生產(chǎn)生物燃料的技術(shù)難題

（青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042）

0 引 言

微生物通過發(fā)酵途徑可以將碳水化合物轉(zhuǎn)化為醇類、脂肪酸酯、直鏈烴和環(huán)烷烴等生物燃料。微生物法可利用的原料有很多，例如玉米、甘蔗、甜菜棕櫚油、植物油、草類和木類等。利用氣體原料例如一氧化碳和氫氣生產(chǎn)乙醇、醋酸鹽、丁酸鹽等受到越來越多的關(guān)注，例如一些厭氧微生物如產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等通過Wood-Ljungdahl通路，以CO/CO2和H2為碳源和能源，合成乙酰輔酶A（乙酰輔酶A是重要的中間代謝產(chǎn)物之一，在體內(nèi)能源物質(zhì)代謝中是一個樞紐性的物質(zhì)），進(jìn)而進(jìn)行物質(zhì)和能量代謝。但是，一氧化碳和氫氣難溶于水，所以將其導(dǎo)入發(fā)酵液中需要投入大量的財力物力[1]。

1 生產(chǎn)方法中遇到的主要問題

1.1 利用糖類生產(chǎn)乙醇和丁醇

微生物利用單糖或多糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和丁醇是很常見的事，難題在于回收產(chǎn)物、減少污染。例如將乙醇從共沸物中分離出的方法有很多，主要有滲透蒸發(fā)、滲透、蒸餾、分子篩吸附等[2]。但是上述方法都需要消耗大量能量 （乙醇重量比從95.6%提純至99.8%）。其中滲透蒸發(fā)和膜滲透的成本相對較低，滲透蒸發(fā)的優(yōu)點是混合物不需要加熱到沸騰，所以需要的熱能相對較低。分子篩可通過吸附作用將水分吸進(jìn)分子篩的孔徑中，從而去除共沸混合物中的水分，但是分子篩再生階段會出現(xiàn)大量液體，增加再生困難。

以拜氏梭菌為出發(fā)菌株生產(chǎn)丙酮、丁醇的發(fā)酵方法（Acetone-Butanol-Ethano），簡稱 ABE 發(fā)酵。在發(fā)酵過程中，利用油醇萃取發(fā)酵液中的丁醇，萃取之后通過蒸餾便可以得到產(chǎn)物，但是油醇具有一定的毒性，人們還在努力尋找毒性更小的萃取劑，但毒性小的萃取劑萃取丁醇能力有限，所以這也是一個難題。另外一種方法是汽提法，即利用二氧化碳或者是氫氣除去揮發(fā)性溶劑的方法，需要很大的氣流量，增加了生產(chǎn)成本，但這種方法顯著的增大了丁醇的產(chǎn)率[3]。

另外，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的正丁醇和異丁醇不利于微生物的生長，解決方法主要有增強菌株的適應(yīng)性、發(fā)酵過程中使用溶劑泵[4]等，這些方法只是在一定程度上提高了菌株的生產(chǎn)能力，但是發(fā)酵液中正丁醇和異丁醇的濃度可分別達(dá)到63 g/L和76 g/L，超出了菌株耐受程度，所以最有效的方法還是在發(fā)酵過程中及時除去產(chǎn)物醇類，這樣就減少了醇類對菌株的毒性、提高產(chǎn)率、減少后處理步驟。

