利用从木屑和纸浆中生产纤维素生产乙醇,其过程有点像按照一份复杂的法式菜谱做菜一样:需要许多价值不菲的配料以及多种多样的炊具,每一样都有其本身特点的设置和使用方法,才能做出最终的成品,而整个过程耗资巨大却效率不高。

现在,一家新罕布什尔州(Lebanon,NH)黎巴嫩市的纤维素生物燃料公司--Mascoma公司,公布了其在简化纤维素乙醇生产过程这一目标上的显着进展,简化方案的生产过程跳过了多种昂贵的酶制剂的使用,从而可能会降低纤维素乙醇20%-30%的生产成本。

纤维素乙醇当道

近年来,作为替代能源之一的燃料乙醇方兴未艾。美国使用的“主流”方法是从玉米颗粒的发酵中提取乙醇,其玉米乙醇的产量飞速增长,5年前便达到了36亿加仑。按规划,2012年,美国玉米乙醇年产量将达到75亿加仑。

然而,生产36亿加仑玉米乙醇,需要消耗当年美国全部玉米收成的15%,燃料乙醇也因“与民争粮”引发巨大争议。

相对于以玉米和大豆等粮食为原料的第一代生物燃料来说,以稻草、秸秆等植物纤维为原料的纤维素乙醇被称为第二代生物燃料,其最大优势在于避免了“与人争粮、与粮争地”的风险。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,自然也成了各国新资源战略的重点。

但困难也显而易见。目前,6~7吨秸秆仅能产出1吨左右的乙醇。“尽管木质纤维素原料本身非常廉价,但是将其转化成乙醇的工艺过程非常复杂,需要大量的能耗。这主要是由木质纤维素自身的结构特性决定的,而得到的目标产物是经济附加值并不很高的乙醇,致使单位乙醇的经济效益并不具备较强的市场优势。”专家指出,近年来,很多企业均在加快步伐整合自身的纤维素处理能力,最大幅度地提高用纤维素生产乙醇的产出率,降低总体生产成本。

借力“超级细菌”

“纤维素生物燃料代表了下一代可替代能源技术的发展趋势,在减少对石油燃料依赖、降低温室气体排放、刺激地区经济发展等方面有着不可限量的应用潜力。我们独特的转化技术可以使我们在不消耗粮食的前提下,实现乙醇燃料更快速、更有效率、更具经济性的低成本生产,这是其它生物化学转化技术不可企及的优势。”Mascoma公司董事长兼首席执行官Bruce Jamerson如是称。

Mascoma,这家全球领先的低碳能源生物技术供应商所提供的策略,被称为合并生物处理技术,其目的在于将乙醇生产过程中的多个步骤合而为一,而这一目标的实现只需要使用一种基因经过人为改良的超级细菌。Mascoma公司报告了一系列的研究进展,宣称这将使其(纤维素乙醇生产)“商业化进程出现实质性的进展”。

现有的纤维素乙醇生产技术包含了多个步骤:植物原料如纸浆和柳枝稷首先要经过预处理,从而将纤维素和其它植物组织相分离,然后将纤维素与多种酶相混合从而将其分解为糖,再使用酵母将糖酵解为乙醇。

作为一个成本较低的选择方案,Mascoma的研究人员们正在改良微生物,从而将生产过程中的最后两步进行联合:分解纤维素,并将糖转化为乙醇。他们宣称,如果他们能使微生物的乙醇生产反应率足够高,他们就可以在纤维素分解过程中减少所需昂贵酶制剂的用量,这将自然而然地降低乙醇生产一半的成本。[NextPage]

Mascoma公司正在研究探索乙醇生产中可能会应用的三种微生物:两种细菌,以及一株酵母菌。热纤梭菌(C.thermocellum)和解糖梭菌(T.saccharolyticum)为嗜热杆菌,能够耐受反应中所产生的高温。近几年来,研究者对这两株细菌一直都很有兴趣,因为他们都具有将纤维素分解转化为糖,再将糖酵解为乙醇的自然能力。

然而,这些菌株所产生乙醇的量非常低。其限制因素为其副产物:两种细菌都可将纤维素分解为葡萄糖和其他糖类,比如说木糖。细菌可以再将葡萄糖酵解为乙醇,但对其它糖类,例如木糖,却无能为力。更严重的是,因为细菌在发酵过程中会产生其它有机酸类副产物,例如乙酸和乳酸,从而导致乙醇的产量颇低。科学家还发现,这些细菌在乙醇含量较高的环境中会受到抑制并且停止生长。

为了优化细菌的性状并且提高乙醇产量,Mascoma的研究人员改良了两种菌株的代谢模式,使其在没有辅助酶的参与下能够酵解木糖。他们还阻断了细菌产生副产物的代谢途径,使其无法产生如乳酸及乙酸之类的副产物,从而使细菌只产出乙醇。最后,科学家还对微生物进行了改良,使其能在高浓度乙醇的环境下持续分解纤维素。

在Mascoma公司有关酵母菌的研发中,研究人员对其进行遗传改造,添加了一段天然菌株中不存在的新基因。正常情况下,酵母菌的乙醇生产效率很高并很稳定,可以高速率酵解糖,但其并不具备天然分解纤维素的能力。所以,Mascoma的科学家改良了酵母菌,使其产生纤维素分解酶,从而使酵母菌能够依靠纤维素生长并将其分解。

一只脚已迈入商业化门槛

加州理工学院的化工学及生物化学教授弗朗西斯·阿诺德(FrancesArnold)同时也是Mascoma公司科学顾问委员会的一员,她认为,公司在酵母菌方面的工作可能会实现近期的工业化应用。“他们所公布的,以及能够高清晰展现纤维素酶的酵母菌,实在是令人印象深刻。”

阿诺德说,“使这些酶能够在酵母菌上得以表达,这一过程很艰难。如果你只看文献报告,那结果似乎令人沮丧———每公升仅几微克或几毫克———而他们可以达到每公升一克———比其他人所报告的要高出了许多个数量级,足以使这一研究开始变得有趣起来。”

“这些微生物还有优化改良的余地,我们希望提高它们的纤维素分解能力,以及它们水解糖类的反应率,这一过程将加速整个生产过程,”Mascoma公司研发部执行副总裁吉姆·弗莱特(Jim Flatt)说。“它们表现不错,确实可靠,但我们仍可以对其进行进一步的改良,这就是我们的努力目标。”

Mascoma公司已在位于纽约州罗马的一个试验厂开始了三种改良微生物的试验,他们计划今年内可以达到工业化生产规模。看起来,美国纤维素乙醇技术的一只脚已经迈进了商业化的门槛。

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中国生物燃料乙醇前景广阔

“中国目前的粮食产量大约1万亿斤,而地上茎秆和地下部分至少还有1万亿斤。同时,还有地上的草、山上的林,所有这些都含有纤维素。另外,我们正在研发如何让植物更好地生长在盐碱地等条件较差的荒地上。”中国科学院能源植物中心副主任刘公社认为,以纤维素为原料的第二代生物燃料乙醇是未来大规模替代石油的关键。

国内企业近年来纷纷上马了纤维素乙醇项目。如河南天冠集团已投入了1亿多元在生产纤维素乙醇项目上。吉林九新实业集团2006年申报建设3000吨/年的玉米秸秆生产纤维乙醇示范性工厂。2009年1月15日,中粮集团与丹麦诺维信公司、中国石化集团签订了技术合作框架协议,三方将在中国合作开发从谷物秸秆生产纤维素生物乙醇的商业化规模工艺,并将纤维素乙醇推向国内外市场。