1、秸桿生產乙醇的可行性分析秸桿是一種可再生的自然能源資源，也是可以“合理永續地利用自然 資源”，它不僅能緩解商品能源的短缺和提供高效飼料，而且有利于農業科 技的全面推行和生物質的綜合利用，對農村經濟可持續發展和生態環境的 保護起到積極的作用。秸桿能源化工程，可以提高綜合利用率，大幅度地 提高能源的潔凈質量，解決了秸桿過剩造成的隨意焚燒問題，是實現經濟、 社會、能源、生態、環境協調發展的有效途徑。秸桿的主要成分是木質纖維素。是纖維素、半纖維素和木質素混合在 一起的材料。用木質纖維素作為糖源生產燃料酒精，目前糖的利用和轉化 率還很低，通常只有百分之十幾。在秸稈中纖維素、半纖維素和木質素通 過共價鍵或

2、非共價鍵緊密結合而成的木質纖維，占秸桿總重量的約70-90 左右。植物中三者各占的比例隨不同來源的植物或植物的不同部分而有所 區別，大概的比例數字為：纖維素 30-50%;半纖維素 20-35%;木質素 20-30%; 灰份 0-15%。其實纖維素的非結晶結構是很容易被打破的，它可以完全降 解成葡萄糖，后者是發酵乙醇的原料。目前遭遇的主要問題是，纖維素的結晶結構難以被破壞，致使人們無 法完成后續處理。纖維素和半纖維素被難以降解的木質素包裹，使得纖維 素酶和半纖維素酶無法接觸底物，這構成了木質纖維素利用的重大障礙。 只有經過有效的預處理方法，破壞了木質纖維素的高級結構，實現纖維素 酶和半纖維素酶

3、對纖維素的可及性，才能使木質纖維素作為自然界里最大 宗的資源，像淀粉一樣被人和動物完全利用。纖維素被纖維素酶水解的反應通常又稱為糖化反應，水解的主要產物 是單糖。植物細胞壁中，纖維素被半纖維素和木質素通過物理和化學作用 所包裹，不利于纖維素酶對纖維素的進攻。木質素是由苯基丙烷聚合而成 的一種非多糖物質。由芳香烴的衍生物以-C-C-鍵、-O-鍵縱橫交聯在一起， 其側鏈又與半纖維素以共價鍵結合，形成一個十分致密的網絡結構，將纖 維素緊緊包裹在里面。所以，要徹底降解纖維素，必須首先降解木質素。 未經預處理的植物纖維原料的天然結構存在許多物理和化學的屏障作用， 纖維素酶水解得率低，僅為10%20%。禾

4、本科植物秸稈含有的半纖維素一般為木聚糖，占干重的 2530。半纖維素能被木聚糖酶(xylanase, EC3. 2. 1. 8)半纖維素酶，降解成木糖。天然半纖維素水解產物的 85-90%是木糖。以植物纖維素原料中的木糖 發酵生產酒精，能使纖維素原料的酒精發酵的產量在原有的基礎上增加 25% 因此，木糖發酵生產酒精是決定植物纖維資源生產酒精經濟可行的關鍵因 素。酵母木糖代謝的途徑比葡萄糖代謝的途徑復雜得多。在代謝的過程中 部分木糖轉化為其它副產物。因此，酵母木糖代謝產生酒精的理論得率為 0.46 克酒精/克木糖，低于葡萄糖酒精發酵的理論得率為 0.51 克酒精/克 葡萄糖。代謝葡萄糖和木糖產生

5、乙醇的總反應式如下：Glucose+ADP+Pi-2Ethnanol+2Co2+ATP3Xylose+3ADP+3Pi-5Ethnanol+5Co2+3ATP理論上 1 噸葡萄糖可生產 539 公斤的酒精(180 份 C6H10O6 在酶的作 用下生成 88 份 CO2 和 92 份 C2H5OH)許多細菌、絲狀真菌和酵母菌均可產生半纖維素酶。由于絲狀真菌產 生的胞外半纖維素酶便于分離和提取，產酶能力比一般酵母菌和細菌都高， 并可以同時產生降解半纖維素支鏈所必需的多種輔助酶等優點，便于工業 化推廣應用。因此人們對絲狀真菌的產酶研究較多，尤其是對木霉屬和曲 霉屬的研究。同時，對這兩種菌屬產生的木

