酶制劑升級助解纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)瓶頸

制造纖維素乙醇的常用原料是農(nóng)作物秸稈（玉米秸稈、麥秸和甘蔗渣）、木屑、能源作物和城市垃圾等廢棄物。相比傳統(tǒng)的石油燃料，纖維素乙醇可將二氧化碳排放量減少90%以上。然而，相關技術工藝有待完善、生產(chǎn)成本過高一直是限制其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。

據(jù)估計，到2030年，能耗預計將增長55%，而纖維素乙醇則是被寄予厚望的可持續(xù)發(fā)展能源的主要來源之一。

據(jù)知情人士向《中國科學報》記者透露，在國家發(fā)展改革委牽頭制定并即將正式發(fā)布的生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃中，特別提出“突破纖維素乙醇原料預處理技術、低成本糖化關鍵技術瓶頸”。在其中，酶制劑扮演著重要角色。

“無酶不醇”

酶對于人們而言，可謂既熟悉又陌生。

熟悉，是因為人類的生存離不開酶。酶是可催化活細胞內生化反應的生物催化劑，是一種蛋白質。由于酶的存在，人體的新陳代謝才能進行。例如食物必須在酶的作用下降解成小分子，才能透過腸壁，被組織吸收和利用。陌生，是因為很多人對酶并沒有多少了解。

正是發(fā)現(xiàn)了酶的巨大作用，人類開始從生物中提取酶制劑用于工業(yè)生產(chǎn)活動中，從而通過催化作用加快生產(chǎn)流程。

與其他可再生能源及石油替代能源相比，燃料乙醇在中國發(fā)展較早，市場規(guī)模較大。

中國的車用燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，2010年產(chǎn)量已達180萬噸，是巴西和美國之后的第三大燃料乙醇生產(chǎn)國和消費國。

咨詢公司麥肯錫曾在報告中指出，纖維素乙醇的商業(yè)化，從2020年起可替代3100萬噸汽油，使中國的石油進口量降低10％；到2020年每年帶來320億元人民幣的收入，創(chuàng)造600萬就業(yè)崗位。

如此下來，在纖維素乙醇價值鏈上的中國公司將成為主要受益者，包括價值960億元人民幣的國內工程和建造市場及潛在的市場，纖維素乙醇每年可減少二氧化碳排放約9000萬噸。

纖維素乙醇的生產(chǎn)離不開酶制劑的參與。

從原料中產(chǎn)出纖維素乙醇大致會經(jīng)過預處理、水解（亦稱酶解或糖化）、發(fā)酵、蒸餾四步。在水解環(huán)節(jié)，酶制劑把纖維素分解為單糖和多糖，從而為下一步的發(fā)酵作好準備。

纖維素酶制劑更新?lián)Q代迅速

針對纖維素乙醇行業(yè)而研制的酶制劑近些年更新?lián)Q代迅速。

以酶制劑行業(yè)*諾維信為例，從2009年至今，已推出三代纖維素酶制劑。

2009年，該公司推出可大規(guī)模供貨的復合纖維素酶制劑Cellic CTec，也是*次為纖維素乙醇生產(chǎn)提供了可用于工藝優(yōu)化和標準化的酶制劑。

2010年，第二代Cellic CTec2是世界范圍內*款商業(yè)可行的纖維素酶，纖維素乙醇的生產(chǎn)成本已經(jīng)能夠與一代玉米乙醇相比較，開始進入商業(yè)化準備階段。

今年，諾維信將第三代纖維素酶Cellic CTec3投放市場，意大利M&G建設中的*家5萬噸級纖維素乙醇生產(chǎn)廠選擇了這款酶制劑，向生產(chǎn)成本的經(jīng)濟化發(fā)起新的沖擊。

諾維信中國政府事務與公共關系朱曉青向《中國科學報》記者介紹，相比市面上已有的用于催化分解生物質的普通酶制劑，Cellic CTec3所需的用量只有前者的五分之一。Cellic CTec3含有專一性強的各種高活性的纖維素酶組分，包括改進型?茁-葡萄糖甘酶以及一系列新型半纖維素酶，依托這些酶的共同作用，Cellic CTec3的轉化效率比Cellic CTec2提高了至少50%。

除了轉化效率大幅提高以外，Cellic CTec3的適應性和寬容性也更強。
朱曉青進一步解釋道，首先，Cellic CTec3可有效作用于各種經(jīng)過預處理的原料，包括玉米秸稈、玉米芯、玉米皮、小麥秸稈、甘蔗渣、紙漿和城市固體廢物。

“其次，對于溫度的適應性也更強，預處理和發(fā)酵溫度一般都高于水解階段酶制劑所適宜的溫度。”朱曉青說，“傳統(tǒng)工藝在預處理之后要把溫度降下來，適應酶制劑水解，到了發(fā)酵環(huán)節(jié)，溫度又得高上去，增加了能量消耗，而Cellic CTec3在較高溫度下也能保持效力。”

此外，新一代酶制劑對酸堿度的適應性也有所提高。

成本有待下降

盡管酶制劑不斷更新?lián)Q代，性能越來越好，然而纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)仍面臨挑戰(zhàn)。

研究纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化問題多年的*過程工程研究所研究員陳洪章向《中國科學報》記者表示，成本過高是其產(chǎn)業(yè)化的關鍵難題之一，目前酶制劑占纖維素乙醇整個生產(chǎn)成本的40%~50%。

由于生產(chǎn)原理不同，與糧食乙醇相比，纖維素乙醇生產(chǎn)過程中酶制劑的用量要大得多，朱曉青說，而且由于秸稈等原料價格相對較低，更使得酶制劑在整個生產(chǎn)成本中所占比例較高。

據(jù)陳洪章介紹，作為纖維素乙醇的前一代產(chǎn)品，糧食乙醇經(jīng)歷了酶制劑成本從高到低的過程。由于酶制劑的進步，其在糧食乙醇成本中所占比例從一開始的30%~40%下降到了現(xiàn)在的5%~10%。

盡管新一代酶制劑已將成本所占比例降至25%左右，但仍有困難需要克服。

目前纖維素酶制劑有兩種生產(chǎn)方式：*種是纖維素乙醇廠中配一個酶制劑廠，生產(chǎn)純度較低的酶制劑，成本低，但性能較差；第二種是集中生產(chǎn)純度較高的酶制劑，成本高，但性能較好。

朱曉青解釋道，由于采用*種方式時，廠家需要平衡整個生產(chǎn)成本、占地面積和機器設備，所以難以生產(chǎn)出純度高、性能好的酶制劑。

在陳洪章看來，隨著技術進步、酶制劑成本下降，會有更多的纖維素乙醇生產(chǎn)廠傾向于采用第二種方式。

此外，朱曉青還表示，目前纖維素酶制劑有如下發(fā)展趨勢：一是將酶制劑和酵母菌的生產(chǎn)結合在一起，從而將水解和發(fā)酵這兩個步驟整合為一；二是進一步提高酶制劑的寬容性，適應不同的原料底物、溫度和酸堿性；三是與提高寬容性相反，研發(fā)專一性更強的酶制劑。

盡管酶制劑作用巨大，但包括陳洪章和朱曉青在內的專業(yè)人士普遍認為，對于纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)瓶頸的突破，酶制劑只是其中關鍵因素之一，行業(yè)的發(fā)展有賴于各個環(huán)節(jié)生產(chǎn)技術和工藝的共同進步。

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