 Bioprocess 生物过程, 2012, 2, 81-88 http://dx.doi.org/10.12677/bp.2012.22014 Published Online June 2012 (http://www.hanspub.org/journal/bp) Progress of Fermentation Technology for Bioethanol Production Wenjie Y uan1,2*, Lijie Chen1, Nannan Li1, Fengwu Bai1, Shuying Li2 1Life Science and Biotechnology, Dalian University of Technology, Dalian 2Postdoctoral Research Center, Dalian SEM BIO-Engineering Technology Ltd. Co., Dalian Email: *ywj@dlut.edu.cn Received: May 9th, 2012; revised: May 23rd, 2012; accepted: May 29th, 2012 Abstract: Bioeth anol is the most mature biomass energy, which can so lve energy shortage and pollution problems, oc- cupying the important position in the human new energy layout. But bioethanol industry had many problems such as high production costs and raw material shortages. In this paper, the new technologies including energy-saving fermenta- tion technology, pathway engineering to construct engineered strains and alternative materials were summarized. The developing direction for further investigation was discussed. Keywords: Bioethanol; Energy-Saving Fermentation Technology; Pathway Engineering; Alternative Materials 燃料乙醇生产研究进展 袁文杰 1,2*，陈丽杰 1，李楠楠 1，白凤武 1，李淑英 2 1大连理工大学生命科学与技术学院，大连 2大连赛姆生物工程技术有限公司博士后科研流动站，大连 Email: *ywj@dlut.edu.cn 收稿日期：2012 年5月9日；修回日期：2012 年5月23 日；录用日期：2012 年5月29 日 摘 要：燃料乙醇是发展最为成熟的生物质能源，能够解决能源短缺及环境污染等问题，在人类的新能源布局 中占据重要地位。但燃料乙醇产业仍存在生产成本高、原料短缺等问题。本文对燃料乙醇发酵节能技术、途径 工程改造生产菌种及非粮原料利用方面的研究进展进行了综述，分析了燃料乙醇发酵技术中存在的问题，并对 今后进一步研究提出了建议。 关键词：燃料乙醇；节能技术；途径工程；替代原料 1. 引言 乙醇作为可替代石油基液体燃料的可再生清洁 能源，在石油资源供需矛盾日益突出，国际石油市场 持续高价位的背景下，得到了世界各国的高度重视。 利用生物质生产燃料乙醇的主要过程是利用液化酶/ 糖化酶将生物质转化成可发酵性糖，然后采用间歇或 连续操作的模式，利用微生物(常用菌株为酿酒酵母) 将可发酵性糖发酵生成乙醇和 CO2。