燃料乙醇发酵技术研究进展

燃料乙醇发酵技术研究进展

董师章 高淑荣 李兴东 温英新

中粮生化能源（肇东）有限公司 黑龙江省绥化市 151100

摘要：能源是人类社会赖以生存的基础，是工业文明的保障。伴随着社会的快速发展，对能源的需求量也在不断增加。木质纤维素类生物质是地球上储量丰富、分布广泛的可再生资源，主要包括农作物秸秆、林业废弃物、动物排泄物等。其主要由纤维素（约占干物质重的30%-50%）、半纤维素（20%-40%）和木质素（10%-25%）3大部分组成。另外，还含有少量的胶体物质。纤维素和半纤维素都以聚糖形式存在，纤维素主要由六碳糖聚合而成，而半纤维素则主要由戊碳糖聚合形成。利用木质纤维素类生物质生产燃料乙醇，通常需要经过预处理以打破致密结构，再将聚糖水解转化为单糖，最后利用酿酒酵母将单糖发酵转化为乙醇。目前，木质纤维素类生物质生产乙醇的全过程包括原料收集和预处理、酶解糖化、发酵及产物分离。为使纤维乙醇与传统燃料形成相竞争的价格，需要对燃料乙醇整个生产过程进行优化以降低成本。

关键词：燃料乙醇；发酵工艺；基因工程

引言

生物燃料乙醇主要特性有四个方面：第一，生物燃料乙醇是燃油氧化处理的增氧剂，可使汽油增加内氧燃烧充分，达到节能和环保的目的。第二，生物燃料乙醇具有极好的抗爆性能，调合辛烷值一般在120左右，作为汽油的高辛烷值组份，可以有效提高汽油的抗爆性。第三，在新标准汽油中，生物燃料乙醇还可以经济有效地降低烯烃、芳烃含量，降低炼油厂的改造费用。第四，生物燃料乙醇是太阳能的一种表现形式，在自然界这个大系统中，其生产和消费过程可形成无污染和洁净的闭路循环过程，为可循环再生能源。近年来，生物燃料乙醇生产技术在借鉴国外技术的同时，经过不断的消化、优化及研发，国内生物燃料乙醇的工艺生产技术已经基本成熟，并形成了一批具有自主知识产权的成果。通过技术创新，实现降本增效，是我国生物燃料乙醇行业不断发展壮大、有效应对国内外市场冲击的最重要途径之一。生物燃料乙醇生产过程中，发酵强度是考核发酵产业的一个重要指标，浓醪发酵技术被认为是发展发酵工业有效途径之一，成熟醪中高乙醇含量不仅是一个重要的技术经济指标，也是体现发酵技术是否先进的重要标志。浓醪发酵具有高细胞密度、高产物浓度和高生产速率等特点，是发酵工业的发展目标和方向。浓醪发酵具有提高乙醇含量、降低能耗、节约用水及提高设备使用率等优势，有效降低生产成本，具有广泛的应用价值。

1直接发酵技术

生物质直接发酵技术主要是基于纤维分解细菌来发酵纤维素。据浙江博联营养工程科学研究所报道，其研究者们分离得到了一种可以直接转化纤维素为乙醇的高纯富集物。该富集物能降解稻草、麦秆等生物质产生乙醇，但是其降解天然纤维素原料产乙醇的能力相对较弱。直接发酵技术的优点在于工艺简单，成本低，但是乙醇产率不高，还会产生其他副产物，如有机酸等。针对这一问题，Saddler等利用热纤梭菌和热硫化氢梭菌对预处理后底物进行混合菌发酵，乙醇的产量可以达到70%，同时副产物有机酸也大幅度减少。热纤梭菌可以分解纤维素，若单独用来发酵纤维素，则乙醇的产率较低，大约为50%，混合菌发酵大大提高了产物乙醇的浓度。直接发酵技术的关键在于高效发酵微生物的筛选。

