关键词：燃料乙醇；发酵工艺；基因工程
1、燃料乙醇发酵分析
1.1、多尺度发酵燃料乙醇
燃料乙醇在发酵的过程中会涉及到微生物工程、化学工程、生物化学工程等多个工程领域，并且发酵过程较为复杂，单一角度的研究并不能提高燃料乙醇的制备效率，因此，在研究时应该注重多尺度燃料乙醇的发酵研究，让整个发酵过程显得更加全面，只有全方面的研究才能够保证和实际相符。
1.2、燃料乙醇发酵中的发酵罐多场
发酵罐是遗传发酵过程中使用的发酵设备，这主要是由乙醇发酵过程的复杂性决定的，并且温度、湿度等多个方面都会对乙醇发酵产生影响，这些影响因素作用到乙醇发酵工作当中减缓乙醇的发酵速度、减缓乙醇发酵进程，不同的发酵进程在发酵罐中也会产生不同的反映场，最终产生不同的发酵质量，但是这种发酵也有好处，工作人员可以干预发酵过程，提高发酵中质量。
2、燃料乙醇发酵技术和工艺
2.1、同步糖化发酵技术
传统的乙醇生产工艺都是先糖化后发酵。同步糖化发酵法则采用边糖化边发酵原理，即原料不经预先糖化，直接进入发酵，糖化和发酵在一个反应器中同时进行。发酵液中可发酵性糖的含量始终保持在较低水平。发酵过程比较平稳。同步糖化发酵法既免去了糖化工序，又削减了水解产物对糖化酶的反馈抑制，也降低了高浓度糖底物对酵母菌的抑制作用，因而使得乙醇产率较高。
同步糖化发酵法可分为两种类型。一是酶糖化与微生物发酵同步进行，如，以水稻秸秆为原料，采用纤维素酶与酵母菌共培养的方式进行同步糖化发酵，可使乙醇的最终质量浓度达25.8g/L，转化率达57.5%；以绿色木霉纤维素酶和酿酒酵母同步糖化发酵经汽爆处理后的毛白杨木粉，乙醇的转化率高达86%，比分步糖化发酵法提高了1.6倍。二是糖化与发酵均采用微生物且同步进行。以具有水解淀粉功能的酵母菌和酿酒酵母及拟内胞霉菌和酿酒酵母同步糖化发酵淀粉，可使乙醇的转化率达93%，比同等条件下单菌种的培养和利用糖化酶、淀粉酶处理的传统两步法均要高。
除了能够提高乙醇的产率外，同步糖化发酵法还可缩短发酵周期。以小麦为原料，比较了先糖化6h再进行同步糖化发酵、先糖化后发酵和直接同步糖化发酵3种生产乙醇的方法，结果表明，直接同步糖化发酵法生产周期最短。
同步糖化发酵法存在的一个主要问题就是糖化和发酵的最适温度不一致。一般来说，糖化的最适温度高于50℃，而发酵的理想温度低于40℃。为了解决这一矛盾，研究者们提出了非等温同步糖化发酵法。但也有研究表明，非等温同步糖化发酵法并不能提高乙醇产率。另外，选育耐热酵母菌也是解决此矛盾的一条途径。
2.2、直接发酵技术
生物质直接发酵技术，主要基于纤维分解细菌来发酵纤维素。据浙江博联营养工程科学研究所报道，其研究者们分离得到了一种可以直接转化纤维素为乙醇的高纯富集物。该富集物能降解稻草、麦秆等生物质产生乙醇，但是其降解天然纤维素原料产乙醇的能力相对较弱（不到30%）。直接发酵技术的优点在于工艺简单，成本低，但是乙醇产率不高，还会产生其他副产物，如有机酸等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆针对这一问题，利用热纤梭菌（Clostridium thermal fiber）和热硫化氢梭菌（Clostridium h2s）对预处理后底物进行混合菌发酵，乙醇的产量可以达到70%，同时副产物有机酸也大幅度减少。热纤梭菌可以分解纤维素，若单独用来发酵纤维素，则乙醇的产率较低，大约为50%，混合菌发酵大大提高了产物乙醇的浓度。直接发酵技术的关键在于高效发酵微生物的筛选。
2.3、固定化发酵