综观世界各国燃 料乙醇发展，燃料乙醇的经济性始终是突出问题，生 产成本分析表明，能耗和原料成本占燃料乙醇总生产 成本的比例高达 90%以上[1]，因此降低燃料乙醇生产 综合能耗，提高乙醇发酵收率以降低原料消耗，开发 资源丰富价格低廉的生产原料，始终是这一领域基础 研究和技术开发的主要方向。 2. 乙醇发酵节能技术 2.1. 生料发酵技术 *通讯作者。 传统的淀粉质原料发酵工艺中，都经高温蒸煮或 Copyright © 2012 Hanspub 81  燃料乙醇生产研究进展 喷射液化，导致能耗较大。近年来兴起的生料发酵技 术或无蒸煮工艺，将液化、糖化和发酵三个工序合而 为一，不仅大大降低了能耗，而且不经蒸煮的淀粉质 发酵醪液粘度小，在粗馏塔内流动效果好，可以进行 浓醪发酵，提高发酵罐的生产能力[2]。 我国在生料发酵研究方面起步晚，但是应用早， 发展快。进入 20 世纪80 年代，我国对生料酿酒的研 究达到了高潮，并且随着酶工程的发展，再加上耐高 温酿酒活性干酵母的问世，使生料发酵技术有了新的 进步，取得了实质性进展。汪江波和覃红梅等[3,4]分别 研究了在生料乙醇发酵中添加各种酶制剂，考察其对 发酵的影响，结果发现糖化酶的最佳添加量为 225 U/g 左右，而果胶酶、酸性蛋白酶、纤维素酶的添加对乙 醇发酵并没有明显的效果。段刚[5]等人利用新型酶制 剂STARGENTM 颗粒淀粉水解酶生料制取乙醇，在 实验过程中避免或减少了淀粉的损失，提高了淀粉的 利用率和出酒率，并且降低了能耗，简化了操作过程。 但在生料发酵技术中仍存在两个突出的问题。一 方面，未经蒸煮液化的淀粉分子糖化酶作用速率极 慢，糖化酶消耗量大导致成本增加，因此构建同时表 达液化酶和糖化酶的酿酒酵母，是主要研究方向之一 [6]；另一方面，淀粉质原料的蒸煮液化在淀粉酶将淀 粉水解为易于糖化的糊精分子的同时，还对发酵原料 具有灭菌作用，可有效防止发酵过程杂菌污染导致的 糖份损耗，而生料发酵没有蒸煮环节，虽然节省了能 耗，但也同时失去了对发酵原料进行灭菌处理的过 程，增加了发酵过程杂菌污染的机会。控制糖化发酵 速率避免过程中还原糖的积累是未来发展生料发酵 技术的另一重要方向。 2.2. 高浓度乙醇发酵技术 使用总糖浓度超过 25% (w/v)的底物，使发酵终点 乙醇浓度达到 15% (v/v)以上的超高浓度(Very High Gravity，VHG)发酵是乙醇发酵技术的另一个主要发展 方向。VHG发酵技术，不仅可以节省发酵醪精馏的能 耗，而且可以减少废糟液总量，节省后续采用 DDGS (Distillers Dried Grains with Solu ble)技术处理废糟液的 能耗，同时降低了生产过程物料流总量，节省了液化 和糖化过程加热和冷却的能量。Bayrock 等人[7]首次采 用多级串联式发酵罐进行高浓度乙醇连续发酵，葡萄 糖浓度在 150~320 g/L范围，末级出口处残糖低于 0.3%，使终点乙醇浓度达到 16.7% (v/v)。Thomas 等人 [8]在实验室条件下，使用 38% 底物，乙醇浓度达到 23.8%。但 VHG 发酵系统初期的高底物浓度和发酵进 行过程中不断提高的乙醇浓度对酵母细胞的强抑制作 用，是这一技术发展的最大屏障，改善酵母营养环境 以提高其对高浓度底物和乙醇的耐受性[9,10]，以及从生 物反应工程角度来分析和改进发酵系统工艺流程和设 备来减轻乙醇抑制，是 VHG 乙醇发酵技术的主要研 究内容，并取得了良好研究进展[11]。 2.3. 高温发酵技术 高温酵母的选育是燃料乙醇生产的关键环节，因 为在较高温度下发酵生产乙醇存在下列优点：一是在 热带地区使用耐高温酵母进行乙醇发酵，可大大降低 冷却水的用量，降低乙醇生产成本；二是在高温下， 糖化和发酵速率加快，可缩短发酵时间；三是可通过 抽真空，在线移走乙醇，减小产物抑制；四是可以减 少杂菌污染。