降低木質(zhì)纖維素燃料乙醇生產(chǎn)成本的分析_吳連禎

1、降低木質(zhì)纖維素燃料乙醇生產(chǎn)成本的分析吳連禎, 林 鹿(華南理工大學(xué) 資源科學(xué)與工程系 , 廣東廣州510640摘 要 :自然界最豐富的可再生資源木質(zhì)纖維素經(jīng)過轉(zhuǎn)化可以制取新能源 燃料乙醇,為解決當(dāng)前的能源危機(jī) 、 糧食危機(jī)和環(huán)境危機(jī)提供了一條出路 。 由于成本方面限制的原因, 纖維素乙醇目前并沒有完全商業(yè)化 。 從原料 、 預(yù)處理 、 纖維素酶 、 發(fā)酵和蒸餾 、 生物精煉等方面分析了降低纖維素乙醇成本的可行性 。 關(guān)鍵詞 :新能源; 燃料乙醇; 木質(zhì)纖維素; 成本 中圖分類號(hào) :TS262.2; TS261.4; TQ353; Q556文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :1001-9286(2009

2、 05-0099-06Analysis of Reducing Production Cost of Fuel Ethanol by LignocelluloseWU Lian-zhen and LIN Lu(Departmentof Resource Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China Abstract :As the most aboundant renewable resource on the planet, lignocell

3、ulose could be used to produce the new energy-fuel ethanol, which provides a solution to the existing energy crisis, food crisis and environment crisis. However, lignocellulosic ethanol has not achieved complete commercialization yet due to high production cost. In this paper, the feasibility of the

4、 programs to reduce production cost of lignocellulosic ethanol from the aspects of raw materials, pretreatment, cellulase, fermentation, distillation and biorefining was analyzed. Key words :new energy resources; fuel ethanol; lignocellulose; cost基金項(xiàng)目 :國家自然科學(xué)基金 (50776035, U0733001 、 教育部博士點(diǎn)基金 (200705

5、61038 和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研究計(jì)劃 (IRT0552 、 863計(jì)劃 (2007AA05Z408和國家科技支持計(jì)劃 (2007BAD34B01 資助項(xiàng)目 。收稿日期 :2009-03-18作者簡介 :吳連禎 (1982-, 男 , 碩士 , 山東泰安人 , 主要從事植物資源轉(zhuǎn)化與生物質(zhì)化工研究工作 。 通訊作者 :早期木質(zhì)纖維素乙醇的研究主要是采用酸法水解纖 維素原料成單糖 , 然后通過酵母發(fā)酵得到乙醇 , 但酸法水 解要消耗大量的酸 、 對(duì)反應(yīng)設(shè)備要求高 、 能耗高 , 且不符 合未來社會(huì)綠色化學(xué)的發(fā)展方向 。 酶法水解發(fā)酵制取燃 料乙醇是當(dāng)前主流的研究方向 。 圖 1為酶法水解木質(zhì)纖 維素原料

6、制取乙醇的簡單流程圖 。 與酸法水解相比 , 酶法 水解條件溫和 、 不生成有毒降解物 、 糖得率高 、 設(shè)備投資 低 , 符合未來的發(fā)展方向 。 由于生產(chǎn)成本方面的原因 , 纖維素乙醇始終沒有完全商業(yè)化 。 文章綜述了從原料 、 預(yù)處 理 、 纖維素酶 、 發(fā)酵和蒸餾 、 生物精煉這些主要方面降低 成本的可行性分析 。1降低原料成本的分析木質(zhì)纖維素原料的來源廣泛 , 包括各種林木與草類 、農(nóng)業(yè)廢棄物 、 林業(yè)廢棄物 、 工業(yè)廢棄物及城市生活廢棄物 等 7,910。 原料本身的成本并不高 (如目前玉米秸稈 60元/t左右 , 但由于原料的收集 、 運(yùn)輸 、 儲(chǔ)存等都需要一定的成本 , 因此最終