6、聚糖酶的基本性質和降解產物 特點也研究得較為透徹。里氏木霉( Trichoderma reesei )和黑曲霉(Aspergillus niger)具有穩定的生物學性狀和高產半纖維素酶的能力， 但由于同時含有纖維素酶基因，生長在含有纖維素的培養基中會同時產生 較多的纖維素酶。木糖一直被認為不能被微生物發酵轉化成酒精。直到1980 年科學家 發現，一些微生物可通過發酵木糖產生酒精。如細菌、絲狀真菌和酵母菌。 至今已發現一百多種微生物能代謝木糖。細菌能發酵的糖類物質較多，除 了單糖外還能發酵纖維素、生物高聚糖等，但細菌發酵的缺點是副產物多， 酒精得率低，同時，高pH條件下的細菌發酵容易引起雜菌污染

7、。與細菌一 樣，真菌不僅能發酵單糖，還能發酵二糖、纖維素和木聚糖等，真菌的這 種特性特別適合于植物纖維原料的同步糖化發酵。有 6個種的酵母菌能通 過發酵木糖產生大量的酒精(嗜鞣管囊酵母Pachysolen tannophilus、休 哈塔假絲酵母Candida shehatae、樹干畢赤酵母Pichia stipitis、季也 蒙畢赤酵母、酒香酵母和產朊假絲酵母)。與細菌的酒精發酵相比，酵母菌具有酒精耐受能力高，副產物少等優 點。同時，經酵母菌發酵過的木質纖維素原料能直接用于飼料而不會產生 毒性。酵母菌酒精發酵不易被細菌和病毒污染。釀酒酵母是工業上生產酒精的優良菌種。但釀酒酵母不能發酵木糖，

8、只能發酵木糖的異構體木酮糖。因此，人們正在設法構建能共發酵木 糖-葡萄糖產生酒精的工程菌。瑞典科學家對釀酒酵母菌進行了基因工程重組，把參與木糖代謝的全 套酶基因從不生產酒精的真菌中克隆出來，整合到釀酒酵母菌的染色體中， 從而使它能夠把木糖轉化為酒精。運動發酵單抱菌(Zymomonas mobilis)的研究較為引人注目。這種菌 雖是原核生物，是厭氧菌。但它的功能與釀酒酵母一樣，它的酶系統能將 己糖高效轉化為酒精。酒精產率、得率高(1 mol 葡萄糖可生成 1.9 mol 酒 精），耐酒精能力、抗纖維素原料水解液中的抑制物能力強。菌體生成少， 代謝產物少，發酵溫度高，不必定期供氧，酒精生產強度高

9、（能夠在相同 原料條件下，產出的乙醇比釀酒酵母菌高出 8 倍多）等優點。但就是不能 發酵木糖。美國的一個研究小組（Zhang.M）把大腸桿菌的戊糖代謝途徑的 基因組克隆到運動發酵單孢菌中，使之能將含25一40木糖的生物質發 酵制成乙醇。正是由于這點差異，用運動發酵單胞菌來制取酒精能使生產 成本降低。工程微生物是利用基因移植技術構建的有特殊功能的微生物，也稱其為 轉基因微生物。用這一方法生產酒精，不僅酒精純度可達 100，而且生 產效率也比酵母發酵法高出30。美國佛羅里達大學構建的工程克氏桿菌， 在將廢紙轉化為酒精時，產量達到了理論極限值的 80。半纖維素發酵制酒精:我國半纖維素水解，不論酸法和

10、酶法水解，均有 成熟經驗。半纖維素水解液制木糖、木糖醇，均有一定工業規模，但是沒 有半纖維素發酵制酒精。國外有報道，利用特殊的釀酒酵母菌可使木糖發 酵成酒精，也可以使木糖轉換成木酮糖再用普通釀酒酵母發酵成酒精。美 國 Purdue 大學可再生能源實驗室利用基因工程發現了可將五碳糖轉化為 乙醇的轉基因酶,使技術難度極大的“五碳糖發酵制乙醇技術”獲得重大突 破, 為燃料乙醇生產成本的降低提供了技術上的保證。據 1996 年報道，稻草半纖維素水解液，用假絲酵母發酵，每克水解液 中的還原物，可獲得0.370.45克的酒精，即對糖得率37%45%。植 物廢料半纖維素水解得率一般為20%25%,玉米心達3

