利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇

1、利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇前言經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)展以能源為重要?jiǎng)恿?，?jīng)濟(jì)更加展，能源消耗越多；到2059年，也就是世界上第一口油井開鉆200 周年之際，世界石油資源大致所剩無幾；而生物質(zhì)能是由植物的光合作用固定于地球上的太陽能，最有可能成為21 世紀(jì)主要的新能源之一； 據(jù)估量，植物每年貯存的能量約相當(dāng)于世界主要燃料消耗的10 倍；而作為能源的利用量仍不到其總量的1%；專家猜測，生物質(zhì)能源將成為將來連續(xù)能源重要部分，到2021 年，全球總能耗將有40%來自生物質(zhì)能源；然而燃料乙醇的生產(chǎn)如均以糖類或糧食為原料，其產(chǎn)量受到糧食資源的限制，難以長期滿意能源需求；從長遠(yuǎn)考慮必需進(jìn)行科技創(chuàng)新，擴(kuò)大原料來源；含木

2、質(zhì)纖維素的生物質(zhì)廢棄物是生產(chǎn)燃料乙醇的另一原料來源，它包括農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工廢料、 甘蔗渣及城市垃圾中所含的廢棄生物質(zhì)等；國內(nèi)外專家對木質(zhì)纖維素原料轉(zhuǎn)化為乙醇燃料進(jìn)行了大量的討論；1一木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇的步驟主要分為兩步：纖維素水解成糖，糖發(fā)酵成醇；由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 纖維素、半纖維素不但被木質(zhì)素包裹，而且半纖維素部分共價(jià)和木質(zhì)素結(jié)合，纖維素具有高度有序晶體結(jié)構(gòu)因此必需經(jīng)過預(yù)處理，使得纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分別開，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結(jié)構(gòu)，降低 聚合度， 以提高水解效率； 表 2 列出了幾種木質(zhì)纖維素中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量；表 2 幾種典型

3、木質(zhì)纖維素原料的組成質(zhì)量分?jǐn)?shù) /原料纖維素半纖維素木質(zhì)素玉米秸稈362829小麥秸稈362822稻草371910稻殼362019高粱秸稈321914云杉432629松木442629樺木403921柳木512916楊木512916新聞紙6216212圖 1植物細(xì)胞壁構(gòu)成示意圖全部植物來源的木質(zhì)纖維素均含有豐富的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素， 纖維素和半纖維素可作為乙醇發(fā)酵的原料；圖 2木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的路線纖維素是一種有100-1000個(gè)-d- 吡喃型葡萄糖單體以 -1,4-糖苷鍵連接的直鏈多糖， 多個(gè)分子平行緊密排列成絲狀不溶性微小纖維；在工業(yè)上， 纖維素經(jīng)酸解或酶解預(yù)處理后， 釋放出的葡萄

4、糖可進(jìn)入乙醇發(fā)酵途徑；半纖維素是由多種多糖分子組成的支鏈聚合物，不同來源的半纖維素其單糖的組成各異；經(jīng)測算，木質(zhì)纖維素原料中半纖維素組分的有效利用有可能使乙醇燃料的生產(chǎn)成本降低 25%，這主要是木糖的作用；利用產(chǎn)纖維素酶的微生物或纖維素酶先將纖維素水解成可發(fā)酵性糖，再利用酵母將其發(fā)酵成乙醇； 產(chǎn)纖維素酶的微生物有真菌、酵母菌和細(xì)菌； 典型的真菌產(chǎn)纖維素酶是由葡聚糖內(nèi)切酶、葡聚糖外切酶、 葡萄糖苷酶 3 個(gè)主要成分組成的誘導(dǎo)型復(fù)合酶系； 葡聚糖內(nèi)切酶和葡聚糖外切酶主要溶解纖維素，葡萄糖苷酶主要將纖維二糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖， 當(dāng) 3 個(gè)主要成分的活性比例適當(dāng)時(shí)，就能完成纖維素的降解；一般地，嗜熱厭氧細(xì)菌

5、在生長速度和纖維素代謝速度上比其他菌株快，3同時(shí)它所產(chǎn)生的纖維素酶的穩(wěn)固性也有很大的提高；二木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝木質(zhì)纖維素制備生物乙醇的基本工藝可以分為預(yù)處理、水解、發(fā)酵和純化等四部分；預(yù)處理的目的是去除阻礙糖化和發(fā)酵的生物質(zhì)內(nèi)在結(jié)構(gòu)，粉碎木質(zhì)素對纖維素的愛護(hù)， 破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)， 使之與生物酶充分接觸， 取得良好的水解成效；評估預(yù)處理方法的有效性有以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：預(yù)處理工藝前無須對原料進(jìn) 行粉碎處理； 可以保留半纖維素中的戊糖結(jié)構(gòu)；有效限制對發(fā)酵過程具有抑制作 用的物質(zhì)產(chǎn)生； 能源消耗低等； 水解過程是利用酸或酶水解聚合物，使之成為可溶性的單糖； 目前， 酶水解以其較高的轉(zhuǎn)化率 接