因此引起了国内外学者的广泛关注[12]。 长期以来，高温发酵菌株的选育主要集中于高温驯化 [13] 和自然界筛选[14] ，其中马克斯克鲁维酵母属 Kluyveromyces marxianus因为其良好的耐热性，已应 用于高温下的乙醇生产[15]。K. marxianus能在超过 40 ℃的条件下产生乙醇，甚至在 47℃[16]、49℃[17]和52 ℃[18]条件下发酵生产乙醇。然而温度升高对乙醇发酵 也有负面影响，会降低细胞的活性[19]，并且与 S. cerevisiae 相比，K. marxianus的乙醇耐性较差。通过 现代生物学手段提高其乙醇耐性是未来重点发展的 方向。 3. 途径工程技术改造乙醇生产菌株 途径工程中可以通过引入外源基因扩展、延伸原 来的代谢途径，产生新的末端代谢产物，提高产率； 或者利用新的底物作为生物合成的原料。近年来应用 途径工程技术对酿酒酵母进行遗传改造，扩展底物利 用，阻断或削弱副产物合成，改进细胞特性，缩短发 酵周期等方面已取得很大的进步。 3.1. 扩展底物谱 酿酒酵母缺乏合成 α-淀粉酶(切断 α-1,4 糖苷键)、 β-淀粉酶(从淀粉的非还原端切出麦芽糖)、支链淀粉 酶或异淀粉酶(α-1,6 糖苷键)和葡萄糖淀粉酶(从淀粉 Copyright © 2012 Hanspub 82  燃料乙醇生产研究进展 的非还原端水解出单个的葡萄糖单位)的能力，不能直 接转化淀粉生产乙醇。因此，要想利用淀粉，就必须 在发酵前添加降解淀粉所需的各种酶或利用可产生 这些酶的重组菌株。生淀粉的乙醇发酵就是构建同时 分泌 α-淀粉酶和糖化酶基因的工程菌，直接发酵粗淀 粉，提高淀粉的出酒率，降低生产成本，已引起国内 外学者的广泛关注。Hisayori 等[20]在α-凝集素的 C端 连接淀粉酶构建的酿酒酵母基因工程菌能够直接 发酵生淀粉，在72 h内产生 61.8 g/L的乙醇，糖醇转 化率可达理论值的 86.5%。 乳糖在牛奶中的含量非常丰富，是干酪乳清的主 要成分，也是乳酪生产中的主要副产物。利用乳糖生 产乙醇不仅可以避免乳酪生产中资源的浪费，还有利 于解决干酪乳清排放造成的环境问题。由于酿酒酵母 不具备乳糖通透酶体系，乳糖不能穿透酿酒酵母的细 胞膜进入细胞内，同时，酿酒酵母自身也不编码切割 β-1,4 糖苷键分解乳糖产生葡萄糖和半乳糖的半乳糖 苷酶。为了使酿酒酵母能发酵乳糖生产乙醇，Jeong 等[21]将来源于 Kluyveromyces lactis的乳糖透性酶和 β- 半乳糖苷酶引入酿酒酵母，Farahnak 等[22]进行了 Kluyveromyces lactis 和Saccharomyces cerevisiae 之间 的原生质体融合，但这些尝试的结果是细胞生长缓 慢、基因不稳定、乙醇产率较低等。Dominques 等人 [23]构建了含有 Kluyveromyce marxianus乳糖通透酶和 半乳糖苷酶基因的絮凝酿酒酵母，该重组酵母菌株的 絮凝性和外源基因的稳定性都有所提高，并且发酵时 能完全利用乳糖，乙醇产量达到了理论值的 80%。 Beccerra 等[24]构建了只分泌表达克鲁维酵母属半乳糖 苷酶的重组酵母，具有很高的乳糖利用率，在干酪乳 清培养基中其生长速率可达 0.23 h-1，与所报道过的 共表达 β-半乳糖苷酶和乳糖透性酶基因的重组酿酒 酵母的最高生长速率接近。 糖蜜是甘蔗或甜菜糖厂的副产品，含糖量较高， 只须添加酵母便可直接发酵生产酒精，是大规模工业 生产制造酒精的良好原料。糖蜜中除含有葡糖糖、果 糖、蔗糖外，还含有一定量的棉子糖。由 SUC2 基因 编码的转化酶可将棉子糖转化为葡萄糖和蜜二糖。蜜 二糖是由 α-1,6 糖苷键连接的葡萄糖和半乳糖，只能 被少数酵母利用。