2.3.2　生物發(fā)酵制燃料乙醇

生物發(fā)酵制燃料乙醇分為生化法和合成氣發(fā)酵兩種，生化法是目前制取燃料乙醇的最主要方法，近10年以糧食和甘蔗為原料的第一代燃料乙醇產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。玉米燃料乙醇的生產(chǎn)過程包括預處理、脫胚制漿、液化、糖化、發(fā)酵和乙醇蒸餾步驟。早期的糧食乙醇生產(chǎn)工藝存在能耗高、反應速度慢和原料利用率低的缺點，經(jīng)過多年的技術(shù)改進，糧食乙醇的效率已經(jīng)得到很大提高。目前美國大部分乙醇企業(yè)的淀粉轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達到90%～95%，生產(chǎn)1億加侖燃料乙醇，需要90萬噸玉米，可同時副產(chǎn)30萬噸動物飼料和8500噸玉米油。糧食乙醇的酶制劑的成本也經(jīng)歷了從高到低的下降過程，酶制劑在成本中所占比例從30%～40%下降到了5%～10%。丹麥諾維信（Novozymes）公司在2012年推出了Avantec液化酶，在相同的工藝條件下，可提高乙醇產(chǎn)率2.5%，每生產(chǎn)1億加侖燃料乙醇可減少糧食消耗2.25萬噸。以甜高粱莖稈和木薯等非糧作物為原料的1.5代燃料乙醇，主要是利用作物中的糖類物質(zhì)，采用生化工藝，通過糖發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。

目前以纖維素和其他廢棄物為原料的第二代燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)主要有生化法和熱化學法。纖維素生物發(fā)酵制燃料乙醇的技術(shù)路線包括預處理、纖維素水解和單糖發(fā)酵3個關(guān)鍵步驟。預處理方法分為物理法、化學法、物理化學法和生物法，目的是分離纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，增加纖維素與酶的接觸面積，提高酶解效率。物理方法包括機械粉碎、蒸汽爆碎、微波輻射和超聲波預處理；化學法一般采用酸、堿、次氯酸鈉、臭氧等試劑進行預處理，其中以NaOH和稀酸預處理研究較多；物理化學法包括蒸汽爆破和氨纖維爆破法；生物法是用白腐菌產(chǎn)生的酶類分解木質(zhì)素。這些預處理方法各有其優(yōu)缺點，今后的主要研究方向是繼續(xù)探索反應條件溫和、無有毒副產(chǎn)物和糖化效率高的預處理技術(shù)。

纖維素酶成本較高的問題長期以來一直是阻礙纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙。20世紀90年代，每加侖纖維素乙醇的酶成本約為5美元。為了降低酶費用，美國能源局為Novozymes公司和美國杰能科（Genencor）公司提供資金研究纖維素糖化酶，2012年Novozymes推出酶制劑產(chǎn)品Cellic CTec3，比其推出的上一代商業(yè)酶CTec2轉(zhuǎn)化效率提高了50%，并且提高了溫度和酸堿度的適應范圍，降低了纖維素乙醇的生產(chǎn)成本（由2.5美元/加侖降至2美元/加侖）。Genencor公司在2011年推出最新一代的纖維素復合酶Accellerase^?TRIO產(chǎn)品，該酶同時含有外切葡聚糖酶，在Accellerase DUET基礎(chǔ)上，提高了處理高濃度底物的能力，酶用量可減少一半，最佳工作條件為pH值4.0～6.0，溫度40～57℃，可于SSCF發(fā)酵工藝。表2-4為Genencor公司發(fā)布的纖維素酶產(chǎn)品。丹麥DSM公司也推出了商業(yè)應用的纖維素水解酶，為Inbicon纖維素乙醇生產(chǎn)裝置提供酶產(chǎn)品。

表2-4　Genencor公司發(fā)布的用于燃料乙醇生產(chǎn)的纖維素酶產(chǎn)品

纖維素乙醇生產(chǎn)工藝主要分為4種，包括分步水解與發(fā)酵工藝（SHF）、同步糖化發(fā)酵工藝（SSF）、同步糖化共發(fā)酵（SSCF）和直接微生物轉(zhuǎn)化工藝（DMC）。其中SHF工藝是最先開發(fā)和應用最廣的纖維素乙醇技術(shù)，即纖維質(zhì)原料首先利用纖維素酶水解后，再進行C₅、C₆糖發(fā)酵，可分別發(fā)酵，也可利用C₅、C₆共發(fā)酵菌株生產(chǎn)乙醇，該方法的缺點是隨著酶水解產(chǎn)物的積累，會抑制水解反應完全。目前絕大多數(shù)商業(yè)裝置都采用SHF工藝，如加拿大Iogen、杜邦DDCE等。同步糖化發(fā)酵工藝（SSF）是將纖維素酶解與葡萄糖乙醇發(fā)酵整合在同一個反應器內(nèi)進行，酶解過程中產(chǎn)生的葡萄糖被微生物迅速利用，消除了糖對纖維素酶的反饋抑制作用。Abengoa Bioenergy在其330噸/年的中試裝置上采用了SSF技術(shù)。同步糖化和共發(fā)酵工藝（SSCF）利用C₅糖和C₆糖共發(fā)酵菌株進行酶解同步發(fā)酵，提高了底物轉(zhuǎn)化率，增加了乙醇產(chǎn)量。直接微生物轉(zhuǎn)化工藝（DMC）也稱為統(tǒng)合生物工藝（CBP），將木質(zhì)纖維素的生產(chǎn)、酶水解和同步糖化發(fā)酵過程集合為一步進行，要求此微生物/微生物群既能產(chǎn)生纖維素酶，又能利用可發(fā)酵糖類生產(chǎn)乙醇。目前Mascoma公司在其500噸/年的中試裝置上使用該技術(shù)，該公司利用酵母和細菌共同完成纖維素酶的生產(chǎn)和乙醇發(fā)酵過程，由于減少了酶生產(chǎn)單元，大大降低了生產(chǎn)費用，Mascoma公司和瓦萊羅公司合資建設的2000萬加侖/年商業(yè)規(guī)模纖維素乙醇工廠將使用CBP技術(shù)。法國Deinove公司與法國Tereos公司合作開發(fā)出一種稱作“奇球菌”的菌株，利用CBP技術(shù)，可直接將生物原料纖維素分解成單糖并轉(zhuǎn)化成乙醇，生物燃料生產(chǎn)成本有望降低20%～30%。