7、的原料成本會(huì)漲到 200300元 /t。 為了 降低原料成本 , 首先生產(chǎn)工廠的選建應(yīng)該考慮原料就近 、圖 1酶法水解木質(zhì)纖維素原料制取燃料乙醇的流程圖 7釀酒科技 2009年第 5期 (總第 179期 ·LIQUOR -MAKING SCIENCE &TECHNOLOGY 2009No . 5(Tol . 17999釀酒科技 2009年第 5期 (總第 179期 ·LIQUOR -MAKING SCIENCE &TECHNOLOGY 2009No . 5(Tol . 179規(guī)模適度的原則 11。 一定規(guī)模的生產(chǎn)工廠可以合理有效 地利用資源 , 發(fā)揮規(guī)模優(yōu)勢

8、 。 但規(guī)模的不斷擴(kuò)大 , 原料成 本 也 會(huì) 增 加 12。 2002年 , 美 國 國 家 再 生 能 源 實(shí) 驗(yàn) 室 (NREL 的技術(shù)報(bào)告分析得出了一個(gè)以玉米秸稈為原料 的工廠 , 合理規(guī)模為日處理秸稈 20004000t 13。 收集方 式也是影響原料成本的重要方面 。 Petrolia 12分析認(rèn)為原 料在切碎后收集將比直接打捆收集更能節(jié)省成本 , 以一 個(gè)年產(chǎn) 0.189hm 3的乙醇工廠為例 , 原料在切碎后收集比 直接打捆收集成本 1t 少 12美元 , 而且工廠規(guī)模擴(kuò)大后 , 效果更為明顯 。 此外 , 借助后續(xù)工藝 , 增加原料的單位產(chǎn) 值也是降低原料成本的重要手段 。

9、以玉米秸稈為例 , 國外 4t 秸稈可生產(chǎn) 1t 乙醇 , 而國內(nèi)需要 6t 秸稈才能生產(chǎn) 1 t 乙醇 , 原料成本優(yōu)勢由此可見 。不同原料的組成成分有明顯的差別 , 生產(chǎn)燃料乙醇 所主要利用的纖維素和半纖維素盡可能高 , 木質(zhì)素盡可 能低 , 將有助于隨后的預(yù)處理以及水解發(fā)酵的過程 , 提高 產(chǎn)率 , 整體上降低最終成本 。 從此種意義上說 , 在原料選 擇上 , 應(yīng)該盡可能地選用纖維素和半纖維素含量高 、 木質(zhì) 素含量低的原料 。 原料的選擇最初將是以較低成本的廢 棄物原料為主 , 而當(dāng)下游技術(shù)瓶頸突破 、 成熟以后 , 應(yīng)開 發(fā)一個(gè)以能源作物為主的綜合原料供應(yīng)系統(tǒng) 14。 這些能 源作

10、物需要很少的投入?yún)s有很高的產(chǎn)量 , 而且不與糧食 作物爭地 。 通過基因技術(shù) , 還可以改變這些作物的組分 , 增加纖維素 、 半纖維素這些高價(jià)值組分的含量 ; 改變作物 的性質(zhì) , 使其更易于后續(xù)的預(yù)處理和酶水解過程 , 最終降 低乙醇的生產(chǎn)成本 4,14。2降低原料預(yù)處理成本的分析原料預(yù)處理的目的是為了去除木質(zhì)素 、 半纖維素對(duì) 纖維素的保護(hù)作用 , 破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu) , 增加纖維素 的可接觸面積 , 以提高纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率 15。 目前 , 預(yù) 處理的成本在整個(gè)的生產(chǎn)成本中所占的比例是最高的 , 據(jù)估計(jì)可達(dá) 0.3美元 /加侖乙醇 , 對(duì)于整個(gè)的生產(chǎn)過程和 生產(chǎn)成本影響最大 16。