通过构建表达 MEL1 基因的 Saccharomyces cerevisiae[25]，可以提高糖蜜的生物量 及乙醇产量，并显著降低工业污水的 BOD。 木糖是自然界中除 D-葡萄糖之外第二大糖源，它 作为半纤维素聚合体的一部分广泛存在于植物组织 中，是木质纤维素的主要成分之一。为了降低木质纤 维素生产乙醇的成本，必须使半纤维素的木糖转化为 乙醇。酿酒酵母具有木酮糖代谢途径的完整酶系，木 酮糖经过木酮糖激酶(Xylulokinase，XK)磷酸化生成 5-磷酸木酮糖进人磷酸戊糖途径(PPP)，然后以中间产 物6-磷酸葡萄糖和 3-磷酸甘油醛的形式进人酵解途径 (EMP)，最终在厌氧条件下生成乙醇 。但酿 酒酵母 因 缺乏将木糖转化为木酮糖的酶系而不能直接利用木 糖。 为了达到 Saccharomyces cerevisiae快速转化木糖 为乙醇的目标，必须完成两项任务：1) 将木糖转化为 木酮糖；2) 提高木酮糖的利用速率。自然界中木糖转 化为木酮糖的代谢途径有 2条。其一，在某些真菌中 [26]，木糖在木糖还原酶(Xylosereduetase，XR)的作用 下还原为木糖醇，然后在木糖醇脱氢酶(Xylitol de- hydrogenase，XDH)的作用下还原为木酮糖，XR 和 XDH 分别需要 NADPH 和NAD+作为辅酶；其二，在 某些细菌中，木糖在木糖异构酶(Xyloseisomerase，XI) 的作用下直接转化为木酮糖[27]。 单纯地将来源于 P. stipitis的为 XR 及XDH 编码 的XYL1 和XYL2 基因转移到 S. cerevisiae中，并没 有提高木糖生产乙醇的能力[28]。在有氧的情况下，木 糖主要转化为生物量和小部分的木糖醇，而在限氧情 况下，生长速率变慢，乙醇产量更低，但木糖醇的产 量有所提高。这主要是因为木糖还原酶在厌氧条件下 消耗 NADPH将木糖转化为木糖醇，导致 NADH无法 充分氧化为 NAD+，致使XDH 活性受限，从而引起 木糖醇的积累。因此，要提高木糖利用率除了引人木 糖还原酶和木糖醇脱氢酶以外，还必须使木糖还原酶 和木糖醇脱氢酶所催化的还原及氧化反应在热力学 上达到平衡。Walfridsson 等[29]通过改变表达 XR/XDH 比例，提高 XDH 的活性，实现了减少木糖醇含量和 提高乙醇产量的目的，但效果仍不理想，推测可能是 木糖到乙醇整个代谢途径上的其他环节有障碍。转酮 酶(Transketolase，TKL)和转醛酶(Transketolase，TAL) 是PPP 途径上的关键酶，酿酒酵母菌含有这两种酶， 但酶活较低。鲍晓明等[30]在XYL1 和XYL2 基因的酿 酒酵母转化子中，又引入转酮酶 TKL1基因及转醛酶 TAL1 基因，使酿酒酵母转化子在原有基础上超表达 Copyright © 2012 Hanspub 83  燃料乙醇生产研究进展 转酮酶及转醛酶活性。同时具有 XYL1和XYL2 以及 超表达基因 TAL1、TKL1 的酿酒酵母转化子可以在木 糖为唯一碳源的平板上生长。摇瓶发酵实验结果表明 当XR/XDH 比值为 0.06时，产物中检测不到木糖醇， 其他的副产物如甘油、乙酸盐等也有所下降，而乙醇 得率却有所提高。此外，鲍晓明等[31]首次成功地在酿 酒酵母中得到木糖异构酶的活性表达，并且为了使木 糖代谢流向乙醇形成的方向，在酵母转化子中又引入 磷酸戊糖途径中的转酮酶基因 TKL 及转醛酶基因 TAL1，同时表达xylA 和超表达 TAL1 基因、TKL1 基因的酿酒酵母工程菌株可以在木糖为唯一碳源的 平板上生长；摇瓶发酵实验结果表明，该工程菌株可 以发酵木糖形成 1.3 g/L乙醇，在酿酒酵母菌中建立了 一条新的木糖代谢途径。 3.2. 降低副产物的生成率，提高乙醇产量 在酵母发酵产生乙醇的过程中最主要的副产物 就是甘油，甘油的生成会消耗总碳源的 4%~10%[32]。 