合成氣生物轉(zhuǎn)化乙醇主要由原料氣化、合成氣預處理和合成氣發(fā)酵單元構(gòu)成。生物轉(zhuǎn)化所需的合成氣原料與化學轉(zhuǎn)化過程相同，利用能夠以CO和H₂為底物生長的微生物，通過厭氧發(fā)酵將合成氣轉(zhuǎn)化為燃料和化學品，合成氣生物轉(zhuǎn)化的反應條件溫和、反應副產(chǎn)物少、合成氣原料要求低、對原料氣中的硫化物耐受性強，目前已經(jīng)從自然界分離出了多株適合合成氣發(fā)酵的菌株。Coskata公司開發(fā)了利用合成氣發(fā)酵制乙醇的技術(shù)，2009年該公司在美國賓西法尼亞州建成4萬加侖/年的工業(yè)示范裝置，截至目前，該裝置已經(jīng)運轉(zhuǎn)2年，其氣化1t生物質(zhì)原料可生產(chǎn)0.3t燃料乙醇。LanzaTech公司開發(fā)了利用鋼廠廢氣（CO）發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的技術(shù)，在新西蘭建立了1m³的中試裝置，并與寶鋼合資建成了300噸/年示范裝置。英力士公司則開發(fā)了垃圾氣化制合成氣，合成氣生物發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)，并已經(jīng)在美國佛羅里達建成2.4萬噸/年燃料乙醇生產(chǎn)裝置，該裝置以當?shù)氐氖卟藦U棄物為原料，采用兩級氣化工藝制備合成氣，合成氣經(jīng)凈化、微生物發(fā)酵和精餾得到燃料乙醇產(chǎn)品。該裝置無須使用化石燃料，不但能夠生產(chǎn)800萬加侖/年燃料乙醇，而且能夠產(chǎn)生6MW的電能，在裝置自給的情況下還能外送1～2MW電能。英力士公司目前正在英國的Seal Sands建設其15萬噸/年的商業(yè)裝置，該裝置將副產(chǎn)43MW的電能，預計可外送電能24MW。

合成氣發(fā)酵制燃料乙醇相比于生物化學法，原料來源廣泛，既可以利用單一生物質(zhì)原料，也可使用多種原料的混合物，如生物質(zhì)、石油焦、城市垃圾和煤炭等原料，無須復雜的預處理單元和使用昂貴的生物酶；原料利用率高，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素都可以氣化，達到了利用全部木質(zhì)纖維素原料的目的。但目前生物質(zhì)氣化技術(shù)尚不成熟，氣化效率較低，直接制約了生物質(zhì)熱化學技術(shù)的應用，合成氣轉(zhuǎn)化過程還需要繼續(xù)改進提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，也是目前需要解決的主要問題。

美國ZeaChem公司開發(fā)的乙醇生產(chǎn)技術(shù)是將木質(zhì)纖維素水解得到葡萄糖和木糖，利用乙酸發(fā)酵菌將糖轉(zhuǎn)化為乙酸，乙酸酯化得到乙酸乙酯，加氫后得到乙醇產(chǎn)品，氫氣由酸水解得到的木質(zhì)素氣化生產(chǎn)。該技術(shù)的優(yōu)點在于可以利用整個木質(zhì)纖維素，提高了原料利用率，每噸干物質(zhì)的乙醇產(chǎn)量可達160加侖，相比于其他工藝，乙醇產(chǎn)率提高了50%。該公司2012年年底完成了其25萬加侖/年纖維素乙醇生產(chǎn)裝置的設備施工。此外合成生物學也是目前研究的熱點，如美國LS9公司通過對微生物的基因改造，可將底物直接轉(zhuǎn)化為多種化學品（圖2-5）。

圖2-5　LS9公司合成生物學路線制備燃料乙醇示意圖

除了以上燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)外，還可直接將太陽能轉(zhuǎn)化為燃料乙醇。美國Joule公司開發(fā)的Liquid Solar Energy技術(shù)在微生物的作用下能夠直接將陽光和CO₂轉(zhuǎn)化為乙醇和其他燃料產(chǎn)品，目標成本為1.28美元/加侖。美國Algenol公司開發(fā)了光合制乙醇技術(shù)（圖2-6），利用藍藻在封閉光生物反應器（PBRS）中的光合作用直接生產(chǎn)乙醇，乙醇從藻類培養(yǎng)液中蒸發(fā)，冷凝收集后，提純至燃料級乙醇，該工藝不但能夠產(chǎn)生乙醇，還能產(chǎn)生純凈水，目前該公司與陶氏化學合作在美國佛羅里達州建設10萬加侖/年燃料乙醇生產(chǎn)裝置。

圖2-6　美國Algenol公司光合制乙醇生產(chǎn)技術(shù)示意圖