生物能源固態發酵應用的研究進展
20世紀40年代起人們對丙酮-丁醇和青黴素的需求量激增，這直接帶動了全球發酵工業的崛起。傳統發酵工業最為典型的生產方式為含水量在95%以上的深層液體發酵，儘管該技術已經實現了發酵過程在線監測與控制以及生產應用，但是仍然存在一系列難以克服的問題，如需要消耗大量能量以滿足微生物所需的溶解氧，微生物代謝過程產生的熱量需要冷卻水排除，分離純化過程中產生大量高濃度的有機廢水且能耗高等。日益嚴重的能源和環境污染問題促使人們開始尋找更為清潔、節能的發酵工藝，古老的固態發酵技術重新受到綠色製造產業的廣泛關注。
固態發酵技術起源於傳統的食品生產領域，從古至今為人們生活提供了酒、醋、醬等產品。白酒是酒麴微生物利用糧食原料，通過固態發酵生長代謝得到產品。釀醋發酵是在釀酒的基礎上經過乙酸菌固態發酵使得乙醇變成乙酸的過程。這些日常生活中不可缺少的消費品都依賴於固態發酵技術。與液體發酵相比，固態發酵最顯著的優勢在於發酵過程中產生的有機廢水很少、產物濃度高，而且固態基質環境更符合絲狀真菌生長的自然環境，因此固態發酵技術能夠更多地利用城市生活固廢和工農業殘渣等原料作為底物進行再利用加工，生產高附加值產品，這也是合理綜合利用可再生資源的有效途徑。近年來國內外學者們從不同角度對其原理和應用進行了深入研究探索，目的不僅僅在於讓人們了解現狀，更在於解決液態發酵引起的日益突出的能源和環境問題。本文對固態發酵技術原理、固態發酵技術在纖維素乙醇以及丁醇製備方面的應用作簡單介紹。
1 固態發酵技術的原理
固態發酵是以氣相為流動相，涉及氣、液、固三相以及微生物的多相系統。固體發酵基質中幾乎沒有流動的遊離水，結合水含量約12% ～ 80%（大多維持在60%左右），而微生物生長代謝所需氧主要來自連續相的氣相，能耗較低。
目前應用於生物能源的固態發酵基質種類繁多，主要是生物質原料，包括富含澱粉類原料、糖類原料、木質纖維素類原料等。富含澱粉類的原料多為糧食穀物和薯類，如小麥、大米、木薯等，但是該原料來源始終局限於人類的糧食且產生的廢料污染嚴重。糖類原料主要是甘蔗和甜高粱，含糖量可達50%以上，耐鹽鹼的甜高粱已廣泛應用於世界各國燃料乙醇的生產。木薯屬於現代非糧燃料原料的一種，富含澱粉成分以及類黃酮等活性成分，但由於其表皮存在很大含量的氰醇以及類似單寧的物質，因此進行固態發酵時需要對原料進行預處理。同樣，木質纖維素作為地球上儲備量最豐富的可再生生物質原料，其緻密的結構由纖維素、半纖維素、木質素以及細胞間隙中的果膠等成分構成，要生產更好的固態發酵產品也需要進行原料預處理。
除了固態發酵原料的選擇，固態發酵過程的調控同樣極為重要。只有對固態發酵過程中微生物的生長代謝規律有全面的認知，不斷調控和優化發酵過程工藝，才能更好地將固態發酵技術應用到工業生產中。固態發酵傳遞過程的調控是以目標產物最大化為目的，認知和改變微生物的遺傳代謝特性，調節和改善培養條件（反應器、操作變數），從而使微生物最大限度地發揮其生產潛能。下面基於發酵微生物特性和固體基質特性兩方面認知和討論固態發酵的過程調控：①基於固態發酵微生物特性的過程調控。固態發酵技術發展的初期，菌種選取的主要方式是自然篩選或隨機誘變，這顯然無法滿足現代固態發酵工業的需求。近年來研究人員陸續從分子生物學、生物信息學角度對微生物的糖組學、蛋白質組學等代謝網路途徑進行深入研究，但固態基質的特性造成微生物在固態和液態發酵的結果不盡相同。陳洪章等從細胞膜通透性和關鍵酶活力的角度研究了動態周期刺激對微生物的影響，正常空氣壓力脈動（0 ～ 0.2MPa）僅僅會影響微生物細胞內己糖激酶和ATP酶的活力。②基於固態基質特性的發酵調控。從宏觀層面來看，基質的乾重、透氣率以及孔隙度等性質在發酵過程中呈現動態變化；微觀層面即菌體在基質顆粒表面的生長。基質層的降壓變化是營養型載體基質發酵的主要特徵之一，初始壓力取決於基質的堆料方式，而壓降變化主要取決於菌體的生長情況。