木質(zhì)纖維素高效降解技術(shù)研究與應(yīng)用

木質(zhì)纖維素高效降解技術(shù)研究與應(yīng)用

在生物燃料的開發(fā)過程中，會出現(xiàn)一些影響食品安全的問題。特別是生產(chǎn)生物燃料乙醇大國的美國,以玉米產(chǎn)量的一半多生產(chǎn)燃料乙醇,遭到廣大發(fā)展中國家和國際組織的反對。我國的糧食制乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展也遇到了類似的問題,國家最初批準(zhǔn)全國建立4個燃料乙醇企業(yè)的主要目的是消化各地的陳化糧。但到2005年左右,隨著陳化糧食消耗殆盡,生產(chǎn)原料已逐步以玉米新糧為主。若進(jìn)一步發(fā)展,會造成與人爭糧、與糧爭地的問題。2007年,國家發(fā)改委明確表示,將不再利用糧食作為生物質(zhì)能源的生產(chǎn)原料,取代糧食的將是非糧作物。由于糧食燃料乙醇在其發(fā)展中遭遇到難以逾越的障礙,許多國家把發(fā)展生物燃料乙醇的希望轉(zhuǎn)向纖維素燃料乙醇,即“第二代生物燃料乙醇”。纖維素是地球上資源量最豐富的可再生資源,每年僅陸生植物就可以產(chǎn)生纖維素約500億t;纖維素資源還是最主要的生物質(zhì)資源,占地球生物總量的60%~80%。我國的纖維素原料非常豐富,每年產(chǎn)量達(dá)7億多t。纖維素原料制取燃料乙醇是一個具有巨大潛力的新領(lǐng)域,實現(xiàn)了廢物資源化、無害化,對于改變能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、替代化石能源具有廣遠(yuǎn)的前景和深遠(yuǎn)意義。國內(nèi)科研界和大型企業(yè)競相開發(fā)和研究木質(zhì)纖維原料轉(zhuǎn)化燃料乙醇的技術(shù)。1關(guān)于科研1.1纖維素乙醇發(fā)酵技術(shù)中國科學(xué)院于2007年12月中旬啟動“纖維素乙醇的高溫發(fā)酵和生物煉制”重大項目。該項目實施年限為2008—2011年。該項目分成4個子課題,由中國科學(xué)院系統(tǒng)的科研單位分別承擔(dān),項目經(jīng)費達(dá)2500萬元。4個子課題分別是:木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)研究,新型木質(zhì)纖維素降解酶系的發(fā)現(xiàn)、改造與應(yīng)用,高溫乙醇菌的系統(tǒng)生物技術(shù)改造,纖維素乙醇發(fā)酵過程優(yōu)化與控制。其中,木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)研究項目選擇具有代表性的秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物、草本能源植物等木質(zhì)纖維素原料,提出一套完整的木質(zhì)纖維素高效、低成本預(yù)處理方法,中試規(guī)模實現(xiàn)原料預(yù)處理成本(折算成乙醇)低于200元/t。新型木質(zhì)纖維素降解酶系的發(fā)現(xiàn)、改造與應(yīng)用項目將采用元基因組學(xué)等手段,從環(huán)境樣品中篩選新型木質(zhì)纖維素降解基因及基因簇。通過對其降解酶的應(yīng)用特性研究,開發(fā)高效的木質(zhì)纖維素降解酶系,最終獲得高效表達(dá)木質(zhì)纖維素酶的工程菌。高溫乙醇菌的系統(tǒng)生物技術(shù)改造項目則通過高通量篩選,獲得直接利用纖維素和半纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的高溫菌株。通過對乙醇工業(yè)生產(chǎn)酵母的耐熱性能改造,顯著提高酵母發(fā)酵階段的耐溫性能,使乙醇工業(yè)生產(chǎn)酵母的耐熱溫度達(dá)到40℃以上,單位乙醇消耗原料(干基)控制在5t/t。