全 文 ：第 ! 卷第 # 期
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生"物"加"工"过"程
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收稿日期"$%%/ =%# =&(
基金项目"国家科技支撑计划资助项目#$%%Y53**Y%#$%河南省教育厅自然科学研究计划资助项目#$%%!#!%%%#$
作者简介"王"铎#&/#&$男河南南阳人工程师研究方向"生化工程设备与发酵工程%常"春#联系人$高级工程师TRA,@."I:HCI:,CJc
99H2EGH2IC
木质纤维素原料酶水解产乙醇工艺的研究进展
王"铎常"春
#郑州大学 化工与能源学院郑州 #)%%%&$
摘"要"木质纤维素原料预处理后经水解)发酵等过程可生产乙醇作为清洁燃料这大大提高了农业和林业废弃
物的利用率减轻了环境污染并为经济的可持续发展提供了保证( 目前木质纤维素酶水解因其具有明显优势而
受到重视被普遍研究和采用( 综述了近年来木质纤维素原料的预处理方法)酶与水解技术)发酵工艺以及发酵耦
合分离技术的最新研究成果(
关键词"酶水解%乙醇%发酵%木质纤维素
中图分类号"fN*%Q$&*d$""""文献标志码"5""""文章编号"&*$ =(*!#$%&%$%# =%%$ =%*
W42;4011./0/HAG5F.:-AI426A1.127:063621.:J.2G5115/IF-0
704G0/F5F.2/942I3:F.2/270F-5/26
[5+O3HB-45+O-:HC
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""随着世界各国经济发展对能源需求的增加及石
油资源的濒临枯竭能源危机日益突显很多国家从
$%世纪末已开始研究可再生资源作为补充替代能
源( 木质纤维素是一种廉价的可再生资源且产量较
大( 利用微生物及酶技术将其水解转化成燃料乙醇
是解决化学燃料短缺的有效途径之一近年来这一领
域的研究日益受到世界上许多国家的重视(
从能量转化与利用)温室气体排放等诸多方面
考虑发展纤维乙醇具有很大的优越性( 美国农业
部和内布拉斯加大学的学者通过对柳枝稷的研究
表明"纤维素原料转化为乙醇的净能量产出几乎是
其种植和处理所需能量的 )2) 倍高于由谷物生产
乙醇的效率而且由纤维素生产乙醇过程中排放的
温室气体->
$
也远远比谷物基生产乙醇少*&+ ( 因
此发展纤维乙醇前景广阔(
利用木质纤维类原料生产乙醇传统的方法是用
酸或者酶将纤维素水解为可发酵性糖类再利用微生
物将糖转化为乙醇( 当前纤维乙醇生产中普遍流行
的技术是基于酶的水解工艺因为与酸水解相比酶
水解工艺环境友好且水解率更高*$+ ( 因此纤维素酶
解工艺与条件的研究受到广泛的关注( 本文对纤维
素酶转化木质纤维素原料生产乙醇中木质纤维素原
料预处理)纤维素酶及水解技术)发酵工艺)发酵与分
离耦合等最新研究进展进行了综述(
D?原料预处理
纤维素乙醇工业化生产的可行性和经济性主
要取决于木质纤维类原料的水解率及酶的应用成
本这也是当前主要的难点和研究的重点( 纤维
素)半纤维素和木质素通过共价键或非共价键紧密
结合而成为木质纤维( 纤维素本身具有结晶结构
使得纤维素酶和半纤维素酶难以触及( 预处理可
部分去除木质素和半纤维素等成分破坏纤维素的
结晶结构增加生物质材料的多孔性增加酶和原
料的接触面积提高酶的可及性从而提高酶的水
解效率节约反应时间和降低生产成本*(+ ( 目前常
用的处理方法分为物理)化学和生物法或者是它们
的综合使用*#+ ( 具体方法有机械粉碎)蒸气爆破)
超声波处理)高能辐射)微波辐射处理)氨爆破)稀
酸处理)碱处理)湿氧化处理)超临界->
$
处理)超临
界水处理)有机溶剂处理)生物降解等*)+ (
化学方法处理纤维素原料机制不尽相同也
各有优缺点( 稀酸预处理可使纤维素的平均聚合
度下降水解率显著提高%同时半纤维素可被水解
