王愛杰，曹廣麗，徐誠蛟,2，任南琪

1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090 2 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030

木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

王愛杰1，曹廣麗1，徐誠蛟1,2，任南琪1

1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090 2 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030

氫能是一種清潔能源，利用木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)生產(chǎn)氫氣，在生產(chǎn)可再生綠色能源的同時(shí)，避免了木質(zhì)纖維素資源未被充分利用而造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，它的開發(fā)與應(yīng)用對人類未來能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要意義。以下綜述了木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫技術(shù)的研究現(xiàn)狀，提出了木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫的總體構(gòu)想與對產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的建議。

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，生物制氫，預(yù)處理，發(fā)酵

Abstract:Hydrogen production from lignocellulosic biomass is both sustainable and environmentally friendly, which is garnering more and more attention across the world, with an expectation to challenge the shortage of fossil fuels supply and climate change as well.In this article, the update research progress and technology development of biohydrogen production are reviewed, with a focus on biomass pretreatment, hydrogen-producing microorganisms and process engineering strategies.And in the meantime, a roadmap for more efficient and economic biohydrogen production is envisioned.

Keywords:lignocellulosic biomass, biohydrogen, pretreatment, fermentation

當(dāng)今世界礦質(zhì)能源儲(chǔ)備的耗竭和持續(xù)的環(huán)境污染，已成為全球面臨的重要問題。尋求新的可再生能源迫在眉睫。氫能作為一種高效、清潔、可再生的能源，已越來越受到人們的關(guān)注和重視[1-2]。在大力推進(jìn)和支持可持續(xù)發(fā)展清潔生產(chǎn)項(xiàng)目的國際背景下，發(fā)酵法生物制氫技術(shù)因其具有清潔、節(jié)能和不消耗礦物資源等許多突出優(yōu)點(diǎn)而備受世人關(guān)注。國內(nèi)外眾多的科研工作者為此開展了大量的研究工作。然而，生物制氫技術(shù)距離大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)還有很大的距離，尚有很多關(guān)鍵性技術(shù)問題有待解決。降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的產(chǎn)氫效率是生物制氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的根本問題。目前的研究資料表明，現(xiàn)有的生物制氫技術(shù)研究所利用的基質(zhì)主要集中在一些簡單碳水化合物如葡萄糖、蔗糖、淀粉及由這些簡單化合物構(gòu)成的廢水等，阻礙了生物制氫技術(shù)的規(guī)?；a(chǎn)。

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是地球上最豐富、最廉價(jià)的可再生資源，全世界每年通過光合作用產(chǎn)生的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)高達(dá)1 000億t，其中89%目前尚未被人類利用。我國的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)也非常豐富，每年僅農(nóng)作物秸稈就有7億t，加上數(shù)量巨大的林業(yè)纖維廢料和工業(yè)纖維廢渣，每年可利用的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)總量可達(dá) 20億 t以上[3]。如此豐富的木質(zhì)纖維資源除少部分用作造紙和牲畜飼料外，其余的都被堆積或者原地焚燒，不僅造成資源的浪費(fèi)，也由此造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。若能利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的木質(zhì)纖維廢棄物等廉價(jià)的基質(zhì)制取氫氣，既能降低氫氣的生產(chǎn)成本，又能使廢棄物得到資源化。因此，開發(fā)廉價(jià)的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)制氫技術(shù)，其重要意義是毋庸置疑的，該技術(shù)的研究開發(fā)及推廣應(yīng)用，將會(huì)帶來顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益。本文重點(diǎn)介紹了木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫研究中的關(guān)鍵技術(shù)問題，包括木質(zhì)纖維素的預(yù)處理、水解液中抑制成分的脫除、水解液混合糖發(fā)酵產(chǎn)氫微生物資源及纖維素糖化發(fā)酵產(chǎn)氫工藝。同時(shí)，提出了利用木質(zhì)纖維素資源發(fā)酵產(chǎn)氫的主要發(fā)展方向及前景。

1 木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫的主體工藝流程

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是一種潛在的低成本原料，如農(nóng)作物秸稈、木屑等[3]，通常含有38%～50%的纖維素、20%～35%的半纖維素和 15%～25%的木質(zhì)素，其中纖維素和半纖維素可轉(zhuǎn)化為發(fā)酵性糖用于氫氣生產(chǎn)[4]。但由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用木素纖維素中纖維素和半纖維素生產(chǎn)氫氣時(shí)需要一些額外的工序，如預(yù)處理、脫毒處理和生產(chǎn)水解酶類等。圖1是以木質(zhì)纖維素為原料，轉(zhuǎn)化為氫氣的主體工藝流程。

圖1 木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化氫氣的主要工藝流程Fig.1 Schematic diagram of hydrogen production through bioconversion of lignocellulosic biomass.

