木质纤维素水解发酵
制备燃料乙醇技术综述
西南交通大学 郭曼
摘要：随着科学技术的发展和机械化程度的提高，燃料能源短缺现象日趋严重。开发石化能源的替代品已成为全世界关注的焦点。纤维素乙醇是一种清洁且资源丰富的可再生能源，其具有广阔的发展前景，将成为未来最重要的可再生能源之一。本文综述了纤维素制取乙醇的原理、纤维素乙醇生产技术、国内外纤维素乙醇研究及应用现状、发展纤维素乙醇的意义，分析了纤维素乙醇产业化亟待解决的技术问题，指出了今后研发方向。 关键词：纤维素；乙醇；燃料乙醇
前言
能源是人类赖以生存和发展的基础，它既是国民经济发展的动力，又是衡量综合国力、国家文明发达程度和人民生活水平的重要指标。工业化的发展及人口的膨胀对自然资源的巨大消耗和大规模的开采，已导致地球上现有资源的削弱、退化、枯竭，资源与环境问题已成为当前世界人类面临的重要问题之一。利用新技术创造出新的能源形式以满足人类社会的可持续发展，已成为解决现有能源日益枯竭问题的必要手段。在新能源开发方面，生物技术被认为是最具有发展前景的技术，必将在解决人类所面临的能源危机方面发挥大的作用。
近年来，随着全球经济的快速增长，尤其是亚洲国家新兴经济体的出现，原油消耗量大幅度增加，原油价格持续走高，开发石化能源的替代品已成为全世界关注的焦点。由于生物燃料具有可补充石化燃料资源、降低石油资源对外依存度、减少温室气体和污染物排放的特点，近年来受到世界各国的广泛关注。乙醇能源以其环保、可再生、资源丰富等优点已成为一种重要的替代能源。木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，也是当前利用率最低的资源，是各国新资源战略的重点。中国可利用的木质纤维素每年在7亿吨左右，这些丰富而廉价的自然资源主要来源于农林业废弃物、工业废弃物和城市废弃物。所以，纤维素乙醇是未来发展的必然方向。
1、纤维素生物质制备乙醇技术 纤维素生物质是由纤维素（30-50%），半纤维素（20-40%），和木质素（15-30%）组成的复杂材料。纤维质生物质中的糖以纤维素和半纤维素的形式存在。纤维素中的
六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样，可以用传统的酵母发酵成乙醇。而半纤维素中含有的糖主要为五碳糖，传统的酵母无法经济地将其转化为乙醇每一种植物的确切成分都不尽相同。纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，是地球上最丰富的分子。将木质纤维素类物质转化为燃料乙醇，必须首先将木质纤维素降解为纤维素、半纤维素和木质素，然后纤维素或半纤维素降解为葡萄糖或戊糖，最后将单糖发酵为乙醇。一直以来，将纤维质生物质转化成乙醇是科学家们面对的巨大挑战。酸、高温等苛刻的条件都曾经被用来尝试将纤维素分子打断、水解成单一的糖。
随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。
纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。
2、纤维素酶的分类和作用机制
2.1 纤维素酶的分类
纤维素酶是降解纤维素原料生成葡萄糖的一组酶的总称，它不是单种酶，而是起协同作用的多组分酶系。根据其催化功能不同分为：①内切葡萄糖苷酶（Cx酶），该酶随机水解β-1,4糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素；②外切葡萄糖苷酶（C1酶），它能从纤维素分子的还原或非还原端切割糖苷键，生成纤维二糖；③β-葡萄糖苷酶（纤维二糖酶），它把纤维二糖降解成单个葡萄糖分子。只有它们协同作用，才能把纤维素分子降解成葡萄糖。
2.2 纤维素酶的作用机制
纤维素酶降解纤维素时，先吸附到纤维素表面，然后其中的内切酶在葡聚糖链的随机位点水解底物产生寡聚糖，外切酶从葡聚糖链的还原或非还原端进行水解产生纤维二糖，β-葡萄糖苷酶水解纤维素二糖为葡萄糖，这三类酶“协同作用”最终将纤维素降解为葡萄糖。
