木質(zhì)纖維素乙醇的新改進(jìn)終極版

1、木質(zhì)纖維素乙醇的進(jìn)展如果液體化石燃料被可再生和可持續(xù)的替代品所取代,由木質(zhì)纖維素生產(chǎn)的的生物燃料的使用將是不可避免的。乙醇是全球使用最多的生物燃料,豐富的纖維素原料使生物原料的生產(chǎn)具有很大的前景,而且這種前景很具有吸引力。由于其韌性會(huì)導(dǎo)致工藝過程復(fù)雜并且成本昂貴,但是也有樂觀的理由。新的纖維素水解酶的工程體系,改造戊糖發(fā)酵建設(shè)中的耐受抑制劑的酵母菌株并結(jié)合最優(yōu)一體化過程。在試點(diǎn)工廠測試這些新改進(jìn)的機(jī)會(huì)為大型機(jī)組鋪平了道路。本文總結(jié)了在這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展,包括在中試規(guī)模中的驗(yàn)證,以及在這種生產(chǎn)途徑中隊(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的影響。引言從可再生的木質(zhì)纖維素資源轉(zhuǎn)化成液體運(yùn)輸燃料具有獨(dú)特的和可取的特點(diǎn):安全的供

2、應(yīng)來源,避免與用于糧食和飼料生產(chǎn)的土地相沖突,降低化石燃料的輸入成本。雖然從森林和農(nóng)作物殘留物,或者專用纖維素作物生產(chǎn)的生物乙醇提供了這些優(yōu)點(diǎn),但是它的發(fā)展仍然受到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的障礙。木質(zhì)纖維素生產(chǎn)生物乙醇的傳統(tǒng)工藝主要包括四個(gè)步驟:(1預(yù)處理打破木質(zhì)纖維素基質(zhì)的結(jié)構(gòu)。(2酶的水解用纖維素水解酶將纖維素分解成葡萄糖。(3發(fā)酵通常使用酵母菌株將葡萄糖代謝成乙醇。(4蒸餾精餾脫水分離和純化乙醇來滿足燃料規(guī)格。在世界各地,有很多研發(fā)項(xiàng)目在尋求克服扔存在的障礙來達(dá)到商業(yè)化的目的。主要在美國的一些設(shè)施,包括試點(diǎn)和師范設(shè)施。正在處理的主要障礙有:預(yù)處理的選擇和優(yōu)化,降低酶水解的成本,將糖(包括戊糖轉(zhuǎn)化成乙

3、醇達(dá)到最大化,過程放大和一體化來減少對(duì)能源和水的需求,木質(zhì)素副產(chǎn)物的表征和估價(jià),最后,使用具有代表性的和可靠地?cái)?shù)據(jù)來進(jìn)行成本估算,以及對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)影響的側(cè)測定。傳統(tǒng)方法是使用里氏木霉的纖維素水解酶和酵母菌酵母菌株,除了尋求改進(jìn)這種傳統(tǒng)工藝的方法,課選擇的新的方案也在調(diào)查,例如,利用嗜熱酶、重組生產(chǎn)乙醇的菌株和綜合生物加工。本文重點(diǎn)綜述四個(gè)步驟的過程,強(qiáng)調(diào)通過一個(gè)歐洲研究項(xiàng)目的框架內(nèi)進(jìn)行的努力的最新進(jìn)展:尼羅河(木質(zhì)纖維素乙醇的新進(jìn)展項(xiàng)目。然而,應(yīng)該指出的是,這里的重大突破也有利于其他生產(chǎn)途徑。木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理木質(zhì)纖維素預(yù)處理的目的是通過改變木質(zhì)纖維素的細(xì)胞壁、撕裂纖維素,使纖維素水解酶滲

4、入纖維素內(nèi)部。預(yù)處理的效果包括:增加了可利用的表面積、增加了纖維素的結(jié)晶性、部分纖維素的水解、半纖維素或木質(zhì)素的增溶作用和木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的修改。在物理和化學(xué)共同作用的基礎(chǔ)上,很多預(yù)處理技術(shù)被提了出來。這些包括,蒸汽爆破、液相熱水預(yù)處理、氨纖維爆破、酸預(yù)處理、石灰預(yù)處理、有機(jī)溶膠等等。主要制約因素是盡量減少糖分的講解和抑制劑(呋喃和酚類化合物的形成,限制化學(xué)品、能源和水的消耗,以及廢料的形成。除了蒸汽爆破和稀酸預(yù)處理已經(jīng)應(yīng)用于中試規(guī)模(尼羅河項(xiàng)目中使用的方法,最近的研究進(jìn)展發(fā)現(xiàn)AFEX似乎是一個(gè)又前景的技術(shù),例如在新過程設(shè)計(jì)中采用?；诶w維素溶解的其他新方法,化學(xué)物質(zhì)的回收也是至關(guān)重要的。因?yàn)樾阅苁?/p>

