纤维素乙醇
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2023年3月16日发(作者：财神爷)纤维素乙醇的研究进展
燃料乙醇作为可再生的生物能源之一，其发展前景是十分广阔的。然而，纵观世界各
国燃料乙醇发展的历程和现状，可以看出燃料乙醇生产过程的经济性始终是突出问题，其生
产成本一直难以同成品油的价格相竞争，其中原料成本和能耗成本占燃料乙醇生产总成本的
比例高达90%。因此使用木质纤维素类物质作为燃料乙醇的生产原料，逐步替代日益减少
的石油资源，是各国政府的战略发展目标[77]。国内外纤维素乙醇的进展
早在20世纪70年代的第一次石油危机时，美国就开始了用秸秆等木质纤维素
类物质生产乙醇的研究。在政府大力倡导下，酒精燃料在美国燃料市场上份额已
达8%。第一家商业性转化纤维质为酒精工厂1998年l0月由BCInternational在路易
斯安那Jennings破土动工，该厂以蔗渣和稻壳为原料，年产酒精20×106加仑。2006
年1月，布什总统提出“先进能源计划”，为美国能源部的清洁能源研究增加22%
的投入。因此2007年2月28日美国能源部部长宣布：在今后4年中，能源部将投资
3．85亿美元，用于支持包括上述两家加拿大和西班牙公司在内的6个非传统原料
(木片、秸秆、柳枝稷等)生物精炼化工厂项目[77]。
在巴西在生产纤维素乙醇方面也走在了世界前列，政府一方面制定政策限
制石油消费，一方面开辟大量土地种植糖蔗，利用榨汁后蔗渣发酵生产燃料酒精
[78]。在巴西，3/4新车既可以使用乙醇又可以使用汽油作燃料。2003年巴西的双
燃料汽车还只占市场总销量的6％，2005年就高达73％。此外，加拿大艾欧基
(Iogen)公司和西班牙的Abengoa生物能源公司都在积极尝试大规模工业化生产
纤维素乙醇。
我国国内很早关注纤维素乙醇的生产研究，中国科学院早在1980年在广州
召开“全国纤维素化学学术会议”，把开发利用纤维素资源作为动力燃料提到议
事日程[79]。进入“九五”、“十五”期间，秸秆转化乙醇技术再次受到国家重
视。华东理工大学能源化工系颜涌捷教授及其课题组开发的纤维素废弃物稀盐酸
水解法制取乙醇技术，被列为国家863重点科研项目。进行了该技术项目的工业
性试验，现已在上海郊区集贤建成了年产燃料乙醇600t的实验装置。中国科学院
过程工程研究所已在山东泽生生物科技有限公司建立了年产3000t秸秆酶解发酵
燃料乙醇产业化示范工程。河南天冠集团用秸秆生产乙醇的年产300t乙醇的中试
生产线已建成投产。由于国内在酶生产技术、戊糖发酵菌株构建等方面还没有取
得根本性突破，所以整体说生产技术尚未完全成熟。
1.4.2纤维素乙醇的生产工艺
(1)纤维素乙醇的生产技术概述
从木质纤维素出发生产燃料乙醇，首先必须将生物大分子降解为能够被酵母
或细菌代谢合成乙醇的小分子糖类物质。目前工业上使用的流程如下：
图1.2纤维素乙醇的生产流程
Fig.1.2Flowchartofcellulosicethanolproduction
(2)原料预处理
天然纤维素材料的结构性质非常复杂，主要是纤维素的高度结晶性和木质
化，阻碍了酶与纤维素的接触，使其难以直接被生物降解。对大多数天然纤维素
材料来说，直接进行酶促水解，酶解率一般都非常低(<20%)[80]，因此必须对原
料进行适当预处理。
①物理和化学方法
常用的方法有：辐射处理、粉碎、高压热水、有机溶剂、稀酸、低温浓酸、
酸催化的蒸气水解、蒸汽爆碎、液氨爆碎、碱水解及使用非离子表面活性剂等。
已报道的有匈牙利Varga等采用湿氧化法玉米秸秆进行预处理，其中60%半纤维
素、30%木质素被溶解，90%纤维素呈固态分离出来，纤维素酶解转化率达85%左
右[81]。Philip等人研究指出，液氨预处理能改善纤维素碱化、羧甲基化和酶降
解反应活性，效果显著，但成本相对较高[82]。国内的。李步海等用蒸汽预处理
蔗渣，可使其酶解率提高4倍之多[83].