3、利用纤维素制取燃料乙醇的基本原理
纤维素废弃物的主要有机成分包括半纤维素、纤维素、和木质素3部分。前两者都能被水解为单糖，单糖再经发酵生成乙醇，而木质素不能被水解且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解。
半纤维素是由不同多聚糖构成的混合物，聚合度较低，也无晶体结构，故较易水解。半纤维素水解产物主要是木糖，还包括少量的阿拉伯糖、葡糖糖、半乳糖和甘露糖，含量因原料不同而不同。
纤维素的性质很稳定，只有在催化剂存在下，其水解反应才能显著进行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶，由此分别形成了酸水解和酶水解工艺，其中酸水解又可分为浓酸水解工艺和稀酸水解工艺。纤维素经水解可生成葡萄糖，易于发酵成乙醇。
4、利用纤维素制取燃料乙醇的工艺
4.1生物化学法生产纤维素乙醇
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图1所示。
图1. 纤维素乙醇的生产流程
生化法生产纤维素乙醇有3个关键步骤，即生物质预处理、纤维素水解和单糖发酵。由于木质纤维素的结构紧凑，纤维素难于被生物酶水解，通过生物质预处理，改变天然纤维的结构，分离纤维素、半纤维素和木质素，增加纤维素与酶的接触面积，可提高纤维素的酶解效率。纤维素酶水解是生产纤维素乙醇的关键步骤，酶水解具有反应条件温和，无剧毒副产物，糖化效率高，可以和发酵过程耦合等优点，是目前最具有优势的纤维素水解技术。
（1）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(
可破坏木质纤维素生物质的物理结构，降低结晶度，包括球磨、剪切、挤压等，其中最有效的是球磨，但因能耗高而很少采用。
②. 稀酸处理法 用稀酸在较低的温度下处理木质纤维素生物质，可降解其半纤维素，生成单糖和可溶性低聚糖，提高原料的酶可及度及纤维素的可消化性。该法效果较好、成本较低，已得到广泛应用。尤其用于将半纤维素中的木聚糖转化为木糖，再经微生物发酵生产乙醇。 ③. 碱处理法
用NaOH、Ca(OH)2等碱性试剂处理木质纤维素生物质，脱除木质素，提高纤维素的酶可及度。预处理对酶解糖化效率和乙醇生产成本影响极大。
④. 湿法氧化处理法 指水、氧化剂等在高温、一定压力下氧化降解木质纤维素生物质的过程。碱性条件可防止纤维素破坏，使木质素和半纤维素溶于碱液，与纤维素分离，且形成的糠醛等副产物较少。
⑤. 蒸汽爆碎处理法 该法是比较有效、低成本和无污染的新技术。向装有木质纤维素生物质的压力罐通入高压蒸汽，使罐温度达到200～240℃左右，维持较短时间(30s～20min)后，突然减压将物料喷出，使物料爆碎。在高温条件下，原料中的半纤维素会迅速分解释放出有机酸，进而发生自水解作用而溶化。细胞间的木质素也能出现熔化，并发生部分降解，变得易被热水、
有机溶剂或稀碱抽提。加上突然减压爆碎的机械分离作用，使植物细胞间质或细胞壁变疏松，细胞游离，纤维素的可消化性明显增强。
（2）纤维素水解糖化
水解主要是为了将纤维素等多糖水解转化为单糖，主要方法包括酸水解法和生物酶水解法。
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。
浓酸水解的原理是结晶纤维素在较低温度下可完全溶解在硫酸中，转化成含几个葡萄糖单元的低聚糖。把此溶液加水稀释并加热，经一定时间后就把低聚糖水解成葡萄糖。浓酸水解的优点是糖的回收率高（可达90%以上），可以处理不同原料，相对迅速（10~12h），并极少降解。
在纤维素的稀酸水解中，溶液中的氢离子可和纤维素上的氧原子相结合，使其变得不稳定，容易和水反应，纤维素长链在该处断裂，同时又放出氢离子，从而实现纤维素长链的连续解聚，直到分解成为最小的单元葡萄糖。