基質中的碳、氮源以及其他小分子物質只能依靠液相水的流動以實現營養傳遞，也即固相基質中溶於水的部分才能為微生物所利用，這就造成固態發酵的營養可及性劣於液態發酵。另外微生物菌體生長過程中與固體基質相互纏繞也會阻礙流動相的熱質傳遞，進而造成基質整體的孔隙度、持水性、導熱性等方面的不均一性，使得菌體自身的生長代謝水平無法準確地被在線檢測。針對以上的固態發酵過程現象，學者們採用微觀模型，包括線性模型、指數模型、Logistic模型以及菌體衰亡模型等，對菌體生長進行描述和過程調控，其中Logistic模型是目前主要應用的菌體生長模型。除此之外，人們對固態發酵過程中氧氣、酶及基質顆粒層面的熱質傳遞規律等進行模擬探究。③基於固態發酵反應器的發酵調控。固態發酵反應器是實現發酵反應的唯一核心設備，新型反應器及新操作方式層出不窮，其基於整個傳遞過程參數模擬的相應模型更具有合理性和指導性。但由於鮮有反應器設計將發酵過程的宏觀和微觀層面有機結合，由此建立的模型也就很難適用於反應器的放大。
2 固態發酵技術在能源領域的應用
2.1 固態發酵纖維素乙醇
生物質液體燃料乙醇以其環保、可再生等優點受到廣泛關注，木質纖維素是生產燃料乙醇最具潛力的原料。生產並應用燃料乙醇是改善我國能源結構、實現經濟可持續發展的重要途徑。相關產業化技術的突破，將加快以生物質能源替代化石能源步伐，推動全國乃至全世界生物質能源產業的發展。以富含糖或澱粉的玉米、甜菜等糧食為原料生產的乙醇即第一代生物乙醇雖然屬於環保能源，但存在「與人爭糧、與糧爭地」等問題，因此國家鼓勵以非糧原料進行纖維素乙醇生產。
國外燃料乙醇的研發早在20世紀70年代已經開展，在陸續經歷了經濟和能源危機的影響後各國政府出台了一系列政策。美國能源部資助了一系列生物液體燃料研究計劃及中試和示範項目，包括「生物液體燃料發展」項目（2011年）、創新型生物煉化中試工程（2013年）、國防生產法案（2014年）、生物燃料中試和示範工程（2016年）等。同樣大力推廣纖維素乙醇的還有歐盟、加拿大、巴西以及日本等。而國內目前約有11項在運行或計劃建設的大型燃料乙醇項目，大部分以陳化糧、木薯、甜高粱為原料，僅有約8%來自纖維素。2017年，國家發展改革委、國家能源局、財政部等十五部委聯合印發了《關於擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》，根據方案要求，到2020年，將在全國範圍推廣使用車用乙醇汽油；到2025年，力爭實現纖維素乙醇規模化生產，先進生物液體燃料技術、裝備和產業整體達到國際領先水平，形成更加完善的市場化運行機制。
纖維素乙醇的原料木質纖維素結構緻密，其組分複雜的大分子結構造成預處理過程中原料抗降解屏障難以被破壞，進而影響後續酶解工藝效率，更增加了酶分子的無效吸附，降低了酶解效率。圍繞實現纖維素乙醇產業化建設的經濟化、技術化以及規模化的目標，提出以下幾點科技攻關建議。①重視原料預處理技術。預處理技術是生產纖維素乙醇過程的關鍵技術之一，旨在破壞木質纖維素的緻密結構，提高纖維素水解糖化的效率。目前主要方法包括酸鹼法、水熱法、離子液體處理法以及蒸汽爆破法。研究人員仍在不斷探索清潔、環保、抑制發酵的副產物較少的預處理方法，例如陳洪章等在蒸汽爆破預處理基礎上發明了高效、清潔的組分選擇性拆分煉製技術，為更有效地實現原料各個組分的高值轉化奠定基礎。②挖掘多項酶解發酵技術。經過預處理後纖維素原料可以被纖維素酶水解成可被微生物利用的還原性糖，再通過酵母等發酵微生物進行代謝生產乙醇。目前主流技術是多級酶解和同步糖化發酵。世界各國都在致力於研究提高酶解效率、發酵產物產量的工藝。2014年中國科學院過程工程研究所主持的「萬噸級秸稈酶解發酵乙醇產業化技術」項目，創建了秸稈固相強化酶解解聚-同步糖化全糖發酵新工藝，並組建出與體系相配套的自主加工工業化裝置系統，在400m3工業規模發酵裝置上能夠穩定運行。③創建多聯產集成產業化新模式。《2016 ～ 2017 中國新能源產業年度報告》指出，十幾年發展的經驗教訓表明，生物質能產品切忌單一化，因為產品單一化非常不利於企業的生存能力和競爭力的提高，特別是在當前嚴峻外部條件下，產品的多元化對我國生物質能產業脫困具有重要意義。目前木質纖維素類生物質的綜合利用表現在生產燃料、飼料、基料、造紙等方面，例如由上實農業園開創的秸稈綜合利用炭、氣、油、液、肥聯產模式，能夠實現秸稈物質全循環利用。