纖維素乙醇發(fā)酵過程優(yōu)化與控制項目將通過對乙醇高溫發(fā)酵系統(tǒng)的模型化和系統(tǒng)優(yōu)化,設(shè)計一套高溫纖維素乙醇生產(chǎn)中試示范裝置。此外,還將建立纖維素乙醇技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的數(shù)學(xué)模型,分析纖維素乙醇高溫發(fā)酵在不同設(shè)計方案、操作條件及生產(chǎn)規(guī)模下的經(jīng)濟(jì)性,并與國內(nèi)外其他主要技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行比較。該課題還將開展纖維素乙醇技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略分析與預(yù)測研究,完成萬噸級纖維素乙醇技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性研究報告。1.2活性干酶母固體發(fā)酵上海交通大學(xué)的研究人員于2008年12月底對外宣布,開發(fā)了甜高粱秸稈碎料采用活性干酶母固態(tài)發(fā)酵方法可生產(chǎn)乙醇。這項研究成果已發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(ACS)2008年12月23日出版的《能源與燃料》雜志上。該項研究描述了甜高梁秸稈以干碎料形式貯存8個月可生產(chǎn)乙醇的有效方法,采用活性干酶母固態(tài)發(fā)酵(SSF)判定了不同參數(shù),包括溫度、碎料尺寸、酶母接種速率和水含量對酶母生長、CO2和乙醇生成以及糖類使用的影響、固態(tài)發(fā)酵涉及微生物在含水固體碎料上的生長。上海交通大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn),溫度和碎料尺寸對酶母生長與乙醇產(chǎn)率的影響是重要的。此外,酶母接種速率和水含量與酶母生長也大有相關(guān),即使它們對乙醇產(chǎn)率影響不大。1.3燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化上海華東理工大學(xué)能源化工系,承擔(dān)國家863項目的“農(nóng)林廢棄物制取燃料乙醇技術(shù)”研究,近年已進(jìn)入工業(yè)性試驗階段。該863項目國家撥款1700萬元,專用于“生物質(zhì)廢棄物制取燃料乙醇”技術(shù)項目的工業(yè)性試驗,已建成年產(chǎn)燃料乙醇600t的示范工廠,在上海奉賢完成。接下來的問題就是如何產(chǎn)業(yè)化。按照現(xiàn)在的技術(shù),每噸燃料乙醇的生產(chǎn)成本在5500元左右,如果國家不補貼,就沒有多少市場競爭力,因此,還必須在降低成本上下功夫。爭取建成5000t/a的工廠,3~5年內(nèi)建成3萬t/a的工廠。1.4菌株篩選及活性基因型檢測吉林大學(xué)2003年受吉林省科技廳的委托,承擔(dān)省長基金———玉米秸稈發(fā)酵制酒精技術(shù)的研究,從康氏木霉(T.koningii)出發(fā),經(jīng)化學(xué)和物理方法復(fù)合誘變篩選到1株濾紙酶活(FPA)達(dá)9.14IU/g的高產(chǎn)菌株。2008年同吉林燃料乙醇合作維素酶的精制和大規(guī)模生產(chǎn)的研究項目,針對吉林玉米秸稈,從自然環(huán)境中篩選產(chǎn)纖維素酶菌株;構(gòu)建基因工程菌,表達(dá)纖維素酶組分;針對汽爆秸稈抑制物成分,誘變篩選發(fā)酵產(chǎn)乙醇的酵母菌;構(gòu)建同時利用戊糖和己糖的基因工程菌,增加原料利用率,提高單位秸稈乙醇產(chǎn)量。經(jīng)過幾年的努力,從腐爛的秸稈泥中篩選到1株適合東北秸稈降解的纖維素酶生產(chǎn)菌里氏木霉VDE-3,其野生菌FPU酶活為2.19IU/mL。該菌很有開發(fā)潛力,已申報專利。