2 木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理

木質(zhì)纖維素中纖維素由木質(zhì)素和半纖維素包裹著，纖維素與半纖維素或木質(zhì)素分子間的結(jié)合主要依賴于氫鍵；半纖維素和木質(zhì)素之間除氫鍵外還有化學(xué)鍵合。半纖維素是無定形組分，含木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等多種結(jié)構(gòu)單元，易于水解；木質(zhì)素和半纖維素對纖維素的包覆作用及結(jié)晶纖維素致密結(jié)構(gòu)引起的反應(yīng)惰性，都使纖維素酶水解嚴(yán)重受限。因此，需要對原料進(jìn)行預(yù)處理以去除部分或全部木質(zhì)素，溶解半纖維素，或破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，從而減小聚合度、增加孔隙度和表面積等，以促進(jìn)酶與底物相互接觸并反應(yīng)，提高酶解速率和得糖率。理想的預(yù)處理方法應(yīng)滿足以下要求[5]：1)有利于酶水解過程的糖化；2)避免碳水化合物的降解或損失；3)避免生成對后續(xù)水解或發(fā)酵有害的副產(chǎn)物；4)經(jīng)濟(jì)可行。預(yù)處理方法歸納起來包括物理法、物理化學(xué)法、化學(xué)法和生物法。

2.1 物理法

機(jī)械粉碎是常用的物理預(yù)處理方法，它能使顆粒變小，降低結(jié)晶度，對處理高結(jié)晶度和高度木質(zhì)化的材料都有較高的效果。此外粉碎處理后得到的粉料具有較高的容積密度，有利于增加酶反應(yīng)的底物濃度，提高酶的作用效率。粉碎處理的方法中，以球磨尤其是振蕩球磨的效率更高，高溫下研磨比在常溫下研磨的效果更好。如果在研磨時(shí)加入少量膨脹劑或木質(zhì)素溶劑亦可以提高研磨的效果。但物理法具有耗能大、成本高、生產(chǎn)效率低的缺點(diǎn)，因此研究較少[6]。

2.2 化學(xué)法

采用酸、堿、次氯酸鈉、臭氧等試劑進(jìn)行預(yù)處理，其中以堿和稀酸預(yù)處理研究較多。

堿預(yù)處理是利用木質(zhì)素能夠溶解于堿性溶液的特點(diǎn)，堿預(yù)處理操作簡便，設(shè)備要求較低。使用較多的堿有NaOH、KOH、Ca(OH)2和氨等。用堿預(yù)處理天然木質(zhì)纖維素可破壞其中木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，顯著提高后續(xù)酶水解效率。堿處理法的機(jī)理在于 OH?能夠削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵以及皂化半纖維素和木質(zhì)素分子之間的酯鍵。稀NaOH可引起木質(zhì)纖維原料的膨脹，結(jié)果導(dǎo)致內(nèi)部表面積增加、聚合度降低、結(jié)晶度下降、木質(zhì)素和碳水化合物之間化學(xué)鍵斷裂，從而破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)。堿預(yù)處理相對于酸法成本較低、操作安全，但仍需廢水和殘余物的回收處理工序[7]。

稀酸預(yù)處理通常采用 0.5%～2%的 H2SO4，在110℃～220℃下處理一定時(shí)間。由于半纖維素被水解成單糖，殘余物形成多孔或溶脹型結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)了酶解效果。在稀酸預(yù)處理?xiàng)l件下，半纖維素轉(zhuǎn)化成可進(jìn)一步發(fā)酵的單糖，有利于資源的充分利用。但木質(zhì)素依然保留在固體殘?jiān)校瑢罄m(xù)酶水解步驟會(huì)有一定的不良影響。

2.3 物理-化學(xué)法

物理化學(xué)方法有蒸汽爆破法、CO2爆破法、氨纖維爆破法。木質(zhì)纖維素原料在高壓水蒸汽或氨水中經(jīng)過短時(shí)間加熱后，快速地釋放壓力至大氣壓，此過程使纖維結(jié)構(gòu)嚴(yán)重膨化破壞，從而促進(jìn)后續(xù)的酶水解過程。