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。
(3) 纤维素乙醇发酵工艺
发酵工艺主要是用微生物将单糖降解为乙醇，结合水解和发酵过程，发酵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2所示）。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。 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。
半纤维素水解糖
图2 木质纤维素的同步水解与发酵工艺流程
4.2 生物合成气制取纤维素乙醇法
生物质合成气制备乙醇的方法集成了热化学和生物发酵两种工艺过程。首先，通过气化反应装置把生物质转化成富含CO、CO2和H2的中间气体，这些气体被称作生物质合成气；然后，再通过化学催化转化或微生物发酵技术将其转化为乙醇。生物质合成气制乙醇
工艺过程可将全部生物质通过流化床气化过程转化成合成气，既提高生物质的利用率，也可解决木质素废液的处理问题。
5、纤维素制取燃料乙醇的国内外研究及应用现状
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B C International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。
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。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。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。
6、发展纤维素乙醇技术的意义
生物能源主要有生物柴油和生物乙醇等形式。生物柴油与普通柴油相比，具有可再生、已于生物降解、燃烧污染物排放低、温室气体排放低等特点。但生物柴油仍存在一些缺点，比如菜籽油为原料生产的生物柴油成本高、用化学方法合成生物柴油工艺复杂、能耗高、
设备投入大、酯化产物难于回收，回收成本高等。生物乙醇以淀粉质（如：玉米、马铃薯、大麦、大米、高粱等）、糖质（如：甘蔗、甜酒、糖蜜等）、纤维素（如：农作物秸秆、森林采伐和木材加工剩余物、柴草、造纸厂和造糖厂含有纤维素的下脚料、生活垃圾的一部分等）为原料，经过一系列物理、化学、生物化学过程转化为乙醇，其燃烧所释放的二氧化碳量等于通过光合作用和酒精发酵所固化的二氧化碳量，因此生物乙醇是一种高效清洁的可再生能源。
以玉米、红薯等为原料生产的生物乙醇虽然属于环保能源，但玉米和红薯是人和动物食物的重要来源，而且其生产需要占用良田才可能高产。因此利用玉米和红薯生产生物能源会引起“与人争粮、与粮争地”的问题，经年来出现的食品价格上涨的原因之一就是大量的玉米被用于生产乙醇，以玉米、红薯为原料生产生物乙醇对于我们这样一个人口众多、粮食紧张的大国来说显然不是长远之计。总的来看，生物能源中以纤维素乙醇最有前途，因为纤维素乙醇相对于生物柴油具有资源丰富、再生周期短、成本低、CO2和SO2等有害气
体零排放、价格低等众多优点，更重要的是用于生产纤维素乙醇的能源作物对土地的适应性较强，在很多未开发利用的荒山荒地都可以种植，这样就不会引发粮食问题，也避免了资源枯竭的威胁，使能源保持持续稳定的发展，这对于满足社会能源需求以及维护能源安全具有十分重要的意义。种植能源作物具有诸多优点。第一，可以减少土壤流失，有利于保护生态环境，第二，通过形成可持续循环的能源利用方式，减少温室效应。能源作物通过光合作用可以吸收大气中的CO2，将其转化为能量储藏，并进一步被开发利用，从而良