5、依賴于所使用的生物量,因此,選擇一種最優(yōu)的技術(shù)仍然很困難。比較研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),例如蒸汽爆破、石灰預(yù)處理、液相熱水預(yù)處理和氨纖維預(yù)處理在預(yù)測經(jīng)濟(jì)成效上有著細(xì)微的差異。酶的水解克服木質(zhì)纖維素的韌性酶水解的目的是解聚在預(yù)處理之后仍然存在于水中的不溶的多糖。在大多數(shù)預(yù)處理之后,這些剩余的多糖大部分是纖維素?？捎萌N酶的協(xié)同作用來水解纖維素:內(nèi)切-1,4-葡聚糖酶(EG,EC,3.2.1.4作用于纖維素鏈的內(nèi)源部分,纖維二糖水解酶(CBH,EC3.2.1.91作用于聚合物的末端,通過-葡糖苷酶(BG,EC3.2.1.21將纖維葡萄二糖最終釋放為兩個(gè)葡糖糖分子。此外,包括半纖維素酶和木質(zhì)素酶等輔酶也通過清除

6、主酶所產(chǎn)生纖維素時(shí)的障礙在水解過程中發(fā)揮著重要的作用。水解酶的生產(chǎn)成本高和過多的預(yù)處理過程中水解酶的使用量通常被認(rèn)為是纖維素乙醇工業(yè)商業(yè)化道路上的主要瓶頸。提高纖維素酶的生產(chǎn)纖維素酶和半纖維素酶的主要工業(yè)來源是嗜溫軟腐菌里氏木霉(有性型紅褐肉座菌,通過隨機(jī)誘變得到具有高蛋白分泌能力的突變株。進(jìn)一步提高這些菌株需要精確的代謝工程來考慮在工藝條件下的基因表達(dá)。同時(shí)也在進(jìn)行著嘗試用便宜的碳源來生產(chǎn)酶,例如,那些源自于纖維素類的物質(zhì)。纖維素酶的誘導(dǎo)機(jī)制中,很多工作已經(jīng)展開了,通過用里氏菌進(jìn)行工業(yè)誘導(dǎo)乳糖,包括可替代D-半乳糖的代謝途徑。此外,有三種已知的主要轉(zhuǎn)錄因子參與纖維素酶的誘導(dǎo):ACE1、ACE

7、2和主要誘導(dǎo)劑XYR1,后者可同時(shí)調(diào)節(jié)水解酶和乳糖誘導(dǎo)的途徑。最近,隨著它的完整基因序列的發(fā)布,T.里氏菌已經(jīng)進(jìn)入了后基因組的時(shí)代,全基因組的工具的可用性將允許使用系統(tǒng)生物學(xué)的方法,發(fā)展急需的現(xiàn)存的突變知識(shí),并得到新的高性能菌株。提高酶混合物的效率兩個(gè)纖維二糖水解酶(CBH I和CBH II和兩個(gè)內(nèi)切葡聚糖酶(EG1和EG2,大致比例為60:20:10:10,可以組成T里氏菌所分泌的90%酶混合物,而-葡萄糖苷酶的組成不到1%。生產(chǎn)乙醇過程中的水解條件并非在發(fā)現(xiàn)T里氏菌的自然環(huán)境下可以找到。因此,可以推測的是在這些工藝條件下混合物中酶的比例成分不是最優(yōu)的。因此,改善木質(zhì)纖維素水解的最簡單直接的