氨纖維爆破法是蒸汽爆破法與堿處理法的結(jié)合，即將木質(zhì)纖維原料在高溫和高壓下用液氨處理，然后突然減壓使原料爆破。利用氨氣爆破處理具有很多優(yōu)點(diǎn)：它不用機(jī)械粉碎將纖維素物料粒徑變??；木質(zhì)素除去后，大部分的半纖維素和纖維素可以保留下來得以充分利用；不會(huì)產(chǎn)生發(fā)酵抑制物，水解液可以不用處理直接發(fā)酵微生物；氨氣可以回收，殘留的銨鹽可以作為微生物的營養(yǎng)[8]。

2.4 生物法

生物法是利用分解木質(zhì)素的微生物降解木質(zhì)素，從而提高纖維素和半纖維素的酶解糖化率。但是由于目前存在的微生物種類較少，木質(zhì)素分解酶類的酶活低，作用周期長等關(guān)鍵技術(shù)問題，發(fā)展較慢。

目前，用于木質(zhì)纖維素預(yù)處理發(fā)酵產(chǎn)氫的研究主要是采用化學(xué)方法預(yù)處理和物理化學(xué)方法預(yù)處理。如 Rohit等[9]采用熱擊活性污泥發(fā)酵中性和酸化汽爆后的玉米秸稈產(chǎn)氫，比產(chǎn)氫量分別為2.84 mol H2/mol葡萄糖和3.0 mol H2/mol葡萄糖，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了 71%～75%；樊耀亭等[10-11]采用稀HCl處理稻草秸稈、酒糟和玉米秸稈，以牛糞堆肥為菌源進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫。獲得最大累積產(chǎn)氫量分別為68.1 mL/g TVS，68.6 mL/g TVS和149.69 mL/g TVS；de Vrije等[12]用NaOH處理Miscanthus脫木素后再經(jīng)纖維素酶水解，得到的水解液供Thermotoga elfii發(fā)酵產(chǎn)氫，獲得了不錯(cuò)的效果；周俊虎等[13]研究了活性污泥發(fā)酵稻草秸稈產(chǎn)氫，經(jīng)NaOH預(yù)處理的的稻草產(chǎn)氫量達(dá)90.5 mL/g TVS。

3 木質(zhì)纖維素水解液發(fā)酵產(chǎn)氫

利用木質(zhì)纖維素水解物發(fā)酵產(chǎn)氫研究中主要有2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：首先，如何解除木質(zhì)纖維素預(yù)處理水解過程中產(chǎn)生的抑制物質(zhì)對發(fā)酵的抑制作用：其次，木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物包括戊糖(木糖、阿拉伯糖)和己糖(葡萄糖、甘露糖、半乳糖)多種糖的混合物，如何高效利用戊糖己糖混合糖進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫。以下從抑制物的解除和混合糖發(fā)酵微生物 2個(gè)方面進(jìn)行了闡述。

3.1 木質(zhì)纖維素水解液中抑制物的控制

木質(zhì)纖維素原料在高溫高壓和催化劑預(yù)處理(水解)過程中會(huì)形成多種發(fā)酵抑制物質(zhì)，如糠醛、羥甲基糠醛、乙酸、酚類化合物等。由于這些抑制物質(zhì)對微生物的生長代謝有抑制作用，從而使水解液中糖發(fā)酵生成氫氣受到嚴(yán)重限制。在水解過程，抑制性物質(zhì)的濃度隨著預(yù)處理溫度的升高、處理時(shí)間的延長和催化劑濃度的增加而增加。同時(shí)抑制性物質(zhì)的生成也與木質(zhì)纖維素材料的種類相關(guān)。不同木質(zhì)纖維材料，其產(chǎn)生的抑制物質(zhì)的數(shù)量與比例不同[14]。另外。多種抑制物存在時(shí)，對發(fā)酵的影響要比單一抑制物存在時(shí)強(qiáng)烈。如曹廣麗等研究了糠醛、羥甲基糠醛、香蘭素等對菌株Thermoanaerobacterium.thermosaccharolyticumW16發(fā)酵產(chǎn)氫的影響，發(fā)現(xiàn)多種抑制物同時(shí)存在時(shí)，抑制物之間存在協(xié)同增效作用[15]。

