制取纤维素乙醇的常用原料农作物——秸秆诺维信供图

 

据估计，到2030年，全球能耗预计将增长55%，而纤维素乙醇则是被寄予厚望的可持续发展能源的主要来源之一。

 

制造纤维素乙醇的常用原料是农作物秸秆（玉米秸秆、麦秸和甘蔗渣）、木屑、能源作物和城市垃圾等废弃物。相比传统的石油燃料，纤维素乙醇可将二氧化碳排放量减少90%以上。然而，相关技术工艺有待完善、生产成本过高一直是限制其大规模产业化的瓶颈。

 

据知情人士向《中国科学报》记者透露，在国家发展改革委牵头制定并即将正式发布的生物产业发展“十二五”规划中，特别提出“突破纤维素乙醇原料预处理技术、低成本糖化关键技术瓶颈”。在其中，酶制剂扮演着重要角色。

 

“无酶不醇”

 

酶对于人们而言，可谓既熟悉又陌生。

 

熟悉，是因为人类的生存离不开酶。酶是可催化活细胞内生化反应的生物催化剂，是一种蛋白质。由于酶的存在，人体的新陈代谢才能进行。例如食物必须在酶的作用下降解成小分子，才能透过肠壁，被组织吸收和利用。陌生，是因为很多人对酶并没有多少了解。

 

正是发现了酶的巨大作用，人类开始从生物中提取酶制剂用于工业生产活动中，从而通过催化作用加快生产流程。

 

与其他可再生能源及石油替代能源相比，燃料乙醇在中国发展较早，市场规模较大。

 

中国的车用燃料乙醇产业，2010年产量已达180万吨，是巴西和美国之后的第三大燃料乙醇生产国和消费国。  

全球知名咨询公司麦肯锡曾在报告中指出，纤维素乙醇的商业化，从2020年起可替代3100万吨汽油，使中国的石油进口量降低10％；到2020年每年带来320亿元人民币的收入，创造600万就业岗位。

 

如此下来，在纤维素乙醇价值链上的中国公司将成为主要受益者，包括价值960亿元人民币的国内工程和建造市场及潜在的国际市场，纤维素乙醇每年可减少二氧化碳排放约9000万吨。

 

纤维素乙醇的生产离不开酶制剂的参与。

 

从原料中产出纤维素乙醇大致会经过预处理、水解（亦称酶解或糖化）、发酵、蒸馏四步。在水解环节，酶制剂把纤维素分解为单糖和多糖，从而为下一步的发酵作好准备。

 

纤维素酶制剂更新换代迅速

 

针对纤维素乙醇行业而研制的酶制剂近些年更新换代迅速。

 

以酶制剂行业巨头诺维信为例，从2009年至今，已推出三代纤维素酶制剂。

 

2009年，该公司首次推出可大规模供货的复合纤维素酶制剂Cellic CTec，也是第一次为全球纤维素乙醇生产提供了可用于工艺优化和标准化的酶制剂。

 

2010年，第二代Cellic CTec2是世界范围内第一款商业可行的纤维素酶，纤维素乙醇的生产成本已经能够与一代玉米乙醇相比较，开始进入商业化准备阶段。

 

今年，诺维信将第三代纤维素酶Cellic CTec3投放市场，意大利M&G建设中的全球第一家5万吨级纤维素乙醇生产厂选择了这款酶制剂，向生产成本的经济化发起新的冲击。

 

诺维信中国政府事务与公共关系高级经理朱晓青向《中国科学报》记者介绍，相比市面上已有的用于催化分解生物质的普通酶制剂，Cellic CTec3所需的用量只有前者的五分之一。Cellic CTec3含有专一性强的各种高活性的纤维素酶组分，包括改进型?茁-葡萄糖甘酶以及一系列新型半纤维素酶，依托这些酶的共同作用，Cellic CTec3的转化效率比Cellic CTec2提高了至少50%。

 

除了转化效率大幅提高以外，Cellic CTec3的适应性和宽容性也更强。

 

朱晓青进一步解释道，首先，Cellic CTec3可有效作用于各种经过预处理的原料，包括玉米秸秆、玉米芯、玉米皮、小麦秸秆、甘蔗渣、纸浆和城市固体废物。

 

“其次，对于温度的适应性也更强，预处理和发酵温度一般都高于水解阶段酶制剂所适宜的温度。”朱晓青说，“传统工艺在预处理之后要把温度降下来，适应酶制剂水解，到了发酵环节，温度又得高上去，增加了能量消耗，而Cellic CTec3在较高温度下也能保持效力。”

 

此外，新一代酶制剂对酸碱度的适应性也有所提高。

 

成本有待下降

 

尽管酶制剂不断更新换代，性能越来越好，然而纤维素乙醇产业仍面临挑战。

 

研究纤维素乙醇产业化问题多年的中国科学院过程工程研究所研究员陈洪章向《中国科学报》记者表示，成本过高是其产业化的关键难题之一，目前酶制剂占纤维素乙醇整个生产成本的40%~50%。

 

由于生产原理不同，与粮食乙醇相比，纤维素乙醇生产过程中酶制剂的用量要大得多，朱晓青说，而且由于秸秆等原料价格相对较低，更使得酶制剂在整个生产成本中所占比例较高。

 

据陈洪章介绍，作为纤维素乙醇的前一代产品，粮食乙醇经历了酶制剂成本从高到低的过程。由于酶制剂的进步，其在粮食乙醇成本中所占比例从一开始的30%~40%下降到了现在的5%~10%。

 

尽管新一代酶制剂已将成本所占比例降至25%左右，但仍有困难需要克服。

 

目前纤维素酶制剂有两种生产方式：第一种是纤维素乙醇厂中配一个酶制剂厂，生产纯度较低的酶制剂，成本低，但性能较差；第二种是集中生产纯度较高的酶制剂，成本高，但性能较好。

 

朱晓青解释道，由于采用第一种方式时，厂家需要平衡整个生产成本、占地面积和机器设备，所以难以生产出纯度高、性能好的酶制剂。

 

在陈洪章看来，随着技术进步、酶制剂成本下降，会有更多的纤维素乙醇生产厂倾向于采用第二种方式。

 

此外，朱晓青还表示，目前纤维素酶制剂有如下发展趋势：一是将酶制剂和酵母菌的生产结合在一起，从而将水解和发酵这两个步骤整合为一；二是进一步提高酶制剂的宽容性，适应不同的原料底物、温度和酸碱性；三是与提高宽容性相反，研发专一性更强的酶制剂。

 

尽管酶制剂作用巨大，但包括陈洪章和朱晓青在内的专业人士普遍认为，对于纤维素乙醇产业瓶颈的突破，酶制剂只是其中关键因素之一，行业的发展有赖于各个环节生产技术和工艺的共同进步。

 

 

                                                             来源：中国科学报