8、方法就是完善酶混合物的基本成分。最近,遺傳和生化技術(shù)已經(jīng)提高了我們對(duì)T里氏酶的全面知識(shí)。有三種內(nèi)切酶和12種半纖維素酶被報(bào)道出來。工業(yè)菌株的“分泌”的完整分析得到了22種分泌酶。完整的基因組測序已經(jīng)確定大量的基因內(nèi)切酶(在CAZy數(shù)據(jù)庫中被定義成200種糖苷水解酶。這些基因的異常表達(dá)可能會(huì)導(dǎo)致酶法水解的顯著增強(qiáng)。跟其他真菌相比較,像在生物降解過程中, T里氏基因組的數(shù)量和多樣性仍然是出乎意料的少。因此,不存在于T里氏菌的GH家組表達(dá)酶似乎是另一種有前途的選擇。越來越多的基因組測序都是酶的潛在來源。宏基因組學(xué)也是一個(gè)有前途的領(lǐng)域,像最近展示了白蟻腸道微生物群落。這樣一個(gè)成功方法的例子,是克隆和表

9、達(dá)耐高溫的纖維素酶,它揭示了其中一些酶有著木質(zhì)纖維素降解的能力和一些酶可以取代T里氏酶。最后,細(xì)菌纖維素酶的研究表明增加纖維素酶之間的協(xié)同作用的一種方法是用物理方法連接它們,也就是直接進(jìn)行基因融合或者是直接構(gòu)建纖維素酶。木質(zhì)纖維素的乙醇發(fā)酵木質(zhì)纖維素水解后的乙醇發(fā)酵需要有機(jī)體發(fā)酵,包括己糖葡萄糖、甘露糖、半乳糖和木糖、戊糖、阿拉伯糖以及抑制性化合物,包括弱酸、糠醛和酚類物質(zhì)。在整個(gè)人類歷史記載中,乙醇生產(chǎn)發(fā)酵的過程中,一直首選的有機(jī)體是面包酵母和釀酒酵母,面包酵母和釀酒酵母也可以耐受木質(zhì)纖維素衍生物代謝的抑制劑。然而,釀酒酵母缺乏利用戊糖、木糖和阿拉伯糖的能力。戊糖發(fā)酵在自然界能利用木糖和阿拉

10、伯糖的微生物中,細(xì)菌采用異構(gòu)酶的渠道將五碳糖導(dǎo)入中心糖代謝,而酵母和絲狀真菌主要利用還原酶或脫氫酶的途徑。這兩種途徑都被引用到了釀酒酵母中。當(dāng)木糖異構(gòu)酶途徑被引入到釀酒酵母中的時(shí)候,就獲得了高乙醇產(chǎn)量,并且轉(zhuǎn)化體也被暴露于工程協(xié)議。同樣,阿拉伯糖異構(gòu)酶的途徑也被引用了。然而,異構(gòu)酶途徑迄今只能從多拷貝質(zhì)粒表達(dá)得到,它缺乏工業(yè)應(yīng)用所需要的穩(wěn)定性。酵母和真菌還原酶/脫氫酶包括酶反應(yīng)使用不同的氧化還原輔因子,這可能會(huì)因?yàn)楦碑a(chǎn)物的形成導(dǎo)致碳源浪費(fèi)。然而,兩個(gè)表現(xiàn)最佳的工業(yè)木糖發(fā)酵菌株是基于還原酶/脫氫酶途徑。然而,當(dāng)一個(gè)真菌糖途徑在釀酒酵母中被表達(dá),乙醇的形成是有限的。戊糖的氧化還原代謝已經(jīng)成為大量工

11、程方法的一個(gè)主題。最近,最優(yōu)針對(duì)性的蛋白質(zhì)工程導(dǎo)致乙醇產(chǎn)量和生產(chǎn)率的顯著增加。此外,副產(chǎn)物的形成使無解毒水解產(chǎn)物中醛和酮的含量顯著降低。酶跨親緣關(guān)系共同利用木糖和阿拉伯糖在相應(yīng)的等位基因的異構(gòu)酶應(yīng)變顯著好于木糖還原酶/木糖醇脫氫酶表達(dá)應(yīng)變。對(duì)于通過菌株專用化工程協(xié)議而利用戊糖異構(gòu)酶是必須的。抑制劑耐受性釀酒酵母菌株在對(duì)抑制劑的耐受方面展示了較好的變異性。而木質(zhì)纖維素抑制劑的生物化學(xué)特性已經(jīng)被單獨(dú)研究了,酵母耐受木質(zhì)纖維素水解的基本分子仍然有待解釋,酵母菌本身將糠醛還原成低抑制性的乙醇,并且為提高木質(zhì)纖維素水解的發(fā)酵,已經(jīng)用于進(jìn)化工程酵母。工業(yè)菌株發(fā)酵的非解毒水解產(chǎn)物是解毒酶編碼基因的來源。利用

