2.3.2 生物发酵制燃料乙醇
生物发酵制燃料乙醇分为生化法和合成气发酵两种，生化法是目前制取燃料乙醇的最主要方法，近10年以粮食和甘蔗为原料的第一代燃料乙醇产业快速发展。玉米燃料乙醇的生产过程包括预处理、脱胚制浆、液化、糖化、发酵和乙醇蒸馏步骤。早期的粮食乙醇生产工艺存在能耗高、反应速度慢和原料利用率低的缺点，经过多年的技术改进，粮食乙醇的效率已经得到很大提高。目前美国大部分乙醇企业的淀粉转化率已经达到90%～95%，生产1亿加仑燃料乙醇，需要90万吨玉米，可同时副产30万吨动物饲料和8500吨玉米油。粮食乙醇的酶制剂的成本也经历了从高到低的下降过程，酶制剂在成本中所占比例从30%～40%下降到了5%～10%。丹麦诺维信（Novozymes）公司在2012年推出了Avantec液化酶，在相同的工艺条件下，可提高乙醇产率2.5%，每生产1亿加仑燃料乙醇可减少粮食消耗2.25万吨。以甜高粱茎秆和木薯等非粮作物为原料的1.5代燃料乙醇，主要是利用作物中的糖类物质，采用生化工艺，通过糖发酵生产燃料乙醇。
目前以纤维素和其他废弃物为原料的第二代燃料乙醇生产技术主要有生化法和热化学法。纤维素生物发酵制燃料乙醇的技术路线包括预处理、纤维素水解和单糖发酵3个关键步骤。预处理方法分为物理法、化学法、物理化学法和生物法，目的是分离纤维素、半纤维素和木质素，增加纤维素与酶的接触面积，提高酶解效率。物理方法包括机械粉碎、蒸汽爆碎、微波辐射和超声波预处理；化学法一般采用酸、碱、次氯酸钠、臭氧等试剂进行预处理，其中以NaOH和稀酸预处理研究较多；物理化学法包括蒸汽爆破和氨纤维爆破法；生物法是用白腐菌产生的酶类分解木质素。这些预处理方法各有其优缺点，今后的主要研究方向是继续探索反应条件温和、无有毒副产物和糖化效率高的预处理技术。
纤维素酶成本较高的问题长期以来一直是阻碍纤维素乙醇产业发展的障碍。20世纪90年代，每加仑纤维素乙醇的酶成本约为5美元。为了降低酶费用，美国能源局为Novozymes公司和美国杰能科（Genencor）公司提供资金研究纤维素糖化酶，2012年Novozymes推出酶制剂产品Cellic CTec3，比其推出的上一代商业酶CTec2转化效率提高了50%，并且提高了温度和酸碱度的适应范围，降低了纤维素乙醇的生产成本（由2.5美元/加仑降至2美元/加仑）。Genencor公司在2011年推出最新一代的纤维素复合酶Accellerase®TRIO产品，该酶同时含有外切葡聚糖酶，在Accellerase DUET基础上，提高了处理高浓度底物的能力，酶用量可减少一半，最佳工作条件为pH值4.0～6.0，温度40～57℃，可于SSCF发酵工艺。表2-4为Genencor公司发布的纤维素酶产品。丹麦DSM公司也推出了商业应用的纤维素水解酶，为Inbicon纤维素乙醇生产装置提供酶产品。
表2-4 Genencor公司发布的用于燃料乙醇生产的纤维素酶产品
纤维素乙醇生产工艺主要分为4种，包括分步水解与发酵工艺（SHF）、同步糖化发酵工艺（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）和直接微生物转化工艺（DMC）。其中SHF工艺是最先开发和应用最广的纤维素乙醇技术，即纤维质原料首先利用纤维素酶水解后，再进行C5、C6糖发酵，可分别发酵，也可利用C5、C6共发酵菌株生产乙醇，该方法的缺点是随着酶水解产物的积累，会抑制水解反应完全。目前绝大多数商业装置都采用SHF工艺，如加拿大Iogen、杜邦DDCE等。同步糖化发酵工艺（SSF）是将纤维素酶解与葡萄糖乙醇发酵整合在同一个反应器内进行，酶解过程中产生的葡萄糖被微生物迅速利用，消除了糖对纤维素酶的反馈抑制作用。Abengoa Bioenergy在其330吨/年的中试装置上采用了SSF技术。同步糖化和共发酵工艺（SSCF）利用C5糖和C6糖共发酵菌株进行酶解同步发酵，提高了底物转化率，增加了乙醇产量。