性消耗了社会经济发展与生活中产生的温室气体。第三，能源作物可以作为动物的饲料，而他们的生长区又可以作为动物的栖息地。因此，生物乙醇的利用有助于建立资源节约、环境友好型社会。第四，能源作物的种植离不开土地，劳动又需要人力，发展能源产业又会带动其他相关产业，如运输业、服务业等，因此发展生物能源可以提高农民的就业机会并增加农民的收入，促进产业结构的调整，加速农村城镇化和工业化进程。
7、纤维素乙醇产业化亟待解决的技术问题
需解决的技术问题：纤维素乙醇以可以再生的生物质作为原料，它既不同于石化能源的不可再生性，又不会如石化能源那样大量排放温室气体、硫化物及氯化物等造成环境污染。因此具有传统能源无可比拟的优越性，是未来能源的新宠。但是，现阶段纤维素能源的产业化还有许多亟待解决的问题。（1）木质纤维素原料分散，季节性强，尤其是农作物秸秆。（2）木质纤维素预处理技术有待进一步优化和提高。由于天然纤维素原料的结构复杂的特性，使得其纤维素、半纤维素和木质素三者不能有效分离；另外伴随产生一些中间
副产物，实验表明，这些物质抑制酵母的生长和代谢，最终影响乙醇产率。（3）缺乏高效的纤维酶菌株，现有的纤维素酶制剂效果较低，使得酶解糖化经济成本较高，当前生产一吨纤维乙醇需要酶制剂成本在2200～2600元。（4）缺乏能够同时高效利用戊糖和己糖的发酵菌株。在木质纤维水解中，其中有相当比重的木糖（葡萄糖/木糖约为2）。因此，戊糖的利用是影响纤维乙醇综合成本的关键一项。
8、展望
我国是一个农业大国，有着丰富的生物质资源，大力发展以生物质为原料的第二代生物乙醇对于解决当前石油资源短缺、增加农民收入以及减少环境污染等方面具有十分重要的意义。我国第二代生物乙醇的开发利用仍处于发展初期，需要继续投入，对制约成本的纤维素酶、C5利用和生物质热加工等关键技术，应集中力量进行研究开发，实现纤维素乙醇技术和生物质热化学转化技术的突破，为纤维素乙醇产业提供技术支撑；解决制约纤维素乙醇产业发展的原料供应问题，充分做好能源资源的优化利用，建立工业示范装置，为纤维素乙醇产业发展提供实践经验。纤维素乙醇作为国家重点发展的可再生能源产业，应整合多方力量，实现优势互补，催进产业发展，使其在我国能源结构转变中发挥更大的作用。 结语
近年来，纤维素酶转化木质纤维素生物质生产乙醇取得了重大进展，但要实现产业化还有突破性的工作要做。目前，纤维素原料制燃料乙醇的成本仍然很高，其约因素主要是预处理过程和纤维素酶，因而有待在技术和菌种上进一步突破。
通过对预处理工艺特点的深刻认识，建立低成本的预处理工艺是木质纤维素生产乙醇首先要解决的问题。从自然界选育更好的纤维素酶高效菌株，为其改造奠定基础。基因重组及定位突变技术是选育纤维素酶高产菌株最有效的途径，目前对纤维素酶基因的研究主要集中在产纤维素酶的高产真菌及耐热细菌上。随着生物化学和分子生物学的发展，纤维素酶合成的调节机制将成为研究的一个焦点。
纤维素酶作用机理有待进一步研究，由于纤维素酶的空间结构复杂，加之纤维素酶不易分离纯化、结晶难，应进一步在分离纯化技术和研究方法上进行突破。开展木质纤维素酶解过程的研究，如纤维素酶促进剂和不同来源纤维素酶间的协同作用研究，提高转化效率。
利用微生物代谢工程和基因工程等手段进行商业化糖化发酵酿酒酵母的选育是木质纤维素生产乙醇的关键。采用酶循环和同步糖化（共）发酵工艺优化乙醇生产过程，提高效率。纤维素酶基因在酵母中的表达使直接利用木质纤维素生产乙醇成为可能，前景极为诱人，目前存在的问题是酵母表达外源纤维素酶基因的水平仍然有限。00利用植物基因工程对能源植物进行改造，增加木质纤维素中纤维素含量，降低半纤维素和木质素含量，利于纤维素酶降解；另外使能源植物表达异源高活性纤维素酶，酶表达受诱导调控，可在收获前诱导表达，收获后木质纤维素被内源纤维素酶降解，只须添加少量外源酶就可彻底降解，使酶解木质纤维素资源生产乙醇变得十分简单。
总之，纤维素酶转化木质纤维素生物质生产乙醇具有美好前景。
西南交通大学 第 11页
参考文献
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能源，2006（2）57-61