篩選得到1株β-葡萄糖苷酶高產(chǎn)菌株Tolypocladiumcylindrosporumsyzx4(頸霉屬的柱孢彎頸霉菌株syzx4),經(jīng)核酸序列比對分子鑒定后,該菌株為首次發(fā)現(xiàn),syzx4菌株液體發(fā)酵β-葡萄糖苷酶活達(dá)2.21U/mL,與國際上已報道的菌株相比,具有很強的優(yōu)勢;對syzx4菌株的篩選和發(fā)酵條件的優(yōu)化申請了專利。獲得嗜熱耐酸性β-葡萄糖苷酶基因,正在構(gòu)建高效表達(dá)的多克隆比赤酵母基因工程菌。構(gòu)建了β-葡萄糖苷酶宏基因組文庫,篩選得到多個苷酶基因,為苷酶基因的改良提供可能。建立了基于96孔板與汽爆秸稈粉的纖維素酶高通量檢測方法。發(fā)現(xiàn)了2種纖維素酶協(xié)同作用因子,單獨使用可以使纖維素酶活提高10%~20%。構(gòu)建了阿魏酸酯酶基因工程菌,表達(dá)酶活高達(dá)5700U/g。利用化學(xué)合成方法,合成了乙醇脫氫酶Ⅱ和丙酮酸脫羧酶基因,正在構(gòu)建能夠同時利用戊糖和己糖的大腸桿菌基因工程菌。通過化學(xué)合成方法合成了木糖異構(gòu)酶基因,釣取了轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶基因,正在構(gòu)建能夠同時利用戊糖和己糖的釀酒酵母基因工程菌。1.5實驗室法鑒定法吉林輕工業(yè)設(shè)計研究院(內(nèi)有聯(lián)合國援華玉米深加工研究中心)吉林沱牌農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)公司與丹麥瑞速國家實驗室合作研究“玉米秸稈濕氧化預(yù)處理生產(chǎn)乙醇”,2003年開始,2005年階段性鑒定,規(guī)模為10L發(fā)酵罐。階段性試驗結(jié)果為:在實驗室條件下,玉米稈經(jīng)濕氧化預(yù)處理后纖維素得率78.2%~83.6%;酶水解后酶解率86.4%;糖轉(zhuǎn)化為乙醇產(chǎn)率48.2%。在只利用六碳糖的情況下(即五碳糖尚未利用),7.88t玉米稈產(chǎn)1乙醇。10L全自動發(fā)酵罐發(fā)酵乙醇,發(fā)酵時間為62h,乙醇體積分?jǐn)?shù)6.2%。2006年在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新,并自主創(chuàng)新建成具有國際先進(jìn)水平的實驗室纖維質(zhì)原料預(yù)處理裝置。1.6生物質(zhì)與木糖的聯(lián)產(chǎn)山東大學(xué)承擔(dān)的“酶解植物纖維工業(yè)廢渣生產(chǎn)乙醇工藝技術(shù)”項目,開發(fā)成功木糖-乙醇聯(lián)產(chǎn)工藝,實現(xiàn)了生物質(zhì)資源的綜合及高值利用。另外,山東大學(xué)于2006—2010年期間,利用已經(jīng)經(jīng)過處理的廢棄纖維生產(chǎn)出纖維素酶和乙醇,盡快通過中試,建立和完善木糖相關(guān)產(chǎn)品-乙醇聯(lián)產(chǎn)工藝,建立起萬噸級纖維素乙醇示范工廠,實現(xiàn)纖維素乙醇的較大規(guī)模試生產(chǎn)。該項目有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。2安徽省中小企業(yè)纖維素乙醇的生產(chǎn)目前,國內(nèi)有些公司和科研單位已經(jīng)建立小規(guī)模的中試生產(chǎn)廠,河南天冠集團(tuán)公司采用玉米秸稈和小麥秸稈研究纖維素乙醇的小規(guī)模生產(chǎn),安徽豐原集團(tuán)、中糧集團(tuán)也分別開展了相應(yīng)的工作。此外,一些科研單位實驗室成果已擴(kuò)大到中試階段,如中國科學(xué)院過程工程研究所和山東澤生生物科技有限公司共同承擔(dān)的“3000t/a秸稈酶解發(fā)酵燃料乙醇示范工程”,已于2006年在山東東平通過了中科院組織的項目鑒定。