产生甘油的主要原因是在厌氧条件下，呼吸链不起作 用，这样使 NADH 还原成 NAD+的唯一途径就是通过 甘油的形成，从而维持细胞内氧化还原电势的平衡。 甘油的生物合成途径包括磷酸二羟丙酮在 3-磷酸甘 油脱氢酶(GPDH)的催化下还原为3-磷酸甘油，后者 在3- 磷酸甘油酯酶的作用下脱磷形成甘油，其中由 GPD1和GPD2两个基因编码的 3-磷酸甘油脱氢酶是 限制性因素，且 GPD2 是最重要的部分。研究者通过 改变甘油合成途径的关键酶，改变碳流方向与碳流 量，从而提高乙醇发酵的产率。Bjorkqvist等[33]研究 了缺失 GPD1或GPD2 基因与2种基因双缺失的酿酒 酵母在有氧条件下的生理学反应。研究结果表明，在 有氧培养条件下，缺失 GPD1 或GPD2的菌株与亲本 比较，生长速率略低，甘油产量较亲本分别减少了 69%和54%，乙醇产率由0.38 变为 0.37 g/g；而双基 因缺失突变体在有氧条件下的生长速率只有亲本的 50%左右，未检测到甘油，乙醇产率为0.36 g/g。Valadi 等[34]在前人基础上研究了 GPD2缺失型突变菌株在厌 氧条件下生长，乙醇产量提高了8%，甘油形成量降 低了 40%，但是与野生型菌株 W3O3-IA 相比，该菌 株的生长速率降低了 45%；同时敲除GPD1 和GPD2 的菌株表现为在厌氧条件下不能生长。Nissen[35]等报 道了通过减少 NADH的生成，消耗生物合成过程中的 ATP 的方法降低甘油的产量，方法是通过在氨基酸合 成过程中改变辅助因子的需求。构建了一株敲除 GDH1，但过量表达 GDH2 或者是 GLT1 和GLN1 的 菌株 TN19，结果乙醇的产率提高了 10%，甘油的产 率降低了 38%。Kong 等[36]也采用同样的原理进行了 提高乙醇产量的研究。通过敲除 FPS1，(编码甘油运 输的通道蛋白)，过量表达GLT1，乙醇的产率提高 14%，而甘油的产量降低 30%。 3.3. 提高乙醇耐受性 乙醇对酵母细胞生长和乙醇发酵具有强烈的抑 制作用，提高酵母菌株的乙醇耐性，是提高发酵终点 乙醇浓度的先决条件。在酿酒酵母中增加不饱和脂肪 酸的量可在乙醇存在时加强细胞膜的流动性，从而提 高乙醇耐性[37]。Kajiwara 等[38]通过在酿酒酵母中表达 拟南芥Δ-脂肪酸去饱和酶基因，并超表达酿酒酵母自 身的Δ-脂肪酸脱饱和酶基因，增加了细胞膜脂质不饱 和脂肪酸的比例，使菌体在高的乙醇浓度中仍具有产 乙醇的能力，显现出很高的乙醇耐受性。 3.4. 其他代谢工程手段 另外，还可以通过构建代谢旁路和改变能量代谢 途径等代谢工程手段提高乙醇产率，如 Chen 等[39]成 功地通过导入血红蛋白基因，提高酿酒酵母的乙醇产 量；漆酶过量表达赋予了克隆菌对木质纤维素水解物 中酚抑制剂的高耐受性，从而改善了酿酒酵母由可再 生原材料生产乙醇的产量[40]。脯氨酸是类似于海藻糖 和甘油的渗透压保护剂，能够提高酿酒酵母对冷冻或 干燥条件下的耐受性。通过破坏 PUT1 基因(编码脯氨 酸氧化酶)，使得脯氨酸在细胞内积累，从而提高细胞 对外界环境的耐受性[41]。 4. 非粮原料燃料乙醇生产 我国当前的燃料酒精生产是以糖质和淀粉质原 料为主，一方面成本居高不下，无法与汽油和柴油等 成品油竞争；另一方面存在“与人争粮、与粮争地” 的问题。燃料酒精在我国的产业发展受到严重制约。 积极开发非粮替代资源及相应的乙醇生产技术是解 决问题的根本。 Copyright © 2012 Hanspub 84  燃料乙醇生产研究进展 4.1. 以纤维素为原料的乙醇生产 纤维素是地球上最丰富的可再生生物质资源，它 占地球生物总量的60%~80%。陆生植物每年约生产 1500 亿吨纤维素、半纤维素以及木质素。