木质纤维素水解发酵
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摘要：随着科学技术的发展和机械化程度的提高，燃料能源短缺现象日趋严重。开发石化能源的替代品已成为全世界关注的焦点。纤维素乙醇是一种清洁且资源丰富的可再生能源，其具有广阔的发展前景，将成为未来最重要的可再生能源之一。本文综述了纤维素制取乙醇的原理、纤维素乙醇生产技术、国内外纤维素乙醇研究及应用现状、发展纤维素乙醇的意义，分析了纤维素乙醇产业化亟待解决的技术问题，指出了今后研发方向。 关键词：纤维素；乙醇；燃料乙醇
前言
能源是人类赖以生存和发展的基础，它既是国民经济发展的动力，又是衡量综合国力、国家文明发达程度和人民生活水平的重要指标。工业化的发展及人口的膨胀对自然资源的巨大消耗和大规模的开采，已导致地球上现有资源的削弱、退化、枯竭，资源与环境问题已成为当前世界人类面临的重要问题之一。利用新技术创造出新的能源形式以满足人类社会的可持续发展，已成为解决现有能源日益枯竭问题的必要手段。在新能源开发方面，生物技术被认为是最具有发展前景的技术，必将在解决人类所面临的能源危机方面发挥大的作用。
近年来，随着全球经济的快速增长，尤其是亚洲国家新兴经济体的出现，原油消耗量大幅度增加，原油价格持续走高，开发石化能源的替代品已成为全世界关注的焦点。由于生物燃料具有可补充石化燃料资源、降低石油资源对外依存度、减少温室气体和污染物排放的特点，近年来受到世界各国的广泛关注。乙醇能源以其环保、可再生、资源丰富等优点已成为一种重要的替代能源。木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，也是当前利用率最低的资源，是各国新资源战略的重点。中国可利用的木质纤维素每年在7亿吨左右，这些丰富而廉价的自然资源主要来源于农林业废弃物、工业废弃物和城市废弃物。所以，纤维素乙醇是未来发展的必然方向。
1、纤维素生物质制备乙醇技术 纤维素生物质是由纤维素（30-50%），半纤维素（20-40%），和木质素（15-30%）组成的复杂材料。纤维质生物质中的糖以纤维素和半纤维素的形式存在。纤维素中的
六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样，可以用传统的酵母发酵成乙醇。而半纤维素中含有的糖主要为五碳糖，传统的酵母无法经济地将其转化为乙醇每一种植物的确切成分都不尽相同。纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，是地球上最丰富的分子。将木质纤维素类物质转化为燃料乙醇，必须首先将木质纤维素降解为纤维素、半纤维素和木质素，然后纤维素或半纤维素降解为葡萄糖或戊糖，最后将单糖发酵为乙醇。一直以来，将纤维质生物质转化成乙醇是科学家们面对的巨大挑战。酸、高温等苛刻的条件都曾经被用来尝试将纤维素分子打断、水解成单一的糖。
随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。
纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。
2、纤维素酶的分类和作用机制
2.1 纤维素酶的分类
纤维素酶是降解纤维素原料生成葡萄糖的一组酶的总称，它不是单种酶，而是起协同作用的多组分酶系。根据其催化功能不同分为：①内切葡萄糖苷酶（Cx酶），该酶随机水解β-1,4糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素；②外切葡萄糖苷酶（C1酶），它能从纤维素分子的还原或非还原端切割糖苷键，生成纤维二糖；③β-葡萄糖苷酶（纤维二糖酶），它把纤维二糖降解成单个葡萄糖分子。只有它们协同作用，才能把纤维素分子降解成葡萄糖。
2.2 纤维素酶的作用机制