2.1植物秸稈纖維素制乙醇中糧集團(tuán)500t/a纖維素乙醇試驗裝置采用纖維素酶解技術(shù),于2006年11月22日一次投料試車成功,1t乙醇消耗7t玉米秸稈,纖維素酶解轉(zhuǎn)化率達(dá)到92%,成熟醪酒分為5%,纖維素出酒率為37.7%,直到乙醇產(chǎn)出全過程蒸氣消耗7t/t,直到乙醇產(chǎn)出全過程總能耗折標(biāo)煤1010kg/t,酶制劑由中糧集團(tuán)與丹麥諾維信公司聯(lián)合開發(fā)。實驗結(jié)果顯示,各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期的先進(jìn)水平,標(biāo)志著中糧集團(tuán)在國內(nèi)纖維素酒精生產(chǎn)領(lǐng)域率先實現(xiàn)技術(shù)突破。2010年5月28日,中糧集團(tuán)與中石化集團(tuán)、丹麥諾維信公司簽署合作協(xié)議,投資2億多元,于2011年第三季度在黑龍江肇東市投建首個植物秸稈纖維素制乙醇萬噸級裝置。這座以玉米秸稈為原料的萬噸規(guī)模纖維素乙醇示范工廠,中糧集團(tuán)將作為主要的投資方來負(fù)責(zé)投資,中石化集團(tuán)作為輔助,諾維信將為該工廠提供酶制劑。中糧計劃在這個萬噸工業(yè)化試驗裝置試驗成功后,上馬5萬t級的新工廠,并有計劃在其它地點復(fù)制新項目。2.2秸稈乙醇產(chǎn)業(yè)化技術(shù)河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司自1997年起,先后與山東大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)和河南農(nóng)業(yè)大學(xué)合作,聯(lián)合開展技術(shù)開發(fā)工作。2006年9月,河南天冠3000t/a的纖維乙醇項目在河南鎮(zhèn)平縣奠基,這是國內(nèi)首條千噸級纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化試驗生產(chǎn)線,2009年6月底通過專家驗收并已投入運行。其產(chǎn)出的秸稈纖維乙醇,產(chǎn)品質(zhì)量合格率達(dá)到100%,項目整體技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。專家認(rèn)為,該項目在纖維素酶和糖化設(shè)備研制開發(fā)等方面取得了重大突破,具備了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)條件。該項目在以下方面取得進(jìn)展:(1)開發(fā)了原料預(yù)處理新工藝,秸稈預(yù)處理后發(fā)酵單糖的得率提高到44.5%;(2)選育出了纖維素酶生產(chǎn)菌株和半纖維素酶生產(chǎn)菌株,建立了酶生產(chǎn)車間,進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn);(3)開發(fā)了適宜規(guī)?；a(chǎn)秸稈纖維乙醇的關(guān)鍵工藝及糖化設(shè)備,乙醇糖化用酶量已降低至原來工藝的1/3;(4)成功選育馴化了可同化木糖生產(chǎn)乙醇的菌株,其發(fā)酵性能得到大幅度提高,糖醇轉(zhuǎn)化率已提高到45%以上,耐乙醇能力已提高到12%以上;(5)申請發(fā)明專利4項,并得到國家知識產(chǎn)權(quán)局的受理,完成研究成果論文6篇,培養(yǎng)了一支近100人的專業(yè)技術(shù)人員團(tuán)隊。目前,河南天冠公司已經(jīng)擁有了多項利用秸稈生產(chǎn)乙醇的關(guān)鍵技術(shù),采用酸水解和酶水解結(jié)合,合成戊糖、己糖發(fā)酵生產(chǎn)酒精,達(dá)到了6秸稈生產(chǎn)1t乙醇的效果,并且擁有了自己培育的高活性纖維素酶菌種。同時,該集團(tuán)還成功開發(fā)了新型酒精發(fā)酵設(shè)備,從根本上解決了纖維乙醇發(fā)酵后酒精濃度過低的難題,降低了水、電、汽的消耗,成本降低至1000元/t以下(過去約在3000元/t)。