因此，利用 秸秆、蔗渣、废纸、垃圾纤维等木质纤维素类物质作 为粮食替代资源生产燃料乙醇有着光明的前景被称 为“第二代燃料乙醇”。但与葡萄糖单元以糖苷键聚 合而成的淀粉质原料不同，纤维素不仅被半纤维素和 木质素所包裹，且其本身也存在着复杂的结晶结构， 必须将其晶体结构破坏后，才有利于纤维素酶的降解 作用，进而获得可发酵的糖。以木质纤维素类生物质 为原料生产燃料乙醇有两个完全不同的平台技术：即 热化学转化(Thermochemical Platform)和生物化学转 化(Biochemical Platform)。现阶段热化学转化的技术 经济指标略好，但与生物化学转化技术相比相差不 大。鉴于热化学转化技术能耗高，进一步提高其技术 经济指标的空间有限，而生物化学转化技术则可以依 托现代生物技术进展不断提高其技术经济指标，因而 被公认为是纤维素乙醇技术发展的主要方向，但目前 在预处理技术、纤维素酶技术、混合糖发酵技术发酵 方面仍然面临很多技术难点和挑战。 纤维素生物转化过程集成化技术将反应或分离 步骤中的不同方法集成在一个反应器或一个工艺步 骤中，简化工艺流程、提高生产效率[42]。在“纤维素 酶解制乙醇”的过程中，纤维素酶存在显著的产物抑 制效应。通过同步糖化发酵，可以较好地解决乙醇产 物抑制问题。然而，目前比较流行的纤维素液体同步 糖化发酵分离的方法存在糖浓度低、乙醇浓度低、纤 维素酶用量大、发酵剩余物含水量大和综合利用困难 等问题。陈洪章等[43]纤维素固相酶解–液体发酵相耦 合的技术可以有效地提高纤维素酶解效率和乙醇发 酵效率，降低纤维素酶解发酵乙醇的成本。 4.2. 以菊芋为原料的乙醇生产 菊芋，别名鬼子姜、洋姜等，为菊科向日葵属一 年生草本植物，耐旱、耐寒、耐盐碱，能够在不适宜 于粮食和经济作物生长的边际土地上种植，且生物质 产量高[44]。菊芋的主要成分菊粉是带有一个葡萄糖末 端的低聚果糖，与目前国内外普遍关注的以农作物秸 秆为代表的木质纤维素类生物质相比，菊芋原料水解 既不需要技术难度大，糖份损耗高的预处理技术，也 不需要成本昂贵的酶制剂。由于菊粉的聚合度低，菊 芋原料的水解比淀粉质原料还容易，不需要高温液 化，一步菊粉酶水解就可以获得可发酵性糖，工艺流 程简单，能耗低。因此，菊芋是替代粮食类淀粉质原 料生产燃料乙醇和其它生物基化学品可供选择的原 料之一。 国外自上世纪 80年代开始进行发酵菊芋生产乙 醇的研究，研究重点在菊粉酶生产菌株及乙醇发酵菌 株的选育，并以菊粉为原料，对分步糖化发酵和同步 糖化发酵工艺进行研究。近年来，国内的学者也进行 了类似的研究，以菊芋粉为底物，利用 Aspergillus. niger SL-09和Saccharomyces cerevisiae Z-06采用同步 糖化与发酵法利用菊芋生产乙醇[45]。本课题组开展了 以盐碱地种植收获的菊芋块茎为原料生产燃料乙醇 的研究工作，选育了具有菊粉酶生产能力且乙醇发酵 性能良好的克鲁维酵母(Kluyveromyces sp.)，开发了集 产酶、菊粉糖化及乙醇发酵为一体的创新技术(统合加 工技术 CBP，consolidated bioprocessing)，将产酶、糖 化和乙醇发酵三个环节耦合，是技术经济指标最具有 竞争能力的技术路线[46]，其主要优点在于： 1) 乙醇发酵对菌株产酶能力要求不高，产生的菊 粉酶水解菊粉的速率与乙醇发酵能够匹配即可，与使 用商品菊粉酶或单独生产菊粉酶相比，经济上最合 理； 2) 以菊芋为原料生产燃料乙醇，没有高温液化环 节，虽然节省了能耗，但也增加了杂菌污染的可能性， 将产酶、糖化和乙醇发酵三个环节耦合起来(乙醇发酵 速率略高于菊粉酶解速率)，水解下来的可发酵性糖被 及时发酵为乙醇，在过程中不积累，可以有效防止杂 菌污染，提高乙醇收率。 因此，集产酶、糖化及乙醇发酵于一体的创新技 术，是菊芋为原料燃料乙醇生产的最佳技术路线和技 术发展趋势。 4.3. 