2.2 固態發酵纖維素丁醇
丁醇是繼乙醇之後另一種極具潛力的生物液體燃料，相較於乙醇具有能量密度更高、可與汽油任意比例混合、方便運輸等優勢，丁醇的未來發展前景不可小覷。國內外生產丁醇的產業起初採用化學合成法，但是過程中採用的催化劑為重金屬絡合物等，即使得到高純度正丁醇，其副產物雜質毒性較高。同時我國丁醇市場技術落後、反應器放大困難，導致產品供不應求。因此近年來生物發酵法受到廣泛關注，尤其是非糧作物原料逐漸替代糧食原料的發展趨勢。
在國內外的研究中，美國取得的專利和成果居於首位。自2006年起美國杜邦公司與英國BP公司合作共同開發生產生物丁醇，包括美國農業部、美國綠色生物公司、美國ButylFuel公司等政府部門和科研企業單位相繼開展相關的生物丁醇研究。英國的研究計劃也是如火如荼地進行，目前第一個生物丁醇燃料工廠正式由英國聯合食品有限公司（ABNA）建造。目前國內的華北製藥集團、上海天之冠可再生能源有限公司等相繼與科研院所（如中國科學院上海植物生理生態研究所、中國科學院過程工程研究所等）合作，並在國家「973」、「863」等重大項目中完成了高產、高耐受性的菌種改造以及新型發酵工藝。早在2011年華北製藥集團與長城汽車股份有限公司技術研究院試驗中心合作採用歐Ⅳ國際標準，使用10% ～ 75%不同比例的生物丁醇進行了台架和道路等實驗，結果表明無論是燃油消耗、加速動力還是尾氣排放等均遠遠優於93號汽油的性能。
生物丁醇發酵菌為專性厭氧細菌，涵蓋丁酸弧菌屬、真桿菌屬以及梭桿菌屬中的部分細菌。需要注意的是丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutyricum）進行的丁醇發酵是迄今為止嚴格厭氧菌所進行的唯一能夠大規模生產的發酵過程。產丁醇菌耐毒性極弱，代謝產物抑制自身菌體生長，即使利用糧食原料也難以實現規模生產。目前要求處理木質纖維素的替代原料的技術與菌種的耐受性相匹配，因此針對生物丁醇固態發酵存在的種種難題，可以從以下三方面考慮。①發酵菌種的篩選與混合培養。利用現代分子生物學基因工程和代謝組學技術，改造信號的傳遞/調控元件以改變產物的比例，從而提高丁醇在總溶劑中的比例；利用混菌發酵優於單一純種發酵的規律，按照合適比例選用具有共生關係的菌種構建混合培養發酵體系。②預處理技術的改善與優化。木質纖維素等非糧作物原料結構緻密，研究更有效的預處理方法有利於破壞抗降解屏障、增加酶水解木質纖維素的效率。③開發脫毒技術。預處理後的原料會降解產生部分對菌體有毒的酚酸類物質，因此需要研發生物法脫毒技術，實現脫毒過程近似零水耗、零能耗和極低的其他物耗。④固態發酵酶解過程的強化措施。利用同步糖化發酵工藝，實現纖維素底物和乙醇的同步轉化，揭示生物質酶解過程強化作用機制，從而提高纖維素的酶解效率，減少用酶需求。⑤優化分離措施。通過壓差設計和換熱網路構建與優化丁醇熱耦合精餾系統，降低生物丁醇分離能耗。
綜上所述，固態發酵技術在生物能源中的應用越來越普遍，各國陸續頒布的關於綜合利用纖維素類原料生產生物能源政策，讓人們對固態發酵更加重視，並且指導和帶動相關發酵工業清潔生產。固態發酵產業化技術的突破，將加快以生物質能源替代化石能源步伐，推動全國乃至全世界生物質能源產業的發展。
全文刊登於《生物產業技術》2018年第3期
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