11、 如 Wyman 所說 4,“ 成本比預(yù)處理 更高的一步就是不處理 ”。 原料不經(jīng)預(yù)處理直接進(jìn)行水解 會(huì)使乙醇的最終得率會(huì)低于 20%。 原料的預(yù)處理方式有 很多 , Mosier 15認(rèn)為最有經(jīng)濟(jì)性以及未來前景的包括稀 酸預(yù)處理 、 蒸汽爆破預(yù)處理 、 控制 pH 的熱水預(yù)處理 、 石 灰和氨處理 。 Eggeman 17等人分析了在同等條件下以不 同的方式預(yù)處理玉米秸稈對(duì)乙醇成本的影響 , 得出結(jié)論 認(rèn)為預(yù)處理成本 :稀酸法 <氨爆破法 <石灰法 <氨循環(huán) 過濾法 <熱水法 。 對(duì)現(xiàn)行的處理方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化 , 提高預(yù)處理的效果 , 是降低成本的有效方式 。 Ni

12、cholas 18等人用稀硫酸通過單步批式預(yù)處理白楊木屑 , 然后固液 分離 , 固體在 130150 下洗滌后 , 以 SSF 工藝水解發(fā) 酵 , 結(jié)果表明與未經(jīng)分離及洗滌的原料相比 , 乙醇產(chǎn)量增 加了 50%, 達(dá)到同樣乙醇產(chǎn)量的反應(yīng)時(shí)間降低了 43%。 Moiser 19等人用控制 pH 的熱水法處理玉米秸稈 , 反應(yīng)器 中原料占 16%, 190 下處理 15min , 乙醇的產(chǎn)量達(dá)到 理論產(chǎn)量的 88%。 Teymouri 20等人確定了氨爆破法處理 玉米秸稈的最佳條件為 :90 , 原料濕度 60%, 1kg 絕 干原料氨用量 1kg , 處理時(shí)間 5min 。 Kim 21等人

13、分析了 不同條件下石灰預(yù)處理玉米秸稈的效果后認(rèn)為 , 通風(fēng)的 條件下 , 溫度為 55 , 處理 4個(gè)星期時(shí)較為理想 , 經(jīng)過此 條件處理的原料 , 以 15FPU/g纖維素的酶用量水解 , 葡 萄糖和木糖的產(chǎn)率分別達(dá)到 93.2%和 79.5%。但是 , 這些預(yù)處理方式也都存在一些缺點(diǎn) 1516,22。 如 應(yīng)用稀酸處理需要耐腐蝕性的反應(yīng)器 , 水解液需要進(jìn)行 酸的中和 ; 蒸汽爆破和熱水處理對(duì)設(shè)備要求高 , 處理過程 會(huì)產(chǎn)生一些糖降解產(chǎn)物如糠醛 、 5-羥甲基糠醛 (HMF 等 , 而這些產(chǎn)物會(huì)抑制隨后微生物對(duì)糖的發(fā)酵 ; 石灰預(yù)處理 需要進(jìn)行很長的時(shí)間等 。 采取多種預(yù)處理方式的聯(lián)用 ,

14、 相 互取長補(bǔ)短 , 也許是未來預(yù)處理更有效 、 低成本的重要手 段 。 如將蒸汽爆破與酸催化劑結(jié)合 , 相比單獨(dú)的蒸汽爆 破 , 可以降低反應(yīng)時(shí)間和溫度 , 減少抑制劑的生成 , 改善 酶處理的效果 , 被認(rèn)為是一種最接近于商業(yè)化的預(yù)處理 技術(shù) 7。 目前這種技術(shù)在美國 NREL 和瑞典 SEKAB 的中 試工廠都進(jìn)行了廣泛試驗(yàn) , 并且應(yīng)用到了加拿大 Iogen 公司的示范工廠中 7。在我國中科院布局的纖維素乙醇項(xiàng)目中 , 原料預(yù)處 理成本目標(biāo)是低于 0.1美元 /加侖乙醇 。 但不管采用何種 預(yù)處理方式 , 為了節(jié)省成本 , 都應(yīng)該把藥品和水的使用 , 能量的輸入減到最低 。 此外 ,