以木薯为原料的乙醇生产 木薯，热带和亚热带广泛种植的粮食和经济作 物，适应性强，耐水、耐瘠、耐旱，产量高，淀粉含 量高，已被世界公认为具有发展潜力的生产乙醇的可 再生资源。我国非粮燃料生物乙醇试点项目广西北海 Copyright © 2012 Hanspub 85  燃料乙醇生产研究进展 年产 20 万吨木薯燃料乙醇项目于2007 年12 月已投 产，是我国迄今为止唯一投入生产的非粮燃料乙醇项 目。这个项目的建成，意味着生物质能源的发展路线 真正走向非粮化发展。 以木薯为原料生产乙醇虽然有很多成本上的优 势，但也同时存在很多制约瓶颈。目前存在的主要问 题有：一是人们还没有认识到木薯的经济价值，种植 的比较少，产量也比较低，一般都是处于自然生长状 态，并且缺乏专门用于生产燃料乙醇的专用品种，大 部分的木薯淀粉含量比较低，不适合燃料乙醇的生 产；二是木薯乙醇企业的“三废”处理技术比较低， 从而导致了严重的环境污染，制约着木薯乙醇的进一 步发展。因此，寻找适合燃料乙醇生产的专用品种并 增加种植面积、提高产量以及采用清洁的燃料乙醇生 产技术是亟需解决的难题[47]。 4.4. 以甜高粱为原料的乙醇生产 甜高粱又叫甜秆、糖高粱、芦粟等，属禾本科高 粱属，普通粒用高粱的一个变种。甜高粱具有抗逆性 强、含糖量高、生物产量高、光合效率高和粮、饲、 能兼用等优良特性，备受世界各国的关注。目前，在 众多生物质能源作物中，甜高粱以其高的乙醇转化率 和抗逆性成为符合我国国情既产能源又产粮食的理 想作物。尤其在能源环境危机日趋加剧的今天，它的 开发利用为生产燃料乙醇原料的多元化发展开辟了 一条新路，对减少我国石油消费对国际市场的依赖、 保证国家能源安全和粮食安全具有重大的意义。 由于甜高粱属于 C4植物，具有极强的光合速率， 鲜茎秆产量达 75~300 t/hm2。甜高粱大约 16 t茎秆能 加工成 1 t的精乙醇，每年可生产 95% (v/v)的乙醇 6000~7500 kg/hm2，超过木薯、玉米、小麦等近 1倍 以上。因此，以甜高粱茎秆汁液为原料生产燃料乙醇， 无论是从经济性还是从能源安全的角度讲，都具有广 阔的发展前景[48]。 4.5. 以甘蔗为原料的乙醇生产 新世纪以来，甘蔗燃料乙醇在世界生物质燃料乙 醇生产中一直占据近半壁江山。在我国，甘蔗的种植 分布在热带及亚热带地区，主要是在广西。利用甘蔗 生产燃料乙醇与其他原料相比具有以下几点优势：一 是甘蔗对自然资源的利用率非常高，包括光合效率 高、占用的土地少等；二是甘蔗的生物产量高、可发 酵性糖类的含量高等；三是利用甘蔗生产乙醇的产量 高、成本低。因此利用甘蔗为原料甘蔗生产燃料乙醇 具有广阔的发展前景。但我国甘蔗种植地区的环境平 均温度较高，这就对酿酒酵母的耐高温要求较高，否 则就会增加乙醇的生产成本。因此，高浓度发酵技术、 使用耐高温、耐高浓度乙醇酵母是我国甘蔗燃料乙醇 的关键。 5. 展望 资源、能源和环境是制约国民经济和社会可持续 发展的重大瓶颈问题，积极探索并创立新技术，建立 资源和能源可持续利用的环境友好型社会是“十二 五”期间科技创新的重要内容之一。我国燃料乙醇技 术研究开发起步晚，缺乏引导和协调，低水平重复现 象严重。燃料乙醇生产成本远高于发达国家水平。积 极开发代粮原料及优化工艺提高发酵水平至关重要， 另一方面需要通过基因工程和代谢工程等近代分子 生物学技术来培育和构建新的生产菌株以提高工艺 水平、最大程度降低生产成本。 6. 致谢 感谢国家自然科学基金(21106016)， 教育部高 校 基本业务费专项项目(DUTSM13)，辽宁企业博士后基 金资助。 参考文献 (References) [1] 梁倩. 生物质能源的成本分析[D]. 南京林业大学, 2008. 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