1.2 木質(zhì)纖維素降解纖維素和半纖維素，轉(zhuǎn)化為糖

發(fā)酵之前生物質(zhì)要進(jìn)行預(yù)處理，在過去的80年已研究出很多預(yù)處理的方法[5]。比較常見的就是爆破破碎處理，此法可增加酶和底物的接觸面積，減少酶的作用時間，且不會影響葡萄糖的產(chǎn)率。生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，其水解產(chǎn)物具有葡萄糖和木糖并存的基本特點。將生物質(zhì)水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為液體燃料面臨的共性難點問題之一是葡萄糖和木糖并存的原料難以被微生物高效利用，更重要的是，纖維素酶可吸附在木質(zhì)素上，且此過程為不可逆過程，酶回收時還要移除木質(zhì)素。基于此，在發(fā)酵之前，有必要將纖維素和木質(zhì)素分離開，目前比較有前景的方法是將生物質(zhì)溶解在特定的離子液體中，通過加入水或者是其他的抗溶劑使得纖維素沉降下來[6]，而木質(zhì)素在離子液體中溶解，過濾之后，木質(zhì)素重新回收，纖維素沉降下來，沉降的纖維素在纖維素酶的水解作用下高效率的轉(zhuǎn)化為糖類，比稀酸處理的生物質(zhì)的效率還要高[7-8]，目前這種現(xiàn)象的反應(yīng)機理還不清楚，這種離子液體預(yù)處理方法的成本主要在于離子液體本身和回收利用的成本[9]。表面活性劑吐溫80可增加酶的溶解性，使酶的使用量減少約60%，很大程度上減少了資金消耗。超聲波處理是另一種有效的方法，它可以增大生物質(zhì)的表面積，增強酶的水解能力。液氨處理可以使得木質(zhì)素異構(gòu)化，這使得酶促反應(yīng)更好的進(jìn)行[10-11]。

在糖化和水解同時進(jìn)行的發(fā)酵模式中，水解過程中需要高濃度的固體以得到足夠量的糖類[12]，但是這會導(dǎo)致溶液粘度增大，攪拌困難[13]。用硫酸預(yù)處理的原料，可以高產(chǎn)率發(fā)酵得到高濃度的乙醇（＞4%～6%)。在高固體濃度條件下，預(yù)處理過程和酶的水解過程還需要進(jìn)一步的探討。預(yù)處理的成本在整個發(fā)酵過程中的成本占有一定的比例。

此過程中纖維素酶的用量及酶與生物質(zhì)的加入比例對發(fā)酵成本影響比較大，雖然也有其他活性比較高的真菌，但木霉菌對于纖維素酶來說，是比較經(jīng)濟(jì)的菌株[14]。真菌纖維素酶的生產(chǎn)和真菌的生產(chǎn)狀態(tài)有很大關(guān)系，是可以控制的，例如乳糖可誘導(dǎo)纖維素酶的生產(chǎn)，一些二糖如槐二糖、纖維二糖、纖維素水解后的氧化產(chǎn)物也可以誘導(dǎo)纖維素酶的產(chǎn)生[15]。細(xì)菌纖維素酶表達(dá)水平低，故沒有真菌纖維素酶的活性高。大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)生物燃料時，要考慮生產(chǎn)成本，還要提高纖維素酶的活性，尤其是糖基化作用對酶活性的影響。

1.3 同步糖化發(fā)酵和聯(lián)合發(fā)酵

微生物預(yù)處理后的發(fā)酵過程和糖化過程在單一容器中進(jìn)行，即糖化和發(fā)酵這兩個不同的工藝過程在同一個生物反應(yīng)器中同時進(jìn)行的反應(yīng)方式叫同步糖化發(fā)酵(SSF)，這就大大簡化了糖化和發(fā)酵過程，降低了資金、節(jié)約了成本。更重要的是，在大多數(shù)的情況下，糖化速率要慢于發(fā)酵速率，當(dāng)糖化過程生成單體糖后，相對快速的發(fā)酵反應(yīng)馬上將糖轉(zhuǎn)化為發(fā)酵產(chǎn)物，從而使生物反應(yīng)器中的單體糖的濃度始終保持在最低的水平，這會降低雜菌的感染，提高產(chǎn)物收率。同時，因為較低的糖溶度，在糖化反應(yīng)中經(jīng)常發(fā)生的產(chǎn)物糖對酶催化反應(yīng)的抑制作用，得到了有效的控制，從而加快了糖化的速率，這個效果在高溫發(fā)酵過程中更為明顯。

