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。 Bioethanol is the most mature biomass energy, which can solve 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.
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[
传统的淀粉质原料发酵工艺中,都经高温蒸煮或喷射液化,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[
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[
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[
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 Soluble)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[
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[
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。
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[
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[
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[
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[
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[
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%[
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[
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[
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。
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[
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[
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[
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。
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[
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[
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。
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。
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。
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