由天冠集團(tuán)、浙江大學(xué)、上海天之冠可再生能源公司、鄭州大學(xué)4個單位承擔(dān)的秸稈乙醇關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化示范項目國家科技支撐計劃組織實施,并于2010年完成。該項目旨在通過對纖維乙醇原料的預(yù)處理、綜合用酶的生產(chǎn)、共酵菌株的構(gòu)建、發(fā)酵液的治理、原料的收購儲運等關(guān)鍵技術(shù)的突破性研究,降低秸稈乙醇生產(chǎn)成本,實現(xiàn)生物質(zhì)能源的“非糧替代”,深入推進(jìn)我國生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。該項目包括秸稈乙醇產(chǎn)業(yè)化示范關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)、秸稈降解微生物的構(gòu)建及發(fā)酵工藝優(yōu)化、秸稈乙醇酶解發(fā)酵關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、秸稈乙醇工程放大及關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)等4個課題。2008年4月河南天冠集團(tuán)5000t/a秸稈乙醇項目在南陽市鎮(zhèn)平縣工業(yè)園區(qū)建成投入試運行,總投資6150萬元。包括建設(shè)1萬t/a纖維素酶和5000t/a秸稈乙醇生產(chǎn)裝置一套,以及相關(guān)公用工程,預(yù)計投產(chǎn)后成本比當(dāng)前糧食乙醇高15%以內(nèi)。2009年計劃建設(shè)1萬t/a纖維素乙醇標(biāo)準(zhǔn)化示范工廠。此示范工廠建成并成功運行后,將可大量布點復(fù)制,以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位建設(shè)1萬t/a纖維素乙醇廠,在中心城區(qū)建設(shè)集中的脫水裝置和纖維素酶生產(chǎn)線,實現(xiàn)纖維素乙醇的產(chǎn)業(yè)化。2.3甜高爐秸稈制乙醇試點項目吉林燃料乙醇有限公司開展纖維素制燃料乙醇前期工作。2006年開始著手玉米秸稈制燃料乙醇項目的研發(fā)工作,完成了3000t/a以玉米秸稈為原料制乙醇項目的酸水解工藝可行性研究報告,且環(huán)境評估報告已經(jīng)通過國家評審;開展了甜高粱莖稈制燃料乙醇技術(shù)研究。2007年9月,吉林燃料乙醇有限公司3000t/a甜高粱莖稈制乙醇示范項目在江蘇省鹽城地區(qū)東臺市啟動。該項目建設(shè)投資6500萬元。以甜高粱莖稈為原料制燃料乙醇工程的實施,不僅開啟了我國發(fā)展生物質(zhì)能源的新途徑,而且還可帶動當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收,拉動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。2.4秸稈生物利用技術(shù)中科院過程所與山東澤生生物公司在2006年建立了3000t/a秸稈發(fā)酵制乙醇示范生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線采用了許多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù),其中包括:蒸汽熱噴預(yù)處理、秸稈不用酸、堿的汽爆處理技術(shù)、秸稈固相酶解發(fā)酵-氣提分離乙醇耦合體系和纖維酶固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)等。通過菌種選育和優(yōu)化已獲得纖維素酶、半纖維素酶產(chǎn)菌株,成功地構(gòu)建了用于乙醇生產(chǎn)的酵母工程菌株,完成了固態(tài)發(fā)酵試驗。