2同步糖化浓醪发酵工艺

同步糖化浓醪发酵工艺涉及两个方面：（1）同步糖化。同步糖化发酵工艺技术取消传统工艺中糖化工序，液化醪直接进入发酵工段，边糖化边发酵，工艺简单，操作简化。同步糖化发酵工艺在发酵罐中，糖被限量供应并立即发酵，避免了糖对酶水解的抑制作用及酵母菌代谢的反馈抑制问题，并且有效防止了染菌，可以降低调酸的要求，减少设备投资。（2）浓醪发酵。在传统生物燃料乙醇发酵工艺中，生物燃料乙醇发酵是高粮耗、高能耗、高水耗过程，通过浓醪发酵能够提高发酵液中乙醇浓度，生物燃料乙醇浓醪发酵就是在乙醇生产过程中采用高浓度的醪液进行发酵。随着固形物浓度的提高，醪液的粘度迅速增加，给醪液的搅拌、输送、加热与冷却带来了极大的困难。因此，进行浓醪发酵的第一步就是要改进原料的预处理工艺来降低其粘度。控制好液化酶和糖化酶的用量、液化温度、液化时间、料水比、pH值对发酵过程有着重要的影响。浓醪发酵对整个乙醇工厂的能耗和环境也有着重大的影响。采用浓醪发酵可以减少拌料用水，节约用水；发酵成熟醪酒份由10%~11%（v）提高到15%~17%（v），降低了蒸馏过程的能耗。同时，采用浓醪发酵也可降低废水的生成量，降低环保运行成本投入。

3生物乙醇生产

生物乙醇是基于农业来源可发酵糖转化而成的最常见的生物醇。由于具有与石油相同的燃料特性以及高辛烷值，它的混合物可以达到与石油相同的抗爆效果，因此乙醇已成为传统石油基燃料的重要替代品。目前，生物乙醇的主要原料依然是大米、小麦等农业谷物和甜菜、甘蔗等糖基作物，这些原料的使用严重威胁着与人类生存有关的粮食安全问题和土地使用问题，因此，生物乙醇的生产受到了很大限制，寻找和开发生物乙醇潜在原料便成为科研人员迫在眉睫的课题之一。食品废弃物由于含有大量的可发酵碳水化合物，来源广泛数量庞大，逐渐引起了研发人员的关注并进行了深入的研究。另外，利用食品废弃物生产生物乙醇的可再生性、长期可持续性、低净碳排放和高能效，使其在废物处理和乙醇生产上都具有极高的成本优势和发展潜力。从技术层面讲，底物转化成生物乙醇需要经历四个阶段，包括原料预处理、酶解(糖化)、发酵和乙醇生产。基于不同的原料，生物乙醇的生产速率和产率各有不同，一般淀粉基原料的乙醇生产速率和产率要高于木质纤维素类原料，而对于食品废弃物来说，后者的数量要大于前者。因此，利用食品废弃物生产生物乙醇时，废弃物的来源和组成对生物乙醇产率有很大影响。而提高木质纤维素类和农业废弃物乙醇转化率的关键驱动因素是水解和糖化过程，通常会采用酸、碱、热和酶等手段对原料进行预处理，以增加纤维组分的消化率。原料经过预处理后，在额外加入的商业酶的作用下转化为还原性糖，供微生物发酵利用产生粗乙醇和二氧化碳。在发酵期间，温度、pH值、氧气、初始糖浓度、有机酸等参数都会影响微生物的生长和乙醇的生产。另外，微生物种类以及糖的种类对最终产品的影响也非常大，能够发酵的微生物有真菌和细菌，其中酿酒酵母的使用最为普遍。但是酿酒酵母只能利用己糖生产生物乙醇，底物中的戊糖无法被其利用。虽然有报道称，运动发酵单胞菌和红毕赤酵母能够利用戊糖发酵产乙醇，但产率相对较低，尚有待进一步研究。

结语

总之，随着分子生物学技术的不断发展，通过基因工程对发酵菌株性能进行改良的CBP技术的研究已成为研究热点。在生物质转化过程中，使用能产纤维素酶且能发酵产乙醇的双功能单一菌株，可以有效提高发酵菌株的底物代谢能力，获得高的乙醇产量，并且缩短了反应时间，该技术的不断革新是未来生物质能源发展的趋势。近年来，研究者们积极开发出经基因改良的各种发酵菌种，有效提高了生物质的转化效率。随着技术的不断进步，高效转化菌株的开发将使该方法有望在工业生产中实现大规模的应用，其发展前景十分广阔。

参考文献

［1］王璀璨,王义强,陈介南,等.木质纤维生产燃料乙醇工艺的研究进展[J].生物技术通报,2010,（2）:51-57,62.

［2］常佳敏,徐莹,马隆龙,等.生物油酯化-加氢提质制备醇酯类燃料[J].农业工程学报,2016,（5）:263-267.