12、乙醇脫氫酶6(ADH6的還原性輔酶和突變的依賴性的還原性輔酶以及依賴ADH1的還原性輔酶在亞硫酸鹽白酒發(fā)酵工廠分離株中發(fā)現(xiàn)。這些酶將糠醛還原成其相對(duì)應(yīng)的酒精,并且認(rèn)同釀酒酵母實(shí)驗(yàn)菌株的抑制劑耐受性。木質(zhì)纖維素的同步糖化發(fā)酵在同步糖化發(fā)酵(SSF中,可以使反應(yīng)器中維持較低的葡糖糖濃度,并且這樣可以刺激木糖的發(fā)酵而不阻礙木糖的運(yùn)輸。因此,在同步糖化發(fā)酵中能改善木糖的發(fā)酵并且最近一則報(bào)告顯示用重組釀酒酵母的低濃度木糖發(fā)酵可以從念珠菌中間表達(dá)外源葡糖糖/木糖因子,這則報(bào)告說明木質(zhì)纖維素的同步糖化發(fā)酵可以進(jìn)一步改進(jìn)。聯(lián)合工藝當(dāng)在中試規(guī)模中,一個(gè)過程被證明是強(qiáng)健的,那么提高商業(yè)規(guī)模的產(chǎn)能只能靠提升信心。一

13、個(gè)理想的試驗(yàn)工廠需要進(jìn)行全面整合,能夠評(píng)估完整的系統(tǒng)(如酶和酵母菌,同時(shí)具有足夠的靈活性來探討可替代的工藝配置和實(shí)驗(yàn)方案,從而可以更好的熱集成和循環(huán)過程流。最近,雖然在建立試點(diǎn)設(shè)施上已經(jīng)做出了重大的努力,但是關(guān)于獲得的質(zhì)量和能量的平衡很少被報(bào)道出來,并且關(guān)于聯(lián)合工藝的文獻(xiàn)也很少被報(bào)道。尼羅河項(xiàng)目中評(píng)估了中試試驗(yàn)可以每天處理2噸干生物量,在保持靈活性的同時(shí)有能力使在質(zhì)量和能量的平衡上具有代表性的數(shù)據(jù)收集在一起。酶法水解的過程可以從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模(1L-10L擴(kuò)大到工藝發(fā)展規(guī)模(100L,最后擴(kuò)大到試點(diǎn)規(guī)模(10000L。首次的試點(diǎn)規(guī)模實(shí)驗(yàn)是基于分部水解和發(fā)酵(SHF的過程。之后的實(shí)驗(yàn)采用同步糖化發(fā)酵

14、,并測得了酶對(duì)纖維素的分解率達(dá)到了80%。之后的實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用了分部水解發(fā)酵和同步糖化發(fā)酵的方法,并且將會(huì)盡快在中試規(guī)模中被采用來驗(yàn)證在該項(xiàng)目中獲得的新的酶和酵母菌株。采用分部水解發(fā)酵和同步糖化發(fā)酵對(duì)最終的生產(chǎn)成本有著重要的影響。在分部水解發(fā)酵過程中,酵母菌和酶都可以在它們最佳的溫度下工作,但最終產(chǎn)物的積累會(huì)降低水解率。在同步糖化發(fā)酵過程中,可以避免最終的產(chǎn)物抑制但是反應(yīng)條件是采用的折中的辦法?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型已經(jīng)證實(shí)同步糖化發(fā)酵的過程中,最優(yōu)效率的選擇是軟木和小麥秸稈。盡管如此,在試點(diǎn)規(guī)模中采用同步糖化發(fā)酵的方法還為時(shí)過早。從試點(diǎn)規(guī)模測試中得到的木質(zhì)素(和其它固體殘留物的屬性表明這種材料是適