目前,秸稈酶解發(fā)酵乙醇示范工程已完成了5m3汽爆系統(tǒng),100m3纖維酶固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)和110m3秸稈固態(tài)酶解、同步發(fā)酵吸附分離三重耦合反應(yīng)裝置等,為萬噸級乙醇工業(yè)生產(chǎn)放大生產(chǎn)提供條件。另外,秸稈預(yù)處理費用控制在乙醇生產(chǎn)成本的15%以下。全流程運轉(zhuǎn)結(jié)果表明,纖維素轉(zhuǎn)化達(dá)到70%,乙醇產(chǎn)率達(dá)到15%。目前,澤生生物科技有限公司現(xiàn)正著手將燃料乙醇生產(chǎn)能力擴(kuò)至1萬t/a,同時籌備6萬t/a燃料乙醇項目的各項前期工作。預(yù)計6萬t/a項目建成后,每年可消耗秸稈42萬t,生產(chǎn)燃料乙醇6萬t、木糖1萬t、低聚木糖4000t、有機復(fù)合肥6萬t。2.5秸稈生物利用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化示范技術(shù)推廣應(yīng)用安徽豐原集團(tuán)全力拓展燃料乙醇生產(chǎn)所需原料和相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新,創(chuàng)造性地提出了秸稈原料生產(chǎn)乙醇先分離后發(fā)酵的工藝路線,并與國內(nèi)相關(guān)高校和科研院所合作進(jìn)行系統(tǒng)工程研究。經(jīng)過協(xié)同攻關(guān),目前豐原集團(tuán)發(fā)酵技術(shù)國家工程中心已成功突破秸稈利用的兩項重大技術(shù)瓶頸———纖維素水解酶的系列開發(fā)以及用于五碳糖發(fā)酵技術(shù)工程的菌株開發(fā)。豐原集團(tuán)作為國內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品深加工企業(yè),從2002年開始豐原集團(tuán)依托發(fā)酵技術(shù)國家工程研究中心,對玉米秸稈纖維素轉(zhuǎn)化利用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化示范進(jìn)行了大量研究,在原料預(yù)處理、纖維素酶制備、混合糖發(fā)酵、分離提取、廢液處理、專業(yè)設(shè)備制造等單元技術(shù)方面取得了重大突破。2009年10月建成了以玉米秸稈為原料5000t/a燃料乙醇工業(yè)化示范項目。目前,豐原集團(tuán)用秸稈等植物纖維生產(chǎn)乙醇,約6t秸稈可生產(chǎn)1t乙醇,其成本和玉米充分綜合利用后分?jǐn)偟某杀鞠喈?dāng),成本極其低廉。3秸稈制乙醇尚未取得實質(zhì)性突破盡管秸稈生產(chǎn)燃料乙醇已紛紛被國內(nèi)外看作是未來發(fā)展方向,而且國內(nèi)不少企業(yè)不遺余力地參與其中,但從目前的情況看,秸稈制乙醇在技術(shù)、成本上并未取得實質(zhì)性的突破,仍過多地停留在概念炒作上。制約二代生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化有如下幾個原因。3.1纖維素的降解從木質(zhì)纖維素出發(fā)生產(chǎn)燃料乙醇,必須將生物大分子降解為能夠被酵母利用的小分子糖類物質(zhì),然后生成乙醇。木質(zhì)纖維素的降解技術(shù)可以采用酸水解和酶水解兩條不同的技術(shù)路線來實現(xiàn)。酸解法需要高溫、高壓,而且抑制物多、發(fā)酵困難,還存在環(huán)保問題。酶解法相對來說比較溫和,只需要在常溫條件下水解,其選擇性高、抑制物少,糖的純度也高。但纖維素水解酶的獲取和使用不僅存在價格高的問題,還因為對應(yīng)性強,存在選擇問題,預(yù)處理技術(shù)非常復(fù)雜。3.2碳糖戊糖、木糖制備乙醇溶液不論是用糧食還是用秸稈生產(chǎn)燃料乙醇,都需要微生物發(fā)酵。秸稈制