直接微生物转化工艺（DMC）也称为统合生物工艺（CBP），将木质纤维素的生产、酶水解和同步糖化发酵过程集合为一步进行，要求此微生物/微生物群既能产生纤维素酶，又能利用可发酵糖类生产乙醇。目前Mascoma公司在其500吨/年的中试装置上使用该技术，该公司利用酵母和细菌共同完成纤维素酶的生产和乙醇发酵过程，由于减少了酶生产单元，大大降低了生产费用，Mascoma公司和瓦莱罗公司合资建设的2000万加仑/年商业规模纤维素乙醇工厂将使用CBP技术。法国Deinove公司与法国Tereos公司合作开发出一种称作“奇球菌”的菌株，利用CBP技术，可直接将生物原料纤维素分解成单糖并转化成乙醇，生物燃料生产成本有望降低20%～30%。
合成气生物转化乙醇主要由原料气化、合成气预处理和合成气发酵单元构成。生物转化所需的合成气原料与化学转化过程相同，利用能够以CO和H2为底物生长的微生物，通过厌氧发酵将合成气转化为燃料和化学品，合成气生物转化的反应条件温和、反应副产物少、合成气原料要求低、对原料气中的硫化物耐受性强，目前已经从自然界分离出了多株适合合成气发酵的菌株。Coskata公司开发了利用合成气发酵制乙醇的技术，2009年该公司在美国宾西法尼亚州建成4万加仑/年的工业示范装置，截至目前，该装置已经运转2年，其气化1t生物质原料可生产0.3t燃料乙醇。LanzaTech公司开发了利用钢厂废气（CO）发酵生产乙醇的技术，在新西兰建立了1m3的中试装置，并与宝钢合资建成了300吨/年示范装置。英力士公司则开发了垃圾气化制合成气，合成气生物发酵生产燃料乙醇的技术，并已经在美国佛罗里达建成2.4万吨/年燃料乙醇生产装置，该装置以当地的蔬菜废弃物为原料，采用两级气化工艺制备合成气，合成气经净化、微生物发酵和精馏得到燃料乙醇产品。该装置无须使用化石燃料，不但能够生产800万加仑/年燃料乙醇，而且能够产生6MW的电能，在装置自给的情况下还能外送1～2MW电能。英力士公司目前正在英国的Seal Sands建设其15万吨/年的商业装置，该装置将副产43MW的电能，预计可外送电能24MW。
合成气发酵制燃料乙醇相比于生物化学法，原料来源广泛，既可以利用单一生物质原料，也可使用多种原料的混合物，如生物质、石油焦、城市垃圾和煤炭等原料，无须复杂的预处理单元和使用昂贵的生物酶；原料利用率高，纤维素、半纤维素和木质素都可以气化，达到了利用全部木质纤维素原料的目的。但目前生物质气化技术尚不成熟，气化效率较低，直接制约了生物质热化学技术的应用，合成气转化过程还需要继续改进提高生产稳定性，也是目前需要解决的主要问题。
美国ZeaChem公司开发的乙醇生产技术是将木质纤维素水解得到葡萄糖和木糖，利用乙酸发酵菌将糖转化为乙酸，乙酸酯化得到乙酸乙酯，加氢后得到乙醇产品，氢气由酸水解得到的木质素气化生产。该技术的优点在于可以利用整个木质纤维素，提高了原料利用率，每吨干物质的乙醇产量可达160加仑，相比于其他工艺，乙醇产率提高了50%。该公司2012年年底完成了其25万加仑/年纤维素乙醇生产装置的设备施工。此外合成生物学也是目前研究的热点，如美国LS9公司通过对微生物的基因改造，可将底物直接转化为多种化学品（图2-5）。
图2-5 LS9公司合成生物学路线制备燃料乙醇示意图
除了以上燃料乙醇生产技术外，还可直接将太阳能转化为燃料乙醇。美国Joule公司开发的Liquid Solar Energy技术在微生物的作用下能够直接将阳光和CO2转化为乙醇和其他燃料产品，目标成本为1.28美元/加仑。美国Algenol公司开发了光合制乙醇技术（图2-6），利用蓝藻在封闭光生物反应器（PBRS）中的光合作用直接生产乙醇，乙醇从藻类培养液中蒸发，冷凝收集后，提纯至燃料级乙醇，该工艺不但能够产生乙醇，还能产生纯净水，目前该公司与陶氏化学合作在美国佛罗里达州建设10万加仑/年燃料乙醇生产装置。
图2-6 美国Algenol公司光合制乙醇生产技术示意图