15、合加熱和發(fā)電的,但是比起軟木顆粒來說,它具有較高的熱值,可能需要更高熱交換能力。由于在殘留物中有相對(duì)較高的氮、硫含量,因此,在燃燒過程中也存在潛在的生成NO x和SO2的風(fēng)險(xiǎn)。從過程規(guī)模發(fā)展的角度來看,很明顯的是挑戰(zhàn)不只是在尋找纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇的最有效的有機(jī)體,也是在合理利用整個(gè)原料和開發(fā)過程所集成的所有機(jī)會(huì)。過程的解決方案可以降低能源需求、提高能源產(chǎn)出,它在模型中表現(xiàn)了更顯著的改善了過程經(jīng)濟(jì)。例如,在一個(gè)有軟木的基本場景下,賣出乙醇的最低價(jià)格顯示變化為從0.38到0.47s/L,這取決于哪些殘留物可以被利用。尤其是,對(duì)集中供熱的本地需求將會(huì)影響乙醇的價(jià)格。經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響在北美和歐盟的生物燃料

16、市場幾乎完全依賴于政策的授權(quán)和財(cái)政激勵(lì)措施,并以乙醇對(duì)溫室氣體減排、安全供應(yīng)、就業(yè)政策目標(biāo)所做的貢獻(xiàn)為基礎(chǔ)。例如,最新的歐盟政策(2020年生物材料占10%使政府資助的市場達(dá)到最低35%的溫室氣體減排(從2017年增加到50%。目前,尚不清楚哪些競爭對(duì)手的技術(shù)方法將占主導(dǎo)地位,但盡管如此,很顯然,對(duì)于一個(gè)在商業(yè)上可行的并且能夠面對(duì)未來的技術(shù),就必須具有成本競爭力和環(huán)境效益。纖維素乙醇的商業(yè)可行性取決于:1原料成本和轉(zhuǎn)化率;2轉(zhuǎn)化成本和效率;3產(chǎn)物收入。研發(fā)可以改善轉(zhuǎn)換過程,但是原料的可用性和收入的穩(wěn)定性的問題仍然是不確定的,并且受到政治風(fēng)險(xiǎn)。原料的成本主要有現(xiàn)有的市場決定,并且趨于受到地理位置

17、的約束。轉(zhuǎn)化率的需求可能也限制可行性供應(yīng)。因此,供應(yīng)鏈的設(shè)計(jì)在確定哪些工藝概念是成功的過程中起著非常重要的作用。原料可行性的期望值都反映在生產(chǎn)成本的評(píng)估中。成本是比較替代工藝設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),但是在比較不同的評(píng)估師需要謹(jǐn)慎。例如,一般美國的研究預(yù)測的乙醇成本低于歐盟的研究。某種程度上,這是由于美國的研究呈現(xiàn)出了更多的原料可用性和更大的轉(zhuǎn)化工廠。預(yù)測溫室氣體的含量存在問題是由于兩個(gè)原因:1系統(tǒng)邊界的定義和副產(chǎn)品分配的影響是高度主觀的;2溫室氣體的排放量體現(xiàn)在原料上,取決于生產(chǎn)地點(diǎn)、方法和相應(yīng)的影響。有影響力的meta-研究旨在帶來更大的一致性、透明度和生物燃料的周期評(píng)價(jià)的連貫性,使系統(tǒng)邊界圍繞在各

18、自的生產(chǎn)廠房和其供應(yīng)鏈周圍。雖然在研究方法中稍有不同,但是歸于一個(gè)大致結(jié)論:比起小麥(15-110gCO2e/km或玉米(40-60gCO2e/km,纖維素乙醇導(dǎo)致更多的碳減排量(75-150gCO2e/km,但是不一定跟巴西的甘蔗(125-175gCO2e/km一樣大。隨后的兩個(gè)研究質(zhì)疑這一結(jié)論,主張應(yīng)該擴(kuò)大系統(tǒng)的邊界以包括相應(yīng)的影響(直接或間接地土地利用變化。確定這些影響的科學(xué)仍處于初級(jí)階段。繼政府間氣候變化專門委員會(huì)“1級(jí)”的指導(dǎo),從廢棄產(chǎn)品(如秸稈和管理林業(yè)(例如在歐洲北部的軟木的直接影響為零。如果管理林業(yè)和農(nóng)業(yè)殘留物不超過現(xiàn)有的承載能力,因此,就可以合理的忽略土地利用變化。然而,取代歐洲交通原料的10%,需要一個(gè)激進(jìn)的相應(yīng)。因此,土地利用變化和間接影響將繼續(xù)堅(jiān)定的列入政治和科學(xué)議程。最大化溫室氣體減排量將需要高效的供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)和更好的了解影響整體性能的時(shí)空因素。結(jié)論木質(zhì)纖維