所以現(xiàn)在人們將研究重點放在同步糖化發(fā)酵上，真菌纖維素酶的最適作用溫度是50.8℃，如果是酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，發(fā)酵溫度必須在此溫度以下以適于酵母菌的生長 （最適溫度30℃，最高溫度40℃）。真菌發(fā)酵中適用的纖維素酶在50.8℃的活性僅是在30.8℃活性的30%[16]，所以這也是一個矛盾的問題。

長期以來，人們一直在尋找一種生物菌種，可以在發(fā)酵木質(zhì)纖維素的同時還生產(chǎn)乙醇或者是其他的產(chǎn)物，這種發(fā)酵方式叫做聯(lián)合發(fā)酵（CBP），前提條件是微生物須是嗜熱型的。Clostridiales和Thermoanaerobiales菌株在較高溫度下具有很強的代謝纖維素的能力，（熱纖梭菌分解纖維素的最適溫度是70.8℃[17]),但是濃度低于5%時不會生產(chǎn)乙醇。聯(lián)合發(fā)酵在商業(yè)上的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢，因為它在一定程度上節(jié)約了成本，但是它建立在一個苛刻的條件上：碳水化合物的濃度達(dá)到400 FPU/g，其中90%的原料轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，僅有10%的原料用于轉(zhuǎn)化為乙醇和生物的生長，生產(chǎn)率是400 FPU/L.h有點是整個發(fā)酵過程僅需一天半[18]，周期較短。

1.4 藻類生產(chǎn)甘油三酯和脂肪酸

微藻可利用脂類物質(zhì)例如甘油三酯和脂肪酸生產(chǎn)生物燃料，幾乎所有的藻類都將脂類產(chǎn)在細(xì)胞中，只有Botryococcus braunii產(chǎn)物分泌至胞外，但是產(chǎn)率極低，故很少應(yīng)用于工業(yè)化。目前，工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)的難點就是收集藻類微生物。常見的方法有：離心分離、過濾、化學(xué)絮凝，但是化學(xué)絮凝成本較高，并且在處理過程中會引入像鋁離子這樣的污染物[19]。最新的研究進(jìn)展表明，低濃度的有機碳源（例如醋酸鹽、葡萄糖、甘油）會誘導(dǎo)藻類產(chǎn)生一種胞外聚合物附著在微藻表面，形成一種絮狀物，這樣就很容易的得到微生物，這是一個比較有前景的收集海藻微生物的方法。

另一方面，從完整的藻類細(xì)胞中提取脂質(zhì)是很困難的，因為它和細(xì)胞膜緊密相連，需要細(xì)胞破碎以最大限度的得到脂質(zhì)[20]。在這里，從大豆中提取大豆油的方法并不適用，因為藻類的體積小，且細(xì)胞壁厚。有研究表明，機械法是最合適的方法，但是消耗的能量高，超過的脂質(zhì)本身可提供的能量價值。所以藻類生產(chǎn)油脂的項目，還需要建立一個有效的油脂提取回收的方法。

2 展望

植物纖維資源是地球上分布最廣、含量最大、品種最多、價格低廉且可再生時間短的有機資源之一，利用可再生的植物纖維資源生產(chǎn)燃料對于緩解能源危機具有重大意義。利用再生資源解決液體燃料是一個國際性大問題，目前還沒有實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，主要是經(jīng)濟(jì)方面的問題[21]。因此，今后應(yīng)開發(fā)預(yù)處理新技術(shù)，培育價廉高活力的新型纖維素酶及五碳糖和六碳糖同步發(fā)酵的新菌種，研發(fā)出流程短、效率高和能耗低的生產(chǎn)乙醇新工藝,從而低生物燃料的生產(chǎn)成本，這將是今后科研的主攻方向[22]。

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