成单糖而被除去但缺点是木质素脱除效果差%且
处理过程会造成部分糖转化成脱氢化合物对微生
物有一定毒害作用( 用+,>4等碱溶液处理可使半
纤维素溶解部分木质素能溶于碱可促进酶解提
高糖化率%但处理过程中部分半纤维素分解而损
失处理后溶液需要用酸中和( 因此稀酸与稀碱处
理都存在成本高)易腐蚀设备)对环境有污染等缺
点( 氨水等碱性溶液浸泡可以脱除木质素条件较
温和设备简单对纤维素及半纤维素破坏较小还
可除去不利于发酵的副产物但在氨浓度较高时半
纤维素会有部分损失**+ ( 虽然氨易于被回收利用
但成本仍然相对较高(
P:,CJ等*+报道了使用浓4
(
;>
#
丙酮在温和条
件下处理纤维素原料酶解 $# : 得到纤维素酶解率
/i使用原子力显微镜#5f` $观察处理前和处理
后的原料发现浓 4
(
;>
#
丙醇不仅打断了所有纤
维素)半纤维素和木质素之间的联系而且打破了
葡聚糖链间有序的氢键( V@等*!+使用 P:,CJ等*+
报道的方法来处理纤维素原料进行水解和发酵实
验"将原料用 !)i浓4
(
;>
#
丙醇浸泡在 )% e空气
浴中处理& :将反应液倾倒入丙酮中充分混合后
离心分离固形物进行酶水解和发酵得到较好的
实验结果( 高固体浓度#质量分数 (*i$下产生的
乙醇质量浓度达到 )* J6V( 实验结果表明浓
4
(
;>
#
丙酮预处理过的木质纤维素是生产乙醇的
很好原料并且可以有效地得到高乙醇产量和产率(
微波辐射)高能辐射等处理方法目前只能在实
验室进行由于成本等原因目前还没有大规模使
用的报道( 湿氧化法是指在较高的温度和压力下
利用水和氧气氧化降解植物纤维原料木质素可
被过氧化物酶催化降解处理后的物料可增强对酶
水解的敏感度(
有研究表明"经低强度汽爆&超细粉碎预处理的
农作物秸秆在缩短粉碎时间)节约粉碎能耗)避免抑
制性副产物生成的同时有效改善了稻草底物的酶解
转化性能可以得到高的酶解率甚至接近理论值*/+ (
承子微*&%+研究了秸秆湿法超细粉碎的机理及其设
备利用超细粉碎设备对蒸爆破处理过的秸秆进行预
处理可在较短时间内获得相对多的超细粉碎产品
提高了经济效益( 因此结合蒸气爆破和超细粉碎对
纤维质料进行处理具有工艺简单)能耗低等优点已
成为目前主流的预处理方法( 但是蒸气爆破过程中
会使少部分纤维素)半纤维素和木质素降解而降解
产物会分解产生出对酵母有害的物质因此在酶解和
发酵之前需要用水洗等方法进行处理但这会降低总
糖的产率( 朱均均等*&&+采用高效液相色谱#4;V-$
和气质联用#O-R`Q$色谱技术对玉米秸秆蒸气爆破
降解产物进行了分析结果显示"蒸气爆破预处理后
纤维素)半纤维素和木质素降解损失率分别为
/d*%i)#d/!i和 &d))i(
真菌具有高效的酶系统可以降解木质纤维素原
料( 真菌有 $种类型的体外酶系统"水解系统产生水
解酶%独特的具有氧化性的细胞外木质素降解系统
负责降解木质素和打开苯环*&$+ ( 生物降解处理纤维
素原料就是利用褐腐真菌)白腐真菌和软腐真菌等
微生物分解木质素从而提高纤维素和半纤维素的
酶解率( 因此它具有作用条件温和)针对性强)无环
境污染)处理成本较低的优点( 当前存在的问题是木
("第 # 期 王"铎等"木质纤维素原料酶水解产乙醇工艺的研究进展
质素降解微生物种类较少酶活力低处理周期较长
并且某些微生物会消耗掉一少部分纤维素和半纤维
素( 如果上述问题得以解决微生物降解处理不失为
一种节能)环保的处理方法(
;B1@E.等*&(+以青贮玉米秸秆作为发酵原料发
现青贮的玉米秸秆比未经处理的容易降解可能是在
青贮过程中产生了乳酸和乙酸( SH 等*&#+在相同的
温度#&/) e$下用 # 种不同的预处理方式对玉米
秸秆处理 &) A@C发现用乳酸和乙酸处理的玉米秸秆
有最大的葡聚糖收率#/)d**i$( 对处理得到的不溶
性固体同步糖化发酵#QQU$法发酵实验发现"用乙酸
处理的玉米秸秆有最大的乙醇转化率按照原料中的
葡萄糖计算转化率是理论值的 !!di( 如果采用青
