1.4 生物质综合利用思路
作为能源短缺的国家，我国从1993年成为石油净进口国，2013年我国原油进口量已超过了3.04亿吨，对外依存度达到58.8%。随着经济的快速发展，石油的缺口将越来越大。大量进口石油和对化石能源的过分依赖势必影响国家的能源安全，并制约我国的经济发展。发展燃料乙醇不仅可以缓解能源短缺问题，从长远的利益和能源的可再生性来看，燃料乙醇又是潜力巨大的生物质能源，它可以减少燃烧的挥发损失，提高燃烧效率，减少CO、NO等污染物的排放。另外，燃料乙醇燃烧所产生的额外CO2最少，可最大限度地减少温室气体效应，缓解日益严重的大气污染。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》和《国家“十二五”科学技术发展规划》将生物质液体燃料列为重要内容，足以说明生物质能源的研究与开发对实现我国能源安全和生态环境保护战略的重要意义。
生物质是地球上储量最丰富的可再生资源，植物每年通过光合作用能产生高达1550亿吨天然纤维素类物质，其中纤维素、半纤维素的总量为850亿吨。而每年用于工业过程或燃烧的纤维素仅占2%左右，绝大部分未被利用。目前，粮食一直是发酵制乙醇的主要原料，随着人口的增长和耕地的减少，粮食问题日益严峻。因此，以产量巨大、成本低廉、来源广泛的生物质替代粮食生产燃料发酵，成为必然的选择。
目前，由生物质水解物发酵生产乙醇主要套用成熟的以淀粉类和糖类为原料发酵制乙醇的工艺。即先将纤维素水解成单糖，再利用酿酒酵母发酵生产乙醇。生物质的水解方法主要是酸解和酶解。酸解具有反应速率快的优点，被许多学者认为是最容易实现商业化生产的工艺，但最大的问题是，木质纤维原料在高温高压水解或预处理过程中产生脂肪酸、糖醛和芳香族化合物等三大类发酵抑制物质，成为目前由生物质发酵生成乙醇的一大难题［58］。另外，酸解法能耗高，得糖率较低，后续需要中和、吸附等方法处理，工艺繁琐，而且对设备有腐蚀。酶解法条件温和、产物得率高、能耗低是较理想的方法。但酶解反应速率慢、生产成本高，目前在一定程度上限制了它的工业应用。
在原料的水解或预处理过程中，纤维素水解成葡萄糖，半纤维素水解成甘露糖、葡萄糖、半乳糖和木糖等。因此，生物质的水解液不是单一糖，而是五碳糖和六碳糖的混合物。在后续的发酵过程中，利用选择性单一的酿酒酵母去发酵混合糖，是生物质发酵生产乙醇的第二大难题［58］。另外，水解液中的木糖虽然可被许多微生物利用，但不能被发酵生成乙醇。而且随着底物中木糖浓度的增加，乙醇的收率会下降。在同步糖化发酵（SSF）工艺中，木糖的存在对纤维素酶水解纤维素有抑制作用。这些问题的解决除了人工加入外源木糖异构酶，构建利用木糖的工程菌［59，60］外，也可以采用多菌种混合发酵［61］。但不同菌种的生长环境不同，发酵活性的协调非常困难。
由于生物质的结晶度较高，分子间、分子内存在大量的氢键，这些天然高分子材料不溶于水和普通有机溶剂，而且水解困难。因此一般均需要对原料进行预处理。理想的预处理要破坏生物质的结晶结构，减少半纤维素和木质素的含量，避免碳水化合物的降解和损失，避免产生对水解和发酵过程起抑制作用的副产品等。目前，最常见的预处理方法是稀酸预处理和蒸汽爆破预处理。前者有酸解类似的问题，后者逐渐成为主流方法。但蒸汽爆破的主要问题是该预处理过程没有除去木质素，而且需消耗大量的蒸汽。欲解决上述生物质水解、发酵生产乙醇的技术和经济难题，以粮食为原料发酵生产乙醇的思路值得借鉴。从根本上讲，以粮食（淀粉、糖）发酵生产乙醇之所以能实现产业化，是由于水解底物单一（只有葡萄糖），菌种单一且稳定。如果我们能够在“组分分离”概念的基础上，将生物质原料中的纤维素分离出来，经水解得到单一的葡萄糖，生物质发酵生产乙醇就可能实现产业化。按照这个思路，对生物质原料进行分离，得到单一纤维素应该是突破难题的重点。
近年来，室温离子液体（IL）的出现，使得“量体裁衣”的定向设计和性能调控成为可能，展示了巨大的工业应用前景。离子液体是由正、负离子构成且在100℃以下呈液态的有机盐。在通常条件下，它不挥发、不燃烧、结构和性质可调，具有良好的物理和化学稳定性，并对无机、有机、高分子材料有良好的溶解能力，适合作分离溶剂或构成反应-分离耦合新体系，而且可以循环使用。