因此，采用高效、經(jīng)濟(jì)的方法去除或減少木質(zhì)纖維素水解液中的抑制性物質(zhì)，對于提高微生物的氫氣轉(zhuǎn)化效率具有重要意義。目前，關(guān)于木質(zhì)纖維素水解液抑制成分的脫除方法已有多種報(bào)道，如活性炭吸附、負(fù)壓蒸發(fā)、加堿、離子交換、微生物降解或酶解法。其中效果較好的是離子交換法，但該方法成本高，不宜在大規(guī)模生產(chǎn)中使用。堿法是指用堿將pH值調(diào)到10然后再調(diào)到發(fā)酵所需pH，這是目前對水解液抑制成分脫除使用最多的一種有效方法，但該方法產(chǎn)生大量沉淀，使水解糖液中的糖損失較大，操作復(fù)雜，因此實(shí)際應(yīng)用有一定難度。負(fù)壓蒸發(fā)可去除揮發(fā)性抑制劑，但該方法在大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用中受到限制。活性炭吸附是一種廉價(jià)、有效的方法，所以對活性炭吸附脫除抑制成分作了較多研究，包括pH、溫度、接觸時(shí)間、活性炭濃度對脫除抑制成分的影響等。微生物或酶法降解抑制性物質(zhì)，目前仍在研究階段。

3.2 木質(zhì)纖維素水解液發(fā)酵產(chǎn)氫微生物

木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物中富含戊糖(木糖、阿拉伯糖)和己糖(葡萄糖、甘露糖、半乳糖)等混合糖。其中己糖較容易被微生物利用，目前關(guān)于能夠利用己糖發(fā)酵產(chǎn)氫的微生物已有很多報(bào)道，且已獲得了一些產(chǎn)氫能力較高的菌株。如Kumar等[16]從樹葉榨出物中分離到一株陰溝腸桿菌Enterobacter clocaeIIT-BT08，在以葡萄糖為碳源時(shí)，36℃和pH 6.0條件下，最大產(chǎn)氫速率可達(dá) 2 9.6 3 m m o l H2/(g-drycell·h)；林明[17]從生物制氫反應(yīng)器的厭氧活性污泥中分離到了一株高效產(chǎn)氫細(xì)菌 B49，其最大產(chǎn)氫速率和比產(chǎn)氫速率分別為 32.28 mmol H2/(g-drycell·h)和 2.34 mol H2/mol葡萄糖。相比之下，水解液中的戊糖較難被微生物利用。如果僅將水解液中的己糖部分進(jìn)行較高程度的利用，產(chǎn)生的氫氣相對于木質(zhì)纖維原料的利用率也不超過40%，只有將水解液中戊糖己糖全部轉(zhuǎn)化成氫氣，才能獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道[18]，若能充分利用水解液中的戊糖成分，發(fā)酵法生產(chǎn)燃料的生產(chǎn)成本可直接下降25%左右。因此，如果找到能同時(shí)利用戊糖和己糖產(chǎn)氫的微生物可大大提高水解液的利用效率，降低成本。近年來，研究者們陸續(xù)開展了一些關(guān)于戊糖發(fā)酵產(chǎn)氫及同步發(fā)酵戊糖己糖混合糖產(chǎn)氫的相關(guān)研究，如Kumar等分離的兼性厭氧菌Enterobacter cloacaeIIT-BT 08發(fā)酵木糖的產(chǎn)氫能力為0.95 mol H2/mol 木糖[16]；Lo等[19]從連續(xù)流產(chǎn)氫反應(yīng)器中分離出7株純菌株，并考查了這7株菌發(fā)酵木糖的產(chǎn)氫能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有Clostridium butyricumandKlebsiellasp.能夠利用木糖發(fā)酵產(chǎn)氫，其中菌株Cl.butyricumCGS5利用木糖產(chǎn)氫能力最高，其最大產(chǎn)氫速率和比產(chǎn)氫率分別為 212.5 mL/(L?h)and 0.73 mol H2/mol木糖；Kadar等[20]研究了Caldicellulosiruptor saccharolyticus對葡萄糖、木糖及混合糖轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫能力，其在木糖上的轉(zhuǎn)化率為 2.24 mol H2/mol木糖，最大產(chǎn)氫速率為11.3 mmol/(L?h)，其在葡萄糖上的轉(zhuǎn)化率為2.5 mol H2/mol 木糖，最大產(chǎn)氫速率為 10.7 mmol/(L?h)，其在葡萄糖木糖混合糖上的轉(zhuǎn)化率 2.32 mol H2/mol 底物，最大產(chǎn)氫速率為 9.2 mmol/(L?h)；曹廣麗等[21]從溫泉中分離出一株能有效利用葡萄糖木糖發(fā)酵產(chǎn)氫的高溫菌T.thermosaccharolyticumW16，其在葡萄糖上的氫氣轉(zhuǎn)化率為2.42 mol H2/mol葡萄糖，最大產(chǎn)氫速率為12.9 mmol/(L?h)，其在木糖上的氫氣轉(zhuǎn)化率為2.19 mol H2/mol木糖，最大產(chǎn)氫速率為10.7 mmol/(L?h)。其在不同葡萄糖/木糖濃度比混合糖上的氫氣轉(zhuǎn)化率為2.23～2.37 mol H2/mol 底物，最大產(chǎn)氫速率為11.2～12.7 mmol/(L?h)。表1列出了目前報(bào)道的能夠利用戊糖發(fā)酵產(chǎn)氫的微生物，相對于己糖發(fā)酵產(chǎn)氫微生物的種類、數(shù)量，該類微生物資源還非常稀少，且目前報(bào)道的能夠同步發(fā)酵戊糖己糖產(chǎn)氫微生物中只有嗜熱菌Caldicellulosiruptor saccharolyticus和T.thermosaccharolyticumW16。因此，在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)對戊糖發(fā)酵產(chǎn)氫微生物，尤其是具有能同步發(fā)酵戊糖己糖產(chǎn)氫微生物菌種資源的開發(fā)。戊糖的有效利用不僅擴(kuò)展了產(chǎn)氫底物的利用范圍，而且對提高木質(zhì)纖維素水解液的利用效率起到關(guān)鍵作用。