纤维素酶降解纤维素时，先吸附到纤维素表面，然后其中的内切酶在葡聚糖链的随机位点水解底物产生寡聚糖，外切酶从葡聚糖链的还原或非还原端进行水解产生纤维二糖，β-葡萄糖苷酶水解纤维素二糖为葡萄糖，这三类酶“协同作用”最终将纤维素降解为葡萄糖。
3、利用纤维素制取燃料乙醇的基本原理
纤维素废弃物的主要有机成分包括半纤维素、纤维素、和木质素3部分。前两者都能被水解为单糖，单糖再经发酵生成乙醇，而木质素不能被水解且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解。
半纤维素是由不同多聚糖构成的混合物，聚合度较低，也无晶体结构，故较易水解。半纤维素水解产物主要是木糖，还包括少量的阿拉伯糖、葡糖糖、半乳糖和甘露糖，含量因原料不同而不同。
纤维素的性质很稳定，只有在催化剂存在下，其水解反应才能显著进行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶，由此分别形成了酸水解和酶水解工艺，其中酸水解又可分为浓酸水解工艺和稀酸水解工艺。纤维素经水解可生成葡萄糖，易于发酵成乙醇。
4、利用纤维素制取燃料乙醇的工艺
4.1生物化学法生产纤维素乙醇
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图1所示。
图1. 纤维素乙醇的生产流程
生化法生产纤维素乙醇有3个关键步骤，即生物质预处理、纤维素水解和单糖发酵。由于木质纤维素的结构紧凑，纤维素难于被生物酶水解，通过生物质预处理，改变天然纤维的结构，分离纤维素、半纤维素和木质素，增加纤维素与酶的接触面积，可提高纤维素的酶解效率。纤维素酶水解是生产纤维素乙醇的关键步骤，酶水解具有反应条件温和，无剧毒副产物，糖化效率高，可以和发酵过程耦合等优点，是目前最具有优势的纤维素水解技术。
（1）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(
可破坏木质纤维素生物质的物理结构，降低结晶度，包括球磨、剪切、挤压等，其中最有效的是球磨，但因能耗高而很少采用。
②. 稀酸处理法 用稀酸在较低的温度下处理木质纤维素生物质，可降解其半纤维素，生成单糖和可溶性低聚糖，提高原料的酶可及度及纤维素的可消化性。该法效果较好、成本较低，已得到广泛应用。尤其用于将半纤维素中的木聚糖转化为木糖，再经微生物发酵生产乙醇。 ③. 碱处理法
用NaOH、Ca(OH)2等碱性试剂处理木质纤维素生物质，脱除木质素，提高纤维素的酶可及度。预处理对酶解糖化效率和乙醇生产成本影响极大。
④. 湿法氧化处理法 指水、氧化剂等在高温、一定压力下氧化降解木质纤维素生物质的过程。碱性条件可防止纤维素破坏，使木质素和半纤维素溶于碱液，与纤维素分离，且形成的糠醛等副产物较少。
⑤. 蒸汽爆碎处理法 该法是比较有效、低成本和无污染的新技术。向装有木质纤维素生物质的压力罐通入高压蒸汽，使罐温度达到200～240℃左右，维持较短时间(30s～20min)后，突然减压将物料喷出，使物料爆碎。在高温条件下，原料中的半纤维素会迅速分解释放出有机酸，进而发生自水解作用而溶化。细胞间的木质素也能出现熔化，并发生部分降解，变得易被热水、
有机溶剂或稀碱抽提。加上突然减压爆碎的机械分离作用，使植物细胞间质或细胞壁变疏松，细胞游离，纤维素的可消化性明显增强。
（2）纤维素水解糖化
水解主要是为了将纤维素等多糖水解转化为单糖，主要方法包括酸水解法和生物酶水解法。
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。
浓酸水解的原理是结晶纤维素在较低温度下可完全溶解在硫酸中，转化成含几个葡萄糖单元的低聚糖。把此溶液加水稀释并加热，经一定时间后就把低聚糖水解成葡萄糖。浓酸水解的优点是糖的回收率高（可达90%以上），可以处理不同原料，相对迅速（10~12h），并极少降解。
在纤维素的稀酸水解中，溶液中的氢离子可和纤维素上的氧原子相结合，使其变得不稳定，容易和水反应，纤维素长链在该处断裂，同时又放出氢离子，从而实现纤维素长链的连续解聚，直到分解成为最小的单元葡萄糖。