6、近理論值 ，被認(rèn)為是最具商業(yè)前景的水解方法； 發(fā)酵過程： 對水解產(chǎn)物 五碳糖和六碳糖 進(jìn)行發(fā)酵，獲得乙醇；純化處理：通過蒸餾、過濾等手段，獲得純潔的乙醇；在這四部分中， 預(yù)處理過程是生物質(zhì)制備乙醇商業(yè)化的關(guān)鍵步驟，是整個(gè)制備過程中最昂貴的步驟之一， 對其之前的原料尺寸處理和其之后的酶水解與發(fā)酵過程都有很大的影響， 如預(yù)處理成效好， 水解過程中酶用量就少， 并且無須使用價(jià)格較高的酶； 木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)水解后獲得的糖組分主要的是葡萄糖，仍包括木糖、半乳糖、樹膠醛糖等可溶性的低聚糖；此外，水解過程產(chǎn)生的一些酸、 醛等也會(huì)影響發(fā)酵過程中微生物的活性；1. 木質(zhì)纖維素的預(yù)處理由于木質(zhì)纖維素的組成成分復(fù)

7、雜、穩(wěn)固， 使得其生物降解難于快速進(jìn)行；木質(zhì)素雖然對纖維素分解物質(zhì) （如酶等） 反應(yīng)沒有阻礙作用， 但它阻擋纖維素分解物對纖維素的作用， 因此人們不得不借助化學(xué)的、物理的方法進(jìn)行預(yù)處理， 使纖維素與木質(zhì)素、 半纖維素等分別開； 使纖維素內(nèi)部氫鍵打開， 使結(jié)晶纖維素成為無定型纖維素，以及進(jìn)一步打斷部分 -1,4-糖苷鍵，降低聚合度；半纖維素被 水解成木糖、 阿拉伯糖等單糖； 經(jīng)預(yù)處理后， 有的纖維素的酶法降解速率甚至可以與淀粉水解相比；4表 3 木質(zhì)纖維素材料的預(yù)處理方法方法例證熱機(jī)械法碾磨，粉碎，抽提自動(dòng)水解法蒸汽爆破、超臨界co2 爆破酸處理法稀酸（ h2so4，hcl），濃酸（ h2so4

8、 ，hcl），乙酸等堿處理法naoh，堿性過氧化氫，氨水有機(jī)溶劑處理法甲醇，乙醇，丁醇，苯生物法木素過氧化物酶， mg依靠過氧化物酶2. 纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇纖維素是一種有 100-1000 個(gè)-d- 吡喃型葡萄糖單體以 -1,4- 糖苷鍵連接的直鏈多糖， 多個(gè)分子平行緊密排列成絲狀不溶性微小纖維； 在工業(yè)上， 纖維素經(jīng)酸解或酶解預(yù)處理后，釋放出的葡萄糖可進(jìn)入乙醇發(fā)酵途徑；3. 木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇4. 發(fā) 酵 方 式 1）直接發(fā)酵法：基于纖維分解細(xì)菌直接發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇，不需要經(jīng)過酸解或酶解前處理過程；特點(diǎn)是設(shè)備簡潔，成本低廉；但乙醇產(chǎn)率不高，產(chǎn)生有機(jī)酸等副產(chǎn)物；52）間接發(fā)酵法：先用纖維素酶水

9、解纖維素，酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源；乙醇產(chǎn)物的形成受末端產(chǎn)物抑制和低細(xì)胞濃度以及基質(zhì)抑制；為了克服乙醇產(chǎn)物的抑制，必需不斷的從發(fā)酵罐中移出； 3）混合菌種發(fā)酵：采納氣升柱發(fā)酵木糖和溢流柱發(fā)酵葡萄糖的串聯(lián)發(fā)酵工藝； 串聯(lián)發(fā)酵是第一經(jīng)p.s 酵母的限氧發(fā)酵后，再經(jīng)s.c 的厭氧過程而終止； 4）同時(shí)糖化發(fā)酵法（ ssf法）：在同一個(gè)反應(yīng)罐中進(jìn)行纖維素糖化和乙醇發(fā)酵的同步糖化發(fā)酵法； 這樣水解產(chǎn)物葡萄糖由菌體的不斷發(fā)酵而被利用，排除了葡萄糖因基質(zhì)濃度對纖維素酶的反饋抑制作用；5）非等溫同時(shí)糖化發(fā)酵（nssf法）：在纖維素酶糖化過程中，纖維素酶的最適 溫度為 50左右，而酵母發(fā)酵的掌握溫度是31-38 ；利用 nssf法很好地解決了纖維素酶糖化與酵母發(fā)酵兩個(gè)過程中溫度不和諧的沖突； 6）固定化細(xì)胞發(fā)酵：固定化細(xì)胞發(fā)酵具有能使發(fā)酵器內(nèi)細(xì)胞濃度提高，細(xì)胞可連續(xù)使用，使最終發(fā)酵液乙醇