表1 文獻(xiàn)中報(bào)道的利用戊糖發(fā)酵產(chǎn)氫的微生物Table 1 H2yields and production rates reported in xylose fermentation studies

4 纖維素生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵產(chǎn)氫

利用木質(zhì)纖維素材料進(jìn)行暗發(fā)酵產(chǎn)生氫氣，通常需要對底物進(jìn)行不同程度的預(yù)處理，產(chǎn)生大量以戊糖或己糖為主要成分的水解液，與此同時(shí)，還會(huì)有較多以纖維素為主要成分的固型物。因此，十分需要開發(fā)更具成本效益和技術(shù)上可行的纖維素產(chǎn)氫的過程。利用微生物降解纖維素材料并將其轉(zhuǎn)化為氫氣是十分重要而有效的途徑[30]。纖維素產(chǎn)氫的過程一般需要遵循以下原則：1)有效降低生產(chǎn)過程中的能源需求；2)進(jìn)程簡捷；3)產(chǎn)氫率較高；4)原料價(jià)格低廉，廢物利用最為理想[31-33]。

隨著對纖維素質(zhì)原料生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)清潔能源的不斷研究，先后有學(xué)者提出纖維素生物轉(zhuǎn)化的工藝過程，包括分步水解發(fā)酵(Separate hydrolysis and fermentation, SHF)、同步糖化發(fā)酵(Simultaneous saccharification and fermentation, SSF)、同步糖化共發(fā)酵(Simultaneous saccharification and co-fermentation,SSCF)和聯(lián)合生物加工工藝(Consolidated bioprocessing, CBP)等工藝方案。以上各種方法分別在酶的產(chǎn)生與提供、纖維素水解、水解物發(fā)酵過程等方面存在一定的差異(圖2)，這些差異也將導(dǎo)致纖維素產(chǎn)氫的效率有所不同。

圖2 纖維素產(chǎn)氫的生物轉(zhuǎn)化過程Fig.2 Cellulose bioconversion processes for hydrogen production.

4.1 分步糖化發(fā)酵

分步糖化發(fā)酵(SHF)，是將纖維素酶法或微生物法水解糖化與利用糖化液發(fā)酵制氫分步進(jìn)行。在這一過程中，反應(yīng)或發(fā)酵條件可獨(dú)立控制完成，糖化或發(fā)酵更為準(zhǔn)確、針對性更強(qiáng)。在混合培養(yǎng)體系中，最佳酶解條件與最佳生長或產(chǎn)氫條件會(huì)有所不同，可能導(dǎo)致單方面限制產(chǎn)糖或產(chǎn)氫效率，從而降低纖維素轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)氫量。因此，為更好地進(jìn)行高效率生產(chǎn)，單獨(dú)水解和方法被很多學(xué)者所采用[34]。在分步糖化發(fā)酵過程中，產(chǎn)物的形成也受多種因素的限制，如末端產(chǎn)物的反饋抑制，在糖化過程中產(chǎn)生的葡萄糖過量會(huì)抑制葡萄糖苷酶的活性，纖維素酶也會(huì)被纖維二糖和葡萄糖所抑制[35-37]。此外，低細(xì)胞濃度以及高濃度基質(zhì)也會(huì)抑制發(fā)酵過程。

