葡聚糖酶(Cx酶、CMC酶、羧甲基纖維酶)、外切型葡聚糖酶(C1酶、微晶纖維素酶)和纖維二糖酶(β–葡萄糖苷酶)等3種主要組分。纖維素的酶水解機理至今仍未完全研究清楚，但普遍認為在將天然纖維素水解成葡萄糖的過程中，必須依靠3種組分的協同作用才能完成。纖維素大分子首先在C1酶和Cx酶的作用下逐步降解成纖維二糖，而纖維二糖酶則進一步將纖維二糖水解成葡萄糖。關于C1酶和Cx酶的作用基質雖有幾種不同說法，但有兩點是一致的：(1)結晶纖維素是在C1酶和Cx酶的共同作用下分解的；(2)C1酶是從纖維素長鏈非還原性末端，以纖維二糖為單位，切割β–1，4糖苷鍵的外切酶。纖維素酶分解纖維素的過程如下[43]：
美國Natick工藝以城市廢纖維垃圾為原料，酶水解間歇進行，24h完成。水解酶用量為135IU/g纖維素，水解液中葡萄糖濃度為10%，水解率達45%。據Chen等[44]報道，美國加州大學Berkeley分校以玉米芯為原料，以里斯木霉為產霉菌株，酶產率為19.2IU/(L·h)。
4木質纖維素酒精生產工藝
利用微生物發酵木質纖維素生產酒精的工藝大致可分為直接法、間接法、同時糖化發酵和固定化細胞發酵。直接法是指用同一微生物完成纖維素的糖化水解和乙醇發酵的生產過程。直接法中常用的微生物是熱纖維梭菌。經過誘變改造的重組熱纖維梭菌用于發酵，其酒精產率可達9g/L，乙酸產量也能達到9g/L。熱纖維梭菌若與熱硫化氫梭菌共同作用，還可使產量大大提高[45,46]。利用混合菌發酵，可以部分解決產率不高的問題[47]；間接法是指先用一種微生物水解纖維素，收集酶解后的糖液，再利用酵母發酵生產乙醇。此法中常用木霉的纖維素酶來水解纖維素，產生的糖液再進行發酵，其酒精產量可達到97g/L。但這種方法中纖維素需先用氫氧化鈉進行預處理，因而成本較高[48]；同時糖化發酵是指用一種可產生纖維素酶的微生物和酵母在同一容器中連續進行纖維素的糖化和發酵。在這一工藝過程中，纖維素水解后產生的葡萄糖可以被不斷地用于發酵，因而消除了高濃度葡萄糖對纖維素酶活性抑制，簡化了設備，縮短了生產周期，提高了生產效率。但也存在一些抑制因素，如木糖的抑制作用、糖化和發酵的溫度不協調等；固定化細胞發酵具有提高發酵器內細胞濃度、細胞可連續使用、最終發酵液酒精濃度高等優點。研究最多的是酵母和運動發酵單胞菌的固定化。常用載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻璃等。研究表明，固定化運動發酵單胞菌比酵母更具優越性。最近又有將微生物固定在氣液界面上進行發酵的研究報道，其微生物活性比固定在固體介質上高。固定化細胞的新動向是混合固定化細胞發酵，如酵母與纖維二糖一起固定化細胞發酵，將纖維二糖基質轉化成酒精，被認為是以纖維素原料生產酒精的重要階梯[49]。
5結語
以木質纖維素類物質生產乙醇在近30年里研究得很多，對其組分、水解方法、發酵工藝和發酵菌種等方面都進行了全面而深入的研究，為木質纖維素生產乙醇奠定了一定的基礎。目前利用纖維素生產酒精的技術已基本成熟，但是由于纖維素酶的成本太高，生產過程中，酶用量偏大，導致纖維素酒精的價格無法與糧食酒精相競爭，因此還要加強對以下技術的研究：①進一步研究纖維素原料的預處理、酶水解及水解發酵生產酒精等技術；②進行固體發酵技術的研究，解決目前存在的污染率高和成本高的問題；③以基因工程手段選育高產纖維素酶、木質素酶菌種，以有效地降低生產成本。盡管近年來生物技術已取得發展，但是科技工作者仍面臨許多挑戰，還需要研制更加穩定的基因工程酶，研究更加低廉有效的木質纖維素類物質的預處理方法，優化生產酒精各個環節。如果能解決好這些問題，那么木質纖維素原料生物轉化乙醇必將產生更大的社會效益和經濟效益。
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