贮玉米秸秆生产乙醇会增加原料收集成本但这一
机制可为原料的预处理提供参考(
B?酶及水解技术
虽然近几年酶的生产成本有了大幅度降低但
目前纤维乙醇生产中酶的使用仍然占乙醇生产成
本中相当大的比例这也是目前制约纤维素乙醇发
展为大规模工业化的主要因素( 为了提高酶的水
解效率在酶的生产方面主要有两种方法"&$通过
筛选和培育优良菌株生产多纤维素复合体%$$用
基因工程技术构建含纤维素酶基因的克隆菌株表
达具有较高酶活力的纤维素酶*&)+ ( 也可以通过分
子修饰技术使酶分子结构发生某些变化提高酶的
活力增强酶的稳定性*&*+ %降低酶的生产成本可以
通过强化酶制剂的发酵过程实现( 除此以外水解
工艺中酶的应用技术与条件也值得研究因为通过
优化酶的使用条件能以较低的成本提高水解率(
曾晶等*&+考察了不同表面活性剂及用量对纤
维素酶解过程的影响( 结果表明"添加表面活性剂
对纤维素酶水解过程有明显影响%非离子型表面活
性剂可提高纤维素的可溶性及糖的转化水平%而添
加离子型表面活性剂对酶解可以起到抑制作用(
李德莹等*&!+研究了 &% 种金属离子对绿色木酶所产
纤维素酶活力的影响( 结果表明"UE(l等离子在一
定浓度范围内对纤维素酶有激活作用%相反-H$ l等
离子则有抑制作用( UE(l可提高纤维素酶对乙醇的
耐受力并可加快酶的吸附速度激活作用明显%
-H
$ l抑制作用明显( 实验发现添加UE(l水解率可
提高约 (i水解率在反应 &# : 达到峰值较未添加
UE
(l的时间提前(
纤维素酶作为一种催化剂可以被重复使用从
而大幅度减少使用量降低成本( 因此这一技术的研
究具有极为重要的意义( 一种方法是利用膜分离技
术将反应结束后留在反应液中的纤维素酶分离并收
集加以重新使用( 考虑到酶在多次使用后活力会有
所降低可采取定期补充新酶的办法( L,CJ等*&/+利
用纤维素酶多段法水解蒸气爆破玉米秸秆在每段
水解结束后离心分离出固体物并洗涤回收再超滤分
离出液相中的酶添加适量新酶后继续水解分离固体
物( 该研究表明三段法#*)*)&$ :$使水解率大大提
高( 在酶被回收利用的情况下$# : 水解率达到
%d$i比第一段水解 $# : 的水解率提高了 ((i(
第二段和第三段中水解率的增加表明去除终产物可
以显著提高水解率( 研究结果可以为发展和完善水
解工艺)节约酶和水解时间提供依据(
用连续分离产品)分批补充纤维素原料的方法
进行发酵也是对酶的重复利用但是在多次使用
后酶会受木质素的影响( 比较有前途的一种方法
是采用酶固定化技术( 廖红东*$%+ 以聚乙烯醇6
UE
$
>
(
磁性纳米颗粒为纤维素酶固定化载体通过
反复冻融的方法成功地实现了纤维素酶固定化(
优化后酶活回收率达 #$i酶水解效率显著提高
经过 ) 次反应后的固定化酶相对活力仍保留在
)%i以上(
M?发酵工艺与技术
根据工艺流程发酵方式主要有一步糖化发酵和
糖化分步发酵( 一步糖化发酵是利用微生物直接发
酵目前多处于实验室阶段( 美德州理工大学教授
N,F@A
*$&+研究了一步法纤维素乙醇转化技术关键是
利用重组酵母在其细胞表面对纤维素的作用直接将
纤维素转化为葡萄糖并将葡萄糖转化为乙醇酵母
能耐受质量分数为 *i的乙醇( 发酵过程不需添加
额外的酶可降低纤维素乙醇生产成本约 &%i( 研
究显示纤维素直接转化乙醇已接近可行(
当前在实验室研究和生产中采用的多是糖化
分步发酵即将原料转化为可发酵性糖再进行发
酵( 主要的方式有单独糖化发酵法#Q4U$)同步糖
化发酵法#QQU$)非等温同时糖化发酵法#+QQU$和
同步糖化共发酵法#QQ-U$(
Q4U法源自传统的乙醇生产工艺利用纤维素酶
糖化的理想温度为 )% e发酵的最佳温度为 (% k
(! e发酵罐需要有冷却设施因此设备比较复杂
# 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
投资较大( 操作过程中产物累积后会影响酶的活
性纤维素的水解率会受到一定的影响( 但这种方法