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。
(3) 纤维素乙醇发酵工艺
发酵工艺主要是用微生物将单糖降解为乙醇，结合水解和发酵过程，发酵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2所示）。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。 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。
半纤维素水解糖
图2 木质纤维素的同步水解与发酵工艺流程
4.2 生物合成气制取纤维素乙醇法
生物质合成气制备乙醇的方法集成了热化学和生物发酵两种工艺过程。首先，通过气化反应装置把生物质转化成富含CO、CO2和H2的中间气体，这些气体被称作生物质合成气；然后，再通过化学催化转化或微生物发酵技术将其转化为乙醇。生物质合成气制乙醇
工艺过程可将全部生物质通过流化床气化过程转化成合成气，既提高生物质的利用率，也可解决木质素废液的处理问题。
5、纤维素制取燃料乙醇的国内外研究及应用现状
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B C International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。
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。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。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。
6、发展纤维素乙醇技术的意义
生物能源主要有生物柴油和生物乙醇等形式。生物柴油与普通柴油相比，具有可再生、已于生物降解、燃烧污染物排放低、温室气体排放低等特点。但生物柴油仍存在一些缺点，比如菜籽油为原料生产的生物柴油成本高、用化学方法合成生物柴油工艺复杂、能耗高、
设备投入大、酯化产物难于回收，回收成本高等。生物乙醇以淀粉质（如：玉米、马铃薯、大麦、大米、高粱等）、糖质（如：甘蔗、甜酒、糖蜜等）、纤维素（如：农作物秸秆、森林采伐和木材加工剩余物、柴草、造纸厂和造糖厂含有纤维素的下脚料、生活垃圾的一部分等）为原料，经过一系列物理、化学、生物化学过程转化为乙醇，其燃烧所释放的二氧化碳量等于通过光合作用和酒精发酵所固化的二氧化碳量，因此生物乙醇是一种高效清洁的可再生能源。
以玉米、红薯等为原料生产的生物乙醇虽然属于环保能源，但玉米和红薯是人和动物食物的重要来源，而且其生产需要占用良田才可能高产。因此利用玉米和红薯生产生物能源会引起“与人争粮、与粮争地”的问题，经年来出现的食品价格上涨的原因之一就是大量的玉米被用于生产乙醇，以玉米、红薯为原料生产生物乙醇对于我们这样一个人口众多、粮食紧张的大国来说显然不是长远之计。总的来看，生物能源中以纤维素乙醇最有前途，因为纤维素乙醇相对于生物柴油具有资源丰富、再生周期短、成本低、CO2和SO2等有害气
体零排放、价格低等众多优点，更重要的是用于生产纤维素乙醇的能源作物对土地的适应性较强，在很多未开发利用的荒山荒地都可以种植，这样就不会引发粮食问题，也避免了资源枯竭的威胁，使能源保持持续稳定的发展，这对于满足社会能源需求以及维护能源安全具有十分重要的意义。种植能源作物具有诸多优点。第一，可以减少土壤流失，有利于保护生态环境，第二，通过形成可持续循环的能源利用方式，减少温室效应。能源作物通过光合作用可以吸收大气中的CO2，将其转化为能量储藏，并进一步被开发利用，从而良