分步水解糖化發(fā)酵(SHF)從木質(zhì)纖維素化學(xué)轉(zhuǎn)化演變而來，即用酶解纖維素產(chǎn)生還原糖，進(jìn)而再利用糖進(jìn)行發(fā)酵。纖維素的酶解和酶解液的發(fā)酵分別在不同的反應(yīng)器中進(jìn)行。Datar等認(rèn)為，中溫厭氧細(xì)菌并不能有效利用纖維素。而此時(shí)外源纖維素酶增加更有利于中溫條件下厭氧細(xì)菌利用纖維素物質(zhì)產(chǎn)生氫氣[38]。而纖維素酶解糖化又存在成本較高、酶活性及酶轉(zhuǎn)化率不穩(wěn)定等諸多問題，因此逐漸有人采用具有糖化功能的菌株或復(fù)合菌系對纖維素進(jìn)行糖化，再進(jìn)行產(chǎn)氫發(fā)酵。Lo等從土壤中分離可水解木質(zhì)纖維物質(zhì)(木聚糖、稻殼和稻草)的菌株，應(yīng)用于木質(zhì)纖維物質(zhì)水解產(chǎn)糖發(fā)酵。水解液初始還原糖濃度為 0.36 g/L時(shí)，利用菌株ClostridiumbutyricumCGS5進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫，氫氣產(chǎn)量和氫氣產(chǎn)率分別為88.1 mL/L和19.15 mmol H2/g還原糖或17.24 mmol H2/g 纖維素[39]。

與純菌株相比，復(fù)合菌系同樣可以應(yīng)用于纖維素的糖化過程。Lo等采用分步糖化發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，首先將細(xì)菌混合菌系NS和QS應(yīng)用于有纖維素水解過程，當(dāng)羧甲基纖維素鈉(CMC)濃度為10 g/L時(shí)，混合菌系降解CMC所產(chǎn)生總還原糖(TRS)和還原糖(RS)產(chǎn)生率達(dá)到5531.0 mg/L和92.9 mg/(L·h)。再利用產(chǎn)氫細(xì)菌轉(zhuǎn)換纖維素水解物以產(chǎn)生氫氣。初始還原糖濃度為0.8 mg/L時(shí)，氫氣的產(chǎn)量約為1.21 mmol H2/g還原糖(0.097 mmol H2/g纖維素)[40]。利用復(fù)合菌系進(jìn)行糖化與利用酶相比，反應(yīng)體系更為穩(wěn)定，不易受環(huán)境影響，再利用純菌發(fā)酵糖化產(chǎn)物產(chǎn)氫取得較好效果。但在糖化過程中，產(chǎn)糖效率不及酶糖化明顯。

4.2 同步糖化發(fā)酵

同步糖化發(fā)酵法(SSF)，即纖維素的酶水解糖化過程與厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵同步進(jìn)行。目前，很多學(xué)者利用糖化微生物而非直接添加酶進(jìn)行糖化，并與產(chǎn)氫微生物進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，稱之為同步糖化共發(fā)酵(SSCF)。以上兩種同步糖化發(fā)酵的方法，微生物糖化及發(fā)酵過程在同一體系內(nèi)進(jìn)行，纖維素糖化產(chǎn)物很容易迅速被產(chǎn)氫微生物所利用，解除其對糖化反應(yīng)的反饋抑制。同步糖化發(fā)酵，較大程度簡化發(fā)酵設(shè)備，縮短纖維素物質(zhì)轉(zhuǎn)化周期，提高轉(zhuǎn)化率[41-43]。因其具有設(shè)備投資成本較低，生產(chǎn)能耗低等工業(yè)化優(yōu)勢，越來越受到人們的重視，也是目前較為流行的纖維素生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫的工藝方法。

以產(chǎn)酸克雷伯氏菌Klebsiella oxytocaHP1為產(chǎn)氫菌株，以稻草粉為產(chǎn)氫底物，進(jìn)行同步糖化發(fā)酵產(chǎn)氫。結(jié)果表明40℃，pH 6.5，纖維素酶用量為20 FPAU/g稻草粉，搖床轉(zhuǎn)速100 r/min，發(fā)酵時(shí)間42 h時(shí)，最大氫產(chǎn)率為110.6 mL/g稻草粉，稻草粉的氫轉(zhuǎn)化率為22%。10 L放大發(fā)酵產(chǎn)氫試驗(yàn)，最大氫產(chǎn)率為122.3 mL/g稻草粉，氫轉(zhuǎn)化率為24.3%。與分步糖化發(fā)酵產(chǎn)氫相比，氫產(chǎn)率提高 34.4%。從而證明，利用同步糖化發(fā)酵工藝可以提高生物制氫的產(chǎn)量和得率[44]。