的优势仍然明显( V@等*!+用分批补料的 Q4U法得
到了 */d( J6V的乙醇原因就是水解得到了高浓度
的葡萄糖酵母也在其最优的条件下发酵(
QQU法使纤维素酶和酵母不能同时在各自适宜
的温度下工作如果采用折中的温度水解和发酵
都会受到一定的影响( QQU法可消除葡萄糖等产物
的抑制作用使水解率得到提高( 设备投资要求较
低是其突出的优点( 最早由 [H 等*$$+提出的 +QQU
流程需要 & 个水解塔和 & 个发酵罐不含酵母细胞
的流体在两者之间循环( 该法也可在同一装置内
连续进行通过换热器改变反应器内的温度使水
解与发酵能够在各自的最适温度下进行且能减少
反应体系的能量损失( 与 QQU法相比可节约纤维
素酶 (%i k#%i乙醇的产量和产率也显著提高(
-:EC等*$(+使用碱性4
$
>
$
处理蒸气爆破的小麦
秸秆通过优化 QQU法发酵条件得到了 &&%d/ J6V
的葡萄糖和最高达 )&d) J6V的乙醇( 其优化的 QQU
法发酵条件是 #% e下反应 &$% :纤维素酶载量为
每克小麦秸秆 #% U;W酵母接种为体积分数 &%i及
底物质量体积分数 &*di(
QQU过程最终的乙醇质量浓度与底物装载量直
接有关( 因此为了得到高的乙醇质量浓度固体
含量应该尽可能的高*$#+ ( 但是底物中固体含量过
高则会造成醪液初始黏度较高需要的搅拌能耗
过大而影响经济性( 4BGJE等*$)+同时使用实验和
动力学模型研究了酶水解纤维素原料固体含量超
过 &)i的优化方法( 在实验室规模下进行使用稀
酸处理过的纤维素及纤维素酶作为原料流得到了
与易于控制温度的摇床反应器相近的结果( 纤维
素转化率达到大约为理论值的 !%i( VH 等*$*+以蒸
气爆破的玉米秸秆作为 Q4U法的底物分批补料研
究固体质量分数为 &%i k(%i范围内木质纤维素
酶的水解和发酵( 结果显示"其固体含量纤维素转
化率变化很小( 对于水洗涤过的原料#Z,?EF@C0B.HR
8.E0B.@G0[MQ$底物质量分数为 (%i酶水解产生
&%(d( J6V的葡萄糖溶液纤维素转化率可达
%d/i乙醇质量浓度高达 #/d) J6V( 如何改进和
发展新工艺在高的底物浓度下消耗较少的能量
从而获得高的乙醇产率如何提高生产效率是降
低纤维乙醇生产成本的关键(
QQ-U法可以使用混合菌种或者基因工程菌在
发酵己糖的同时利用戊糖发酵产生乙醇可以充
分利用原料节约成本( 陈明*$+利用已构建的 & 株
基因重组酵母 L8)%/%C,$%PWR&%在厌氧条件下对
玉米秸秆水解液中的葡萄糖和木糖进行共发酵发
现 **d/ J6V葡萄糖和 ($d& J6V木糖可发酵生成
#&d# J6V乙醇( 由于重组酵母对半纤维素水解液
中木糖的有效转化使得乙醇产量相比普通酿酒酵
母发酵增加了 $#d$i( 将原料中所含的半纤维素
同时转化为乙醇会对纤维乙醇生产产生重要的推
动作用这一技术极具应用价值(
现代的固定化细胞技术是在固定化酶技术的
推动下发展起来的( 固定化细胞发酵可提高细胞
浓度保持细胞连续使用使最终发酵液中乙醇浓
度得以提高( 王杏文*$!+研究了壳聚糖)海藻酸钙和
聚乙烯醇等几种常用固定化材料包埋树干毕赤酵
母发酵葡萄糖和木聚糖混合物( 综合几种固定化
材料包埋体的性能海藻酸钙包埋法具有较强的优
势即发酵性能优越固定化操作容易成本低廉
可长期稳定发酵( 固定化细胞发展新动向是混合
固定细胞发酵将不同的菌种固定发酵如将发酵
己糖和戊糖的菌种固定在同一载体上%也可将酵母
与纤维二糖酶一起固定将纤维二糖基质转化成乙
醇( 李艳华等*$/+通过固定化混合菌种发酵研究了
嗜单宁管囊酵母和酿酒酵母共固定于海藻酸钙中
发酵玉米秸秆水解液的工艺( 在一定初始糖浓度
的条件下固定化混合菌种在发酵 $# : 的酒精中
质量浓度达到 &/d!# J6V而游离混合菌种在发酵
#! :的酒精中质量浓度为 &d)# J6V( 结果表明"固
定化混合菌种能同时利用玉米秸秆水解液中的木
糖和己糖共同发酵缩短了发酵周期其效果明显
优于游离混合菌种发酵(
