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纤维素乙醇产业现状及关键过程技术难点

企业，2012年，龙力生物建立了当时中国最大的纤维素乙醇厂，

最多可年产5万t酒精，但遗憾的是该装置目前也处于停运状态。其

余国内在建或已经建立的纤维素乙醇项目也都处于停产状态或者从

未开工，河南天冠集团在南阳建立的3万t/a醇电联产项目自建成以

来从未运行，其他几家与国外公司合资建立的工厂也没有开工。

2纤维素乙醇关键过程技术难点

2.1纤维素乙醇关键过程

用木质纤维素原料生产乙醇，主要是利用木质纤维素经过预处理

产生半纤维素和纤维素，后酶解产生可发酵糖发酵生产乙醇，然后通

过一定的分离提纯手段获得合格产品。纤维素乙醇生产工艺主要包括

原料收储运、原料预处理、酶解、水解糖发酵、乙醇产品脱水精制和

污水处理几个单元，主流工艺流程简图如图3所示。

2.2关键过程技术难点

2.2.1原料来源不稳定

目前用于乙醇生产的木质纤维素主要来源于农作物秸秆，但秸秆

种类繁多、性状不一，分布分散，收获具有季节性，因此秸秆的收集、

储存和运输费用约占乙醇生产成本的三分之一。且秸秆易燃易潮易发

霉，长期储存需要做好防雨、防潮、防火和防雷等设施建设，日常还

需要进行必要的维护和管理。因此秸秆收、储、运是秸秆大规模能源

化利用的一大瓶颈，构建合理的秸秆收储运体系对纤维素燃料乙醇连

续化生产至关重要。

2.2.2预处理工艺复杂，收率低

预处理过程相当于整个纤维素乙醇生产的龙头单元，预处理技术

不仅对其过程本身有影响，还几乎间接控制着其他所有操作过程，高

水平的预处理技术能够降低昂贵酶制剂的用量，减少酶抑制物和酵母

抑制物的生成，提高酶解速率和发酵水平。

但木质纤维素生物结构紧密复杂，具有强烈的抗降解性，需要经

过特殊物理化学方法处理来将木质纤维素的结构打开，降低聚合度和

结晶度，增加物料的比表面积。一般的预处理方式有化学法，物理法、

生物法及物理化学结合法等。但单一的方法成本很高且处理效果不好，

仅有物理化学结合法处理效果较好且经济可行，是目前使用较多的预

处理方法，主要物理化学法有研磨后酸碱分解、稀酸/碱蒸汽爆破、亚

硫酸盐蒸煮法等。蒸汽爆破目前是应用最广泛也是效果较好的预处理

方式，通常与化学试剂（硫酸、氨水等）结合使预处理发挥更好效果。

几种常见的预处理法及主要工艺指标如表2所示。从工业应用的角度

来分析，仅有稀酸蒸爆预处理、中性蒸爆预处理及氨爆预处理等少数

几种方法具有工业化的可行性，但处理过程及其复杂、能耗巨大且

收率较低，开发简捷低耗的预处理方法仍迫在眉睫。

2.2.3酶解成本高

经过预处理后纤维素原料先需要被纤维素酶水解成可发酵糖，再

通过酵母等发酵微生物代谢生产乙醇，纤维素酶解纤维素生产乙醇行

业成本最高的单元操作。首先，木质纤维素固体基质物性引起的组分

基质效应、纤维素酶吸附效应、水束缚效应、抑制物效应等，造成体

系传质、传热和反应特性改变，能耗增加、反应效率降低，使得纤维

素乙醇酶解和发酵过程的控制和放大存在很大难度。其次，纤维素酶

的成本居高不下，水解过程需要使用大量昂贵的专用酶制剂，由生产

实践数据可知，酶制剂是整个生产成本的重中之重，占比高达30%～

50%，远高于粮食乙醇5%～10%的水平。因此酶制剂成本已成为纤维

素乙醇技术突破的关键，掌握了酶核心生产技术，就等于控制了未来

产业链的上游高端。因此世界各国都在积极研究降低纤维素酶的生产

成本，诺维信是当前世界范围内纤维素酶技术的主要拥有者，但仍没

有办法将酶制剂成本降到可接受范围内。

2.2.4高效工程菌选育难

目前，用酵母进行发酵生产乙醇主要有以下几个问题：

①酿酒酵母厌氧扩培和生长受预处理副产物抑制;

②酵母不能利用半纤维素水解产生的戊糖;

③酿酒酵母在高温条件下发酵性能不好;

④酿酒酵母的活性受产物乙醇抑制。

因此，各相关都在致力于培育出能够耐受各种抑制物、全面利用

酶水解液中的各种难发酵性糖生成高浓度乙醇的代谢工程菌株，并构

建相应的酶解发酵工艺。研究发现添加亚精胺能够增强酵母对水解抑

制物的耐受性，通过表达亚精胺合成途径中的关键基因spe3，敲除

oaz1和tpo1，可以提高酵母对乙酸的耐受性，通过表达泛素连接酶

Rsp5的多种基因可以获得耐高温重组酵母菌株。但是，关于高效工