性消耗了社会经济发展与生活中产生的温室气体。第三，能源作物可以作为动物的饲料，而他们的生长区又可以作为动物的栖息地。因此，生物乙醇的利用有助于建立资源节约、环境友好型社会。第四，能源作物的种植离不开土地，劳动又需要人力，发展能源产业又会带动其他相关产业，如运输业、服务业等，因此发展生物能源可以提高农民的就业机会并增加农民的收入，促进产业结构的调整，加速农村城镇化和工业化进程。
7、纤维素乙醇产业化亟待解决的技术问题
需解决的技术问题：纤维素乙醇以可以再生的生物质作为原料，它既不同于石化能源的不可再生性，又不会如石化能源那样大量排放温室气体、硫化物及氯化物等造成环境污染。因此具有传统能源无可比拟的优越性，是未来能源的新宠。但是，现阶段纤维素能源的产业化还有许多亟待解决的问题。（1）木质纤维素原料分散，季节性强，尤其是农作物秸秆。（2）木质纤维素预处理技术有待进一步优化和提高。由于天然纤维素原料的结构复杂的特性，使得其纤维素、半纤维素和木质素三者不能有效分离；另外伴随产生一些中间
副产物，实验表明，这些物质抑制酵母的生长和代谢，最终影响乙醇产率。（3）缺乏高效的纤维酶菌株，现有的纤维素酶制剂效果较低，使得酶解糖化经济成本较高，当前生产一吨纤维乙醇需要酶制剂成本在2200～2600元。（4）缺乏能够同时高效利用戊糖和己糖的发酵菌株。在木质纤维水解中，其中有相当比重的木糖（葡萄糖/木糖约为2）。因此，戊糖的利用是影响纤维乙醇综合成本的关键一项。
8、展望
我国是一个农业大国，有着丰富的生物质资源，大力发展以生物质为原料的第二代生物乙醇对于解决当前石油资源短缺、增加农民收入以及减少环境污染等方面具有十分重要的意义。我国第二代生物乙醇的开发利用仍处于发展初期，需要继续投入，对制约成本的纤维素酶、C5利用和生物质热加工等关键技术，应集中力量进行研究开发，实现纤维素乙醇技术和生物质热化学转化技术的突破，为纤维素乙醇产业提供技术支撑；解决制约纤维素乙醇产业发展的原料供应问题，充分做好能源资源的优化利用，建立工业示范装置，为纤维素乙醇产业发展提供实践经验。纤维素乙醇作为国家重点发展的可再生能源产业，应整合多方力量，实现优势互补，催进产业发展，使其在我国能源结构转变中发挥更大的作用。 结语
近年来，纤维素酶转化木质纤维素生物质生产乙醇取得了重大进展，但要实现产业化还有突破性的工作要做。目前，纤维素原料制燃料乙醇的成本仍然很高，其约因素主要是预处理过程和纤维素酶，因而有待在技术和菌种上进一步突破。
通过对预处理工艺特点的深刻认识，建立低成本的预处理工艺是木质纤维素生产乙醇首先要解决的问题。从自然界选育更好的纤维素酶高效菌株，为其改造奠定基础。基因重组及定位突变技术是选育纤维素酶高产菌株最有效的途径，目前对纤维素酶基因的研究主要集中在产纤维素酶的高产真菌及耐热细菌上。随着生物化学和分子生物学的发展，纤维素酶合成的调节机制将成为研究的一个焦点。
纤维素酶作用机理有待进一步研究，由于纤维素酶的空间结构复杂，加之纤维素酶不易分离纯化、结晶难，应进一步在分离纯化技术和研究方法上进行突破。开展木质纤维素酶解过程的研究，如纤维素酶促进剂和不同来源纤维素酶间的协同作用研究，提高转化效率。
利用微生物代谢工程和基因工程等手段进行商业化糖化发酵酿酒酵母的选育是木质纤维素生产乙醇的关键。采用酶循环和同步糖化（共）发酵工艺优化乙醇生产过程，提高效率。纤维素酶基因在酵母中的表达使直接利用木质纤维素生产乙醇成为可能，前景极为诱人，目前存在的问题是酵母表达外源纤维素酶基因的水平仍然有限。00利用植物基因工程对能源植物进行改造，增加木质纤维素中纤维素含量，降低半纤维素和木质素含量，利于纤维素酶降解；另外使能源植物表达异源高活性纤维素酶，酶表达受诱导调控，可在收获前诱导表达，收获后木质纤维素被内源纤维素酶降解，只须添加少量外源酶就可彻底降解，使酶解木质纤维素资源生产乙醇变得十分简单。
总之，纤维素酶转化木质纤维素生物质生产乙醇具有美好前景。
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