11、5%,即每噸植物 纖維廢料半纖維素水解后，可獲得對原料10%15%的酒精。植物纖維原料制取酒精包括4個過程：木質纖維素原料的預處理脫除 木質素、纖維素和半纖維素糖化、糖液發酵和酒精蒸餾。由于戊聚糖占植 物纖維原料干重的 10%40%，植物纖維原料水解液中含有戊糖和己糖，其 中戊糖(主要是木糖)占 30%左右。因此，戊糖、己糖同步轉化成酒精是 決定植物纖維原料制取酒精經濟可行的關鍵。利用可再生的植物纖維資源制取酒精目前存在的主要問題是成本偏高 選擇性能優良的纖維素酶生產菌種和戊糖發酵菌種，以及進一步完善工藝 達到降低生產成本的目的是未來該領域努力的方向。目前國內外利用秸桿物質生產酒精的技術水平還

12、是停留在先用纖維素 酶產生菌株(或其產生的纖維素酶)分解秸桿物質產生戊糖和己糖，再由 乙醇發酵菌把單糖轉化為乙醇。不管是分步發酵還是混合發酵，人們都必 須提供兩種菌生長所需要的時間、原料和設備，其生產成本必定高于傳統 的淀粉發酵。因此，有必要使乙醇發酵菌獲得分解秸桿物質的能力。人們 多年來一直設法把一系列編碼纖維素酶和半纖維素酶的基因重組進能利用 單糖發酵生產酒精的工程菌中，使之能直接將秸稈分解成單糖，進而轉化 成酒精。近年來美國能源部鼓勵采用具有分解纖維素、半纖維素的整套酶 類、能發酵戊糖產生有機酸的某些極端嗜熱細菌，設法引入乙醇發酵途徑 的基因，同時敲除細菌中的有機酸發酵途徑，構建利用秸桿

13、發酵乙醇代謝 工程菌，這方面的前景非常誘人。纖維素酶是降解纖維素生成葡萄糖的一類酶的總稱。它不是單一組分 的酶，而是多組分的復合酶系。纖維素酶主要包括 3 種組分：內切型葡萄 聚糖酶(EC 3.2.1.4, EG),外切型葡萄聚糖酶(EC 3.2.1.91, CBH),纖 維素二糖酶(EC3.2.1.21, CB，或稱0 葡萄糖苷酶，p -G),每一組分 又由若干亞組分組成。纖維素水解生成葡萄糖的過程必須依靠這3 種組分 的協同作用才能完成。許多細菌、放線菌和真菌都能產生纖維素酶。目前 應用于纖維素酶生產的菌種主要是木霉屬(Trichoderma )、曲霉屬 (Aspergillus)、青霉屬

14、(Penicillium)、鐮抱菌屬(Fusarium)的菌種， 其中最重要的是木霉屬中的里氏木霉(Trichoderma reesei)。近幾年來， 采用原生質體融合技術來改良纖維素酶生產菌株的研究日益增多。美國 Cetus 公司用基因工程技術構建產纖維素酶的“工程酵母菌”獲得了成功， 該公司將里氏木霉的產酶基因移入釀酒酵母細胞中，通過這種“工程酵母” 可由纖維素直接發酵獲得乙醇和甘油。用纖維素作原料時，釀酒酵母菌很難施展它的發酵本領。但是，微生 物中的球菌、桿菌和一些真菌、放線菌等，能分泌出能分解纖維素的酶 纖維素酶。用纖維酶先把纖維素分解成單個葡萄糖分子，然后釀酒酵母 菌再把單糖發酵成乙