传统的乙醇生产工艺采用游离细胞发酵。细胞随发酵液不断流走，造成发酵罐中细胞的浓度不够大，乙醇产生速度慢，发酵时间长，且所用发酵罐多，设备利用率不高。采用固定化细胞发酵，细胞可连续使用，发酵罐中的细胞浓度始终保持很大，乙醇产生速度快，产量也高。以海藻酸钙为包埋介质，固定化运动发酵单胞菌，在10%葡萄糖培养基中多批次半连续发酵，可在8h内使乙醇产率系数达0.50，乙醇产率达理论值的98%，而同等条件下游离细胞的乙醇产率仅为理论值的88.2%(产率系数0.45)。以海藻酸钙凝胶为载体，固定化可分泌淀粉酶的基因重组酵母菌，通过对淀粉直接发酵过程中的细胞生长、淀粉降解、葡萄糖积累、乙醇产生和糖化酶合成进行测定，并利用数学模型进行分析。结果表明，细胞固定法培养远远优于细胞游离法培养，前者乙醇的产率为后者的10倍。为进一步提高乙醇产率，研究者们又提出了同步糖化发酵与固定化相结合的混合发酵法，包括糖化酶与产乙醇微生物的共固定化、纤维素酶与产乙醇微生物的共固定化、糖化菌与产乙醇微生物的共固定化等。如，以纤维素为载体，共固定泡盛曲霉和巴斯德酵母菌进行同步糖化发酵，获得的乙醇最大质量浓度可达25.5g/L，并且这个共固定化体系可重复使用3次，最终产生的乙醇质量浓度达66g/L。
2.4、分步糖化发酵技术（SHF）
SHF法也叫水解发酵二段法，其为传统的纤维乙醇生产方法。SHF过程中纤维底物先经过纤维素酶的糖化，降解为可发酵单糖，然后再经酵母发酵将单糖转化为乙醇。SHF法主要优点是酶水解和发酵过程分别可以在各自的最适条件下进行，纤维素酶水解最适温度一般在45-50℃，而大多发酵微生物的最适生长温度在30-37℃。SHF法主要缺点是水解主要产物葡萄糖和纤维二糖会反馈抑制纤维素酶对底物的降解过程。即葡萄糖和纤维二糖的积累会对纤维素酶的活力产生抑制作用，最终导致酶解发酵效率降低。有文献研究报道，当纤维二糖浓度达到6g/L时，纤维素酶的活力会下降60%。产物葡萄糖主要是对β-葡糖苷酶会产生较大的抑制作用。此外，因酶解过程温度较高，发酵过程需要对发酵罐进行冷却，因此设备比较复杂，投资较大。为了克服水解产物的抑制，必须不断将其从发酵罐中移出。因SHF法的优点比较突出，因此其应用也比较广泛，有研究用分批补料SHF法水解生物质，得到了近70g/L的乙醇，主要是由于酶解过程得到了很高的糖浓度，酵母细胞也在其最优的生长条件下进行发酵过程。
结束语
虽然酒精生料发酵技术的优势非常明显，但是，由于核心关键技术（酶制剂）的脱节以及系统性应用方案的配套不足，导致该项技术未能在世界范围内推广。相反，掌握了核心关键技术的美国PO-ET公司旗下的27家燃料乙醇企业已经全面应用生料发酵技术，并且为企业带来了十分显著的效益。因此，我们必须勇于创新，迎难而上，系统性地攻克阻碍技术发展的各个障碍，尤其是要集中各方面的科研力量，开发适合我国生产特色的酶制剂产品，最终实现该项技术的全面推广应用，推动我国生物燃料乙醇事业的发展。
当前，全球生物燃料乙醇产业蓬勃发展，以美国和巴西为代表的世界最大的生物燃料乙醇生产国凭借其国内廉价的原料和先进的生产管理技术生产出低价的产品，不断威胁着国内生物燃料乙醇生产企业。创新将成为国内企业面对挑战和机遇并存的新时期的唯一制胜法宝。
参考文献：
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[4]王亮.酿酒酵母高浓度乙醇连续发酵体系振荡行为[D].大连理工大学,2014.
论文作者:彭霞 董春丽 吴杨
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第4期
论文发表时间:2020/4/22
标签：乙醇论文; 燃料论文; 过程论文; 技术论文; 酵母菌论文; 酵母论文; 微生物论文; 《工程管理前沿》2020年第4期论文;