②生物法
原料纤维素预处理水解糖化发酵酒精
酸或酶酵母
目前多停留在实验阶段，主要利用降解木质素微生物有白腐菌、褐腐菌、
软腐菌等真菌。从成本和设备角度出发，生物法预处理显示独特优势，可用专一
性木质酶处理原料，分解木质素和提高木质素消化率。
(3)纤维素水解糖化
①酸水解技术
在酸水解工艺中，可以使用盐酸或硫酸，按照使用酸的浓度不同可以进一
步分为浓酸水解和稀酸水解。由于酸对生产设备的腐蚀作用，特别是高温条件下
稀酸的强烈腐蚀作用，酸水解反应器不得不采用价格昂贵的贵金属合金或非金属
材料制造，使得木质纤维素的酸水解技术难以适应燃料乙醇生产规模大、产品附
加值低的特点。同时，水解所生成糖还有可能发生进一步分解或聚合反应，水解
同时还会产生一些抑制生物生长副产物，给后续酒精发酵带来困难。
②酶水解技术
纤维素的酶降解技术以其反应条件温和的突出特点为大规模开发利用木质
纤维素资源开辟了一条全新的途径，尽管在目前条件下，纤维素酶的价格相对于
燃料乙醇生产来说还十分昂贵，吨燃料乙醇生产纤维素酶的成本高达一百美元以
上，但是我们相信，随着现代生物技术的发展，特别是通过基因工程技术构建纤
维素酶表达量高的工程菌株，在蛋白质工程和功能基因组学原理基础上，对纤维
素酶分子进行理性设计以提高其催化活性，木质纤维素的酶解技术应用于大规模
燃料乙醇生产不会遥远，在美国政府能源部资助下，杰能科(Genencor)公司目前
正在研究开发燃料乙醇生产用纤维素酶，并预期到2005年，将燃料乙醇生产用
纤维素酶的成本降低到目前的十分之一。
(4)纤维素乙醇发酵工艺
纤维素发酵生产酒精，主要有以下几种工艺：
①水解发酵二段法（SHF）
将纤维素先用纤维素酶糖化，再经酵母发酵成酒精的方法，即水解发酵二
段法。这种方法可以分别使用水解和发酵各自的最适条件，但是酶水解产生的产
物(纤维二糖和葡萄糖)会反馈抑制水解反应。为了克服水解产物的抑制，必须不
断将其从发酵罐中移出。采取方法有：减压发酵法、快速发酵法。
②同步糖化发酵(SSF)
在加入纤维素酶的同时接种酒精发酵的酵母，可使生成的葡萄糖立即被酵母发酵
成酒精；酶水解产物葡萄糖由菌体不断发酵而被利用，消除葡萄糖因浓度高对纤
维素酶反馈抑制，酒精得率可明显提高。这就是所谓的同步糖化发酵技术。（如
图）。该工艺可以提高生产效率，降低成本，但是由于糖化和发酵温度不协调，
成为了制约该工艺的一个因素。目前的解决策略是采用耐高温酵母（如假化酵母、
克劳林比酵母）发酵产酒精。
图1.3木质纤维素的同步水解与发酵工艺流程
Fig.1.3FlowchartofethanolSSFfromlignocellulosicbiomass
③固定化细胞发酵法
固定化细胞发酵具有能使发酵器内细胞浓度提高，细胞可连续使用，使最
终发酵液酒精浓度得以提高。
原料粉碎
稀酸予处理同步水解和发酵
木质素残渣
纤维素酶
半纤维素
水解糖