15、醇。日本和韓國等國微生物學家，利用木霉和釀酒酵 母菌的聯合作用，也成功地用纖維素生產出了乙醇。有一種叫嗜熱梭菌的 微生物，它能夠直接以纖維素作碳源生產乙醇。日本曾從溫泉中分離出 1 株高溫型產酒精細菌，它能利用稻草和廢木材的纖維生產乙醇，也能把半 纖維素，木糖等五碳糖發酵為乙醇。1996年，美國可再生資源實驗室（NREL）研究開發出利用纖維素廢料 生產酒精的技術，由美國哈斯科爾工業集團公司建立了一個 1MW 稻殼發電 示范工程：年處理稻殼12， 000噸，年發電量800 萬度，年產酒精2， 500 噸，具有明顯的經濟效益。加拿大的 Iogen 公司，利用從遺傳工程真菌所制成的纖維素酶有效地 使

16、纖維素水解為葡萄糖和其它糖類。同時，采用常規的釀酒酵母使葡萄糖 發酵為乙醇。專用的菌種還可使酵母發酵困難的其它糖類如戊糖進行發酵 轉化。Iogen能源公司擁有一套市值2230萬美元的示范設備，用于以生物 質原料生產乙醇的裝置，該裝置被認為是目前世界上同類裝置中規模最大 的。驗證裝置可使1.2萬1.5萬噸/年麥秸轉化為300萬400萬升/年燃料 級乙醇。采用這一新技術，可使生產費用減少到約0.23 美分/公升。這是 世界上第一個纖維素酒精示范設備（ pre-commercialdemonstrationscale facility）,日處理麥秸40噸（用酶來自于鄰近的本公司的產酶廠）。該廠 操控

17、了涉及纖維素酒精生產的所有工序，包括接受和預處理每日達 40噸的 麥秸原料, 將纖維素轉化成葡萄糖,發酵和蒸餾。雇員 20 人。燃料使用加 工中的副產品-木質素。迄今為止，全世界已有幾十套植物纖維原料經纖維素酶水解成單糖的 中試生產線或試生產線，大部分是以酒精為最終主產品。這些試驗或試生 產機構包括美國陸軍 Natick 研究發展中心，美國加州大學勞倫斯伯克萊實 驗室，美國阿肯色大學生物量研究中心，美國賓夕法尼亞大學,加拿大Iogen 公司，加拿大Forintek公司，法國石油研究院，日本石油替代品發展研究 協會，瑞典林產品研究實驗室，瑞典隆德大學，奧地利格拉茲大學，芬蘭 技術研究中心，印度理

18、工學院等。根據荷蘭政府 2003年5月生物酒精研發 概況的報告，2002年全世界生產了 211Mhl（450PJ）生物酒精（bioethanol）, 巴西 59%,美國 36%,歐洲 2%,中國，加拿大和澳大利亞各 1%。這些生物酒精 都來自于傳統原料（甘蔗，玉米，甘蔗，甜菜，小麥）。成本價是0.34歐 圓/l （ = 16.2歐圓/GJ），是汽油的兩倍（7.3歐圓/GJ）。原料價格占總成本 的 50%以上。并且由于傳統原料獲取有限造成大規模實現以酒精作為運輸 燃料的障礙。用木質纖維素作原料生產酒精在技術上目前遵循著用甜菜和 富含淀粉的原料相同的途徑。兩者主要的區別是1.原料的預處理， 2.木

19、糖 發酵酒精。用木質纖維素作原料生產酒精當前技術應用的障礙是產生大量 的無機廢物（石膏，硫酸鈣）和高成本（0.35歐圓/l）。主要是酶解成本 過高，占總純生產成本的40-55%。另一個大障礙是缺乏經濟可行的木糖發 酵技術。雖然在運動發酵單抱菌（Z.mobilis）和E.coli研究上取得實質進 展，但仍然還沒有得到足夠皮實的適合發酵五碳糖的微生物。上述過程改 進后，預期將來的成本能降至0.23歐圓/l（=11歐圓/GJ）。預計用成熟技 術從木質纖維素原料中制取酒精的商業化運作得到2010-2015年。雖然生物酒精的原料和利用成本大大低于淀粉制備的酒精，低原料的 成本被勞動成本，供應成本（包括水消耗）和投資減值所抵消。所以木質 纖維素酒精的成本要超過淀粉制備的酒精達 75-80%。這里有兩個主要不同 的因素，一是木質纖維素預處理成本高，二是以稀酸水解預處理木質纖維 素技術水解和發酵的滯留時間要花 7 天時間，而淀粉制備的酒精只需 2-3 天。目前纖維素酶的價格是每噸6000