將纖維素分解菌Clostridium thermocellumDSM1237，與無纖維素分解能力的產(chǎn)氫菌Clostridium thermopalmariumDSM 5974，進(jìn)行同步發(fā)酵糖化培養(yǎng)，并確定在最佳條件下，濾紙?zhí)荚戳? g/L時(shí)，最大氫氣產(chǎn)量為1 387 mL/L培養(yǎng)液[45]。

同步糖發(fā)酵過程中也可將復(fù)合菌系應(yīng)用于反應(yīng)體系，以利于糖化過程。Lin等富集牛糞中的微生物復(fù)合菌系，并將其應(yīng)用于纖維素發(fā)酵糖化及利用糖化產(chǎn)物發(fā)酵產(chǎn)氫。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合菌系在最佳初始pH值7.6～8.0時(shí)，氫氣的最高產(chǎn)量分別達(dá)到2.8 mmol H2/g纖維素，3 mmol H2/g木糖[46]。

同步糖化發(fā)酵方法與分步糖化發(fā)酵法相比，有效提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)與設(shè)備成本，但纖維素酶解過程與產(chǎn)氫發(fā)酵過程，在發(fā)酵條件、發(fā)酵周期、發(fā)酵速度等方面的不統(tǒng)一性，一直是限制該方法研究與應(yīng)用的主要因素。

4.3 直接微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫

直接微生物轉(zhuǎn)化(Direct microbial conversion,DMC)，又可稱為聯(lián)合生物加工工藝(CBP)，是一種將纖維素酶的產(chǎn)生過程與糖化、產(chǎn)氫發(fā)酵集合在一個(gè)反應(yīng)體系內(nèi)同步進(jìn)行，是一種將纖維素直接利用轉(zhuǎn)化為氫氣的生產(chǎn)工藝。盡管該工藝也需要對木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行一些預(yù)處理，但與以上幾種方法相比，較大程度地降低生產(chǎn)過程的能量消耗，有效地降低生產(chǎn)成本。因此，它正成為第 3代能源生產(chǎn)過程中非常經(jīng)濟(jì)而又受關(guān)注的目標(biāo)[47-49]。

Magnusson等采用高溫型厭氧纖維素分解菌株Clostridium thermocellumATCC 27405，未經(jīng)任何預(yù)處理的廢棄纖維素材料為底物發(fā)酵產(chǎn)氫，利用酒糟、大麥殼和鐮刀霉污染過的大麥殼為碳源，產(chǎn)氫量分別為1.27 mmol H2/g葡萄糖、1.24 mmol H2/g葡萄糖和1.18 mmol H2/g葡萄糖[50]。該研究為選擇用于直接發(fā)酵產(chǎn)氫的纖維素資源作出了有益嘗試。玉米秸稈經(jīng)H2SO4、NaOH和氨水浸泡，蒸汽等預(yù)處理后，利用Clostridium acetobutylicumX9進(jìn)行水解并與高效產(chǎn)氫菌Ethanoigenens harbinenseB49進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，直接發(fā)酵纖維素產(chǎn)氫，B49與X9的生物強(qiáng)化與X9單獨(dú)培養(yǎng)相比，有效提高纖維素水解產(chǎn)氫效率[51-52]。Liu等從腐敗的麥秸中，以纖維二糖為底物，分離得到高溫產(chǎn)氫菌株Clostridium thermocellumJN4和Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticumGD17，JN4和GD17可以利用玉米芯等數(shù)種天然基質(zhì)為碳源，在高溫條件下發(fā)酵產(chǎn)生氫氣。在60℃下，以0.5%的結(jié)晶纖維素為碳源，將兩菌株進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，其氫氣產(chǎn)量達(dá)到55 mmol/L[53]。