@?发酵耦合分离技术
在纤维乙醇制取工艺中反应底物乙醇体积分数
达到 #i才具有蒸馏的经济性( 大量的研究表明"乙
醇的发酵过程是典型的产物抑制过程当产物乙醇质
量浓度大于 #% J6V时就会产生明显的抑制作用(
这种抑制作用主要导致两方面的不利影响"&$乙醇会
抑制酵母菌的生长和代谢降低葡萄糖转化率而无法
获得较高的乙醇产率%$$发酵醪中乙醇浓度处于较低
水平后续蒸馏能耗增大( 为了克服上述问题在优
化糖化和发酵工艺的基础上进一步通过耦合分离技
术不仅可以提高发酵产率而且能促进整个发酵的
)"第 # 期 王"铎等"木质纤维素原料酶水解产乙醇工艺的研究进展
效率从而有效地解决这些问题(
根据不同的分离原理研究发现乙醇发酵与分
离技术耦合可以采用的方法主要有如下 ( 种*(%+ "&$
基于相对分子质量或扩散性能差异有反渗透发
酵)膜蒸发法#渗透蒸发法$%$$基于挥发差异性原
理有真空发酵法)闪蒸发酵法气提发酵法#生物
蒸馏法$%($基于溶解度差异不同有萃取发酵法(
萃取发酵是将溶剂提取和发酵结合在一起此
法既能提高乙醇产率还可节约能量与水的消耗(
使用的萃取介质不能对细胞有害且必须廉价)具
有较高的稳定性与选择性*(&+ ( 萃取发酵可在反应
器内部完成操作方法简单但仍然存在选择适当
的生物相容性萃取介质等问题且需要消耗大量的
萃取或吸附介质( 因此这一方法还有待研究(
膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质即
分离膜使流体内的一种或几种物质透过而达到分
离目的具有简单)高效)能耗低)系统可密闭循环
等突出的优点在食品)医药等领域得到了大规模
的应用*($+ ( 限于膜技术的发展状况膜的制作成本
较高使用一定时间后需清洗和灭菌( 因此国内外
学者对膜技术应用于乙醇分离进行了大量研究但
仍未能在大规模乙醇生产中得到应用(
乙醇发酵与气提耦合具有工艺简单而经济
气提产物能够直接收集产品浓度和纯度高等特
点已成为乙醇发酵过程中在线分离产物的主要方
法之一*((+ ( 张立峰*(#+研究了->
$
及含微量>
$
的+
$
作为载气进行气提发现相同条件下->
$
作为载气
细胞的生长活性不如使用 +
$
但大规模发酵利用
->
$
更经济一些( 含微量 >
$
的 +
$
对酵母利用糖发
酵的能力有明显的促进作用但成本较高可能会
限制其在工业中的应用(
利用真空闪蒸耦合分离乙醇是最具有应用前
景的分离技术之一( 但该技术是在反应器外部进
行循环操作纤维质原料作为底物浓度较大时醪
液固含量高)黏度大使醪液抽取困难同时导致能
耗也较大( 如果这一问题得到妥善解决就能使耦
合真空分离技术在纤维乙醇工业中得到应用从而
大大促进纤维乙醇产业的发展(
P?展?望
当前木质纤维原料转化生产乙醇虽然因成本
较高而未能得到大规模产业化生产( 但发展纤维
乙醇技术在生物技术和工艺技术的优化方面仍
有较大的突破空间(
基因工程与酶技术研究还有较大的发展空间
这也是目前酶水解法生产纤维乙醇中最关键的技
术( 随着技术的不断完善和发展纤维素酶的成本
会越来越低而且会获得活性更高的酶而使得水
解效率提高%基因工程菌的应用会使发酵过程中糖
的利用率大大增加原料的转化率大幅度提高( 发
酵过程耦合分离技术已成功应用到了淀粉质原料
乙醇的生产中产生了可观的经济效益( 随着研究
的深入分离技术会逐渐应用到纤维乙醇的发酵过
程中从而使发酵工艺得以优化(
因此可以较为乐观地预期纤维乙醇的生产成
本必将随着技术的发展而逐渐下降木质纤维素原
料转化生产乙醇的技术将逐步在资源利用和清洁
生产等方面显现出强大的优势(
参考文献"
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气提耦合真空闪蒸进行发酵乙醇的在位分离
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"第 # 期 王"铎等"木质纤维素原料酶水解产乙醇工艺的研究进展