酶制剂升级助解纤维素乙醇产业瓶颈

制造纤维素乙醇的常用原料是农作物秸秆（玉米秸秆、麦秸和甘蔗渣）、木屑、能源作物和城市垃圾等废弃物。相比传统的石油燃料，纤维素乙醇可将二氧化碳排放量减少90%以上。然而，相关技术工艺有待完善、生产成本过高一直是限制其大规模产业化的瓶颈。

据估计，到2030年，能耗预计将增长55%，而纤维素乙醇则是被寄予厚望的可持续发展能源的主要来源之一。

据知情人士向《中国科学报》记者透露，在国家发展改革委牵头制定并即将正式发布的生物产业发展“十二五”规划中，特别提出“突破纤维素乙醇原料预处理技术、低成本糖化关键技术瓶颈”。在其中，酶制剂扮演着重要角色。

“无酶不醇”

酶对于人们而言，可谓既熟悉又陌生。

熟悉，是因为人类的生存离不开酶。酶是可催化活细胞内生化反应的生物催化剂，是一种蛋白质。由于酶的存在，人体的新陈代谢才能进行。例如食物必须在酶的作用下降解成小分子，才能透过肠壁，被组织吸收和利用。陌生，是因为很多人对酶并没有多少了解。

正是发现了酶的巨大作用，人类开始从生物中提取酶制剂用于工业生产活动中，从而通过催化作用加快生产流程。

与其他可再生能源及石油替代能源相比，燃料乙醇在中国发展较早，市场规模较大。

中国的车用燃料乙醇产业，2010年产量已达180万吨，是巴西和美国之后的第三大燃料乙醇生产国和消费国。

咨询公司麦肯锡曾在报告中指出，纤维素乙醇的商业化，从2020年起可替代3100万吨汽油，使中国的石油进口量降低10％；到2020年每年带来320亿元人民币的收入，创造600万就业岗位。

如此下来，在纤维素乙醇价值链上的中国公司将成为主要受益者，包括价值960亿元人民币的国内工程和建造市场及潜在的市场，纤维素乙醇每年可减少二氧化碳排放约9000万吨。

纤维素乙醇的生产离不开酶制剂的参与。

从原料中产出纤维素乙醇大致会经过预处理、水解（亦称酶解或糖化）、发酵、蒸馏四步。在水解环节，酶制剂把纤维素分解为单糖和多糖，从而为下一步的发酵作好准备。

纤维素酶制剂更新换代迅速

针对纤维素乙醇行业而研制的酶制剂近些年更新换代迅速。

以酶制剂行业*诺维信为例，从2009年至今，已推出三代纤维素酶制剂。

2009年，该公司推出可大规模供货的复合纤维素酶制剂Cellic CTec，也是*次为纤维素乙醇生产提供了可用于工艺优化和标准化的酶制剂。

2010年，第二代Cellic CTec2是世界范围内*款商业可行的纤维素酶，纤维素乙醇的生产成本已经能够与一代玉米乙醇相比较，开始进入商业化准备阶段。

今年，诺维信将第三代纤维素酶Cellic CTec3投放市场，意大利M&G建设中的*家5万吨级纤维素乙醇生产厂选择了这款酶制剂，向生产成本的经济化发起新的冲击。

诺维信中国政府事务与公共关系朱晓青向《中国科学报》记者介绍，相比市面上已有的用于催化分解生物质的普通酶制剂，Cellic CTec3所需的用量只有前者的五分之一。Cellic CTec3含有专一性强的各种高活性的纤维素酶组分，包括改进型?茁-葡萄糖甘酶以及一系列新型半纤维素酶，依托这些酶的共同作用，Cellic CTec3的转化效率比Cellic CTec2提高了至少50%。

除了转化效率大幅提高以外，Cellic CTec3的适应性和宽容性也更强。
朱晓青进一步解释道，首先，Cellic CTec3可有效作用于各种经过预处理的原料，包括玉米秸秆、玉米芯、玉米皮、小麦秸秆、甘蔗渣、纸浆和城市固体废物。

“其次，对于温度的适应性也更强，预处理和发酵温度一般都高于水解阶段酶制剂所适宜的温度。”朱晓青说，“传统工艺在预处理之后要把温度降下来，适应酶制剂水解，到了发酵环节，温度又得高上去，增加了能量消耗，而Cellic CTec3在较高温度下也能保持效力。”

此外，新一代酶制剂对酸碱度的适应性也有所提高。

成本有待下降

尽管酶制剂不断更新换代，性能越来越好，然而纤维素乙醇产业仍面临挑战。

研究纤维素乙醇产业化问题多年的*过程工程研究所研究员陈洪章向《中国科学报》记者表示，成本过高是其产业化的关键难题之一，目前酶制剂占纤维素乙醇整个生产成本的40%~50%。

由于生产原理不同，与粮食乙醇相比，纤维素乙醇生产过程中酶制剂的用量要大得多，朱晓青说，而且由于秸秆等原料价格相对较低，更使得酶制剂在整个生产成本中所占比例较高。

据陈洪章介绍，作为纤维素乙醇的前一代产品，粮食乙醇经历了酶制剂成本从高到低的过程。由于酶制剂的进步，其在粮食乙醇成本中所占比例从一开始的30%~40%下降到了现在的5%~10%。

尽管新一代酶制剂已将成本所占比例降至25%左右，但仍有困难需要克服。

目前纤维素酶制剂有两种生产方式：*种是纤维素乙醇厂中配一个酶制剂厂，生产纯度较低的酶制剂，成本低，但性能较差；第二种是集中生产纯度较高的酶制剂，成本高，但性能较好。

朱晓青解释道，由于采用*种方式时，厂家需要平衡整个生产成本、占地面积和机器设备，所以难以生产出纯度高、性能好的酶制剂。

在陈洪章看来，随着技术进步、酶制剂成本下降，会有更多的纤维素乙醇生产厂倾向于采用第二种方式。

此外，朱晓青还表示，目前纤维素酶制剂有如下发展趋势：一是将酶制剂和酵母菌的生产结合在一起，从而将水解和发酵这两个步骤整合为一；二是进一步提高酶制剂的宽容性，适应不同的原料底物、温度和酸碱性；三是与提高宽容性相反，研发专一性更强的酶制剂。

尽管酶制剂作用巨大，但包括陈洪章和朱晓青在内的专业人士普遍认为，对于纤维素乙醇产业瓶颈的突破，酶制剂只是其中关键因素之一，行业的发展有赖于各个环节生产技术和工艺的共同进步。

更多关于elisa原理、elisa法（点击这里）. ：yanjinbio@