美国科学家Swatloski等［62］2002年发现氯代1-丁基-3甲基咪唑可以溶解纤维素，被溶解的纤维素很容易通过加水或乙醇沉淀再生，从而为离子液体分离天然纤维素原料提供了可能。随后，国内学者张军等也进行了卓有成效的工作，发现氯代烯丙基咪唑离子液体对纤维素具有较好的溶解能力［63，64］。初步研究表明，离子液体之所以能够溶解纤维素，主要是由于离子液体的阴离子与纤维素分子上的羟基质子形成氢键，从而破坏了纤维素分子内、分子间的大量氢键所致［65］。
鉴于上述情况，河南科技大学生物能源课题组提出设计并合成对纤维素、半纤维素、木质素具有选择性溶解能力的功能性离子液体，并利用这些离子液体对生物质原料进行分级处理。其中，分离得到的纤维素用来制备燃料乙醇，半纤维素用于生物制氢，木质素用于开发高分子化工产品。这种工艺过程条件温和，能耗低、无污染，离子液体可循环使用，是一个绿色工艺过程。更重要的是，该过程不产生对发酵过程具有抑制作用的物质，且避免了混合糖发酵的难题，而且实现了生物质的综合利用。
关于单一纤维素水解发酵制乙醇的工艺过程，目前主要有两类：一类是分步水解糖化发酵（SHF）；另一类是同步糖化发酵（SSF）。SSF因为解除了纤维二糖和葡萄糖对纤维素酶的抑制作用，酶解效率高，酶用量少，所需反应设备减小，污染的可能性也降低，逐渐成为主流。但主要问题是，最佳酶解温度和发酵温度不一致导致酶的活性下降。另外随着发酵的进行，所生成的乙醇的浓度逐步增高，对酵母和纤维素酶都产生了抑制作用。已有研究表明，酶的活性下降也与半纤维素和木质素对纤维素酶的吸附有关。如果采用原料分级处理工艺，在水解、发酵之前半纤维素和木质素已被分离出去，纤维素对纤维素酶的有效吸附增强，酶的活性提高，在一定程度上可以弥补最佳酶解温度和发酵温度不一致所引起的酶活性下降。
为了解决发酵产物对酵母和纤维素酶的抑制作用，在前人同步糖化发酵和气提发酵［66，67］研究成果的基础上，开发同步糖化、发酵、分离耦合工艺，即将同步糖化发酵与气提发酵工艺相结合，使纤维素的水解、发酵、产物分离在同一个反应器中进行。该耦合工艺具有设备投资少，生产效率高，污染可能性小等优点。特别是生物质原料经过分离，纤维素水解、发酵与产物分离同步进行，纤维素有望被完全利用，反应器中基本没有固体杂质的积累，发酵可在高浓度进料的条件下长时间连续进行。乙醇通过气提移出，纤维素酶和酵母可在反应器中循环利用，也解决了成本较高的纤维素酶的回收循环使用问题。
半纤维素的水解产物主要是六碳糖和五碳糖。因此，利用离子液体分离得到的半纤维素作为碳源制备清洁能源——氢气是一种来源广泛、价格低廉的方法。目前，利用半纤维素原料发酵制氢的研究还甚少。对连续产氢系统而言，氢的分压是一个极为重要的影响因素。产氢代谢途径对氢气的分压非常敏感，且易受末端产物（H2）的抑制。表面活性剂对产氢酶活和吸氢酶活的作用研究表明，产氢和吸氢很可能是两种不同的酶完成的［68］，因此降低细胞内H2的分压可促进产氢代谢并抑制吸氢代谢。CO2的浓度也会影响产氢速率和产氢量。细胞可通过磷酸戊糖途径将CO2、丙酮酸、NADH合成琥珀酸和甲酸，该途径与NADH-氢酶的产氢反应相竞争。因此，有效去除细胞内的CO2可以减少对NADH的竞争，提高产氢量。向反应器中喷射氮气［69］或吹入氩气［70］，均能提高H2的产率。
实际上，细胞代谢气体产物是通过单纯扩散的方式透过微生物细胞膜上的小孔进出细胞的。H2和CO2由胞内向胞外的扩散途径是：细胞内→细胞膜→胞外液膜→发酵液。鼓吹惰性气体只是降低了胞外发酵液内H2和CO2的分压，欲从根本上解决降低胞内H2和CO2的分压，需要增加细胞膜的通透性。根据CTAB和Triton X-100等表面活性剂可有效增加E.aerogense细胞膜的通透性的研究结果［71］，筛选出一种或几种既能增加细胞膜的通透性，又不影响菌体产氢代谢的调控剂，并与鼓吹N2相结合，同时有效降低细胞内和胞外发酵液内H2和CO2的分压，从而最大限度地降低吸氢反应的速率，促进产氢代谢，提高产氢量。
与现有的生物质水解发酵乙醇生产技术相比，本工艺路线的主要特点有：①用结构和性能可以微观调控的离子液体选择性溶解/分离生物质；②避免了原料在高温高压水解或预处理过程中产生的对发酵有抑制作用的化学物质；③解决了水解液混合糖发酵问题；④采用同步糖化、发酵、产物分离耦合工艺，解决了发酵产物乙醇对酵母和纤维素酶的抑制作用；⑤利用胞内和胞外相结合降低H2和CO2分压的方法，有效提高产氢量；⑥在生产燃料乙醇的同时，联产清洁能源——氢气；⑦工艺条件温和，不使用高温高压和有毒、有害化学物质，能耗低，无污染，对设备无腐蚀，是一项绿色的制备燃料乙醇和氢能的新技术。