針對預(yù)處理過后的纖維素物質(zhì)，David分別以0.1 g/L纖維素、濾紙、木質(zhì)纖維、脫木素纖維素(DLWs)和纖維二糖為底物，利用菌株Clostridium thermocellum27405進(jìn)行直接發(fā)酵產(chǎn)氫。結(jié)果表明，脫木素纖維素為碳源，產(chǎn)氫量較高，可達(dá) 1.6 mol H2/mol葡萄糖[54]。利用菌株Clostridium termitidisCT1112，比較纖維二糖和纖維素純品為底物的直接發(fā)酵產(chǎn)氫能力，氫氣產(chǎn)量分別為4.6 mmol/L培養(yǎng)液和7.7 mmol/L培養(yǎng)液[55]。

表2所列出為已報(bào)道直接利用纖維素類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫微生物，其中很多高溫型菌株表現(xiàn)出較好的直接轉(zhuǎn)化纖維素類物質(zhì)產(chǎn)氫效果，受到很多研究者的關(guān)注。高溫型產(chǎn)氫菌株與中溫型相比，其在較高溫度下生長特征更利于纖維素酶的反應(yīng)活性，從而有效地直接利用纖維素物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫。

5 木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫技術(shù)發(fā)展方向及前景

對于木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫而言，目前還處于起步階段，尚有很多技術(shù)和問題需要進(jìn)一步探索、研究和解決, 今后木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫研究的主要發(fā)展方向有：

1)加大產(chǎn)氫微生物資源的開發(fā)力度：大規(guī)模選育能同步發(fā)酵戊糖己糖產(chǎn)氫微生物及直接轉(zhuǎn)化纖維素產(chǎn)氫的微生物，優(yōu)化產(chǎn)氫工藝條件，建立最佳的共降解生物質(zhì)廢棄物產(chǎn)氫菌群，提高原料利用效率和目標(biāo)產(chǎn)物收率。

2)建立木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的定向高效產(chǎn)氫生物技術(shù)：開發(fā)多種微生物細(xì)胞固定化、微生物耐受逆境的生物技術(shù)，增強(qiáng)微生物對生物質(zhì)廢棄物水解液中抑制成分的耐受能力，提高產(chǎn)氫穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫量和連續(xù)穩(wěn)定的生物制氫過程；開發(fā)吸附、中和等方法減少或消除代謝物中抑制物的抑制作用，結(jié)合多種高效、無污染、低成本的預(yù)處理方法，針對不同類型的生物質(zhì)進(jìn)行處理。探索高效的預(yù)處理方法、優(yōu)化預(yù)處理工藝。

表2 文獻(xiàn)中報(bào)道的直接利用纖維素類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫的微生物Table 2 Hydrogen production reported in cellulosic substrates fermentation studies

3)開發(fā)規(guī)?；举|(zhì)纖維素類生物質(zhì)制氫工藝：為進(jìn)一步提高產(chǎn)氫能力，提高基質(zhì)利用率和多目標(biāo)產(chǎn)物收率，多目標(biāo)聯(lián)合/耦合工藝模式值得推行。如暗發(fā)酵-光發(fā)酵耦合，暗發(fā)酵-微生物電解產(chǎn)氫工藝耦合、產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷工藝耦合等。

清潔能源—?dú)錃獾睦靡殉蔀槲磥砟茉蠢玫陌l(fā)展趨勢。隨著生物制氫技術(shù)的發(fā)展，利用廉價(jià)的原料進(jìn)行氫氣生產(chǎn)勢在必行。從可持續(xù)發(fā)展來看，以木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)為原料進(jìn)行氫氣生產(chǎn)將是一個(gè)非常具有潛力的發(fā)展方向，它既有利于環(huán)境整治，又可回收能源、降低成本，是一項(xiàng)集環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益于一體的新型環(huán)保產(chǎn)業(yè)，其重要意義是毋庸置疑的。同時(shí)，發(fā)展木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的微生物制氫對我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和可持續(xù)發(fā)展具有非常迫切和重要的意義，對于解決未來能源的可持續(xù)發(fā)展問題也具有十分重要的意義，將使我國在生物制氫領(lǐng)域達(dá)到一個(gè)新的階段。

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Progress and technology development on hydrogen production through bioconversion of lignocellulosic biomass

Aijie Wang1, Guangli Cao1, Chengjiao Xu1,2, and Nanqi Ren1
1 State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China 2 College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China

Received:May 24, 2010;Accepted:June 9, 2010

Supported by:National Natural Science Foundation of China(Nos.30470054, 50638020).

Corresponding author:Nanqi Ren.Tel/Fax: +86-451-86418180; E-mail: rnq@hit.edu.cn Aijie Wang.Tel/Fax: +86-451-86418180; E-mail: waj0578@hit.edu.cn國家自然科學(xué)基金(Nos.30470054, 50638020)資助。