15、在降低預(yù)處理成本的同時(shí)還 應(yīng)兼顧后續(xù)工藝 , 不以增加后續(xù)工藝的成本為代價(jià) 。3降低纖維素酶成本的分析在整個(gè)的成本中 , 纖維素酶所占的成本也是相對(duì)較 高的 。 對(duì)纖維素酶高產(chǎn)菌進(jìn)行篩選和誘變育種 , 改進(jìn)纖維 素酶的生產(chǎn)技術(shù) , 提高纖維素酶的產(chǎn)量 ; 改善纖維素酶的 性能以及選擇合理的酶系組成 , 提高酶的比活性 ; 循環(huán)利 用纖維素酶 , 這些方式都可以降低纖維素酶的成本 。 3.1選育纖維素酶高產(chǎn)菌株, 改進(jìn)纖維素酶生產(chǎn)技術(shù) 絲狀真菌是纖維素酶最主要的來源 , 其中木霉屬 (里 氏木霉 、 綠色木霉等 是目前應(yīng)用最多 、 最有效的產(chǎn)酶菌 株 23。 一般從自然界篩選分離的野生菌株產(chǎn)酶能

16、力比較 低 。 為了提高菌種的纖維素酶產(chǎn)量以及所產(chǎn)纖維素酶的 活力 , 誘變育種是一個(gè)有效的途徑 。 林英 24等以綠色木酶 F264為出發(fā)菌株制備其原生質(zhì)體 , 經(jīng)紫外誘變處理 , 篩100選出 1株纖維素酶高產(chǎn)突變綠色木酶 F -UV264, 其產(chǎn)酶 能力和濾紙酶活都增加了約 3倍 。 利用基因組重組技術(shù) 進(jìn)行菌株的選育是近年來提出的一種新的方法 , 這種方 法可以更為快速和高效的篩選出優(yōu)良菌株 。纖維素酶的生產(chǎn)方式包括液體發(fā)酵和固體發(fā)酵兩 種 。 固體發(fā)酵法投資少 , 工藝簡單 , 產(chǎn)品價(jià)格低廉 。 然而固 體發(fā)酵法生產(chǎn)的纖維素酶很難提取 、 精制 。 液體發(fā)酵培養(yǎng) 條件容易控制 , 不

17、易染雜菌 , 生產(chǎn)效率高 , 雖然其動(dòng)力消 耗大 , 設(shè)備要求高 , 仍然具有廣闊的前景 。 任何菌種發(fā)酵 都有自己最佳的發(fā)酵條件 。 pH 值 、 溫度 、 通氧量 、 接種量 、 發(fā)酵時(shí)間 、 培養(yǎng)基成分及配比對(duì)纖維素酶的產(chǎn)量都有影 響 , 因此在選擇合理發(fā)酵工藝的同時(shí) , 應(yīng)該優(yōu)化培養(yǎng)條 件 , 這對(duì)于提高酶活 、 降低生產(chǎn)成本是很重要的 。3.2改善纖維素酶的性能 、 選擇合理的纖維素酶系 在對(duì)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上 , 利用基因工程 改善纖維素酶的性能 2528, 包括增強(qiáng)在不同溫度及 pH 值 下的穩(wěn)定性 , 提高抵抗水解終產(chǎn)物抑制的能力 , 提高酶的 比活性從而降低水解底物所

18、需要的單位用酶量 , 將有助 于纖維素酶成本的降低 。 Teter 等 29利用定點(diǎn)突變 、 定向 飽和突變 、 PCR 擴(kuò)增和 DNA 分子進(jìn)化 , 產(chǎn)生了里氏木酶 的變種 , 突變株在酵母中表達(dá) , 選育后其熱穩(wěn)定性和熱活 性都超過了母體 。 Bower 30介紹了將不同菌種的內(nèi)切酶引 入 里 氏 木 霉 纖 維 素 酶 的 方 法 。 把 Acidothermus cellu -lolyticus 的 GH5A 蛋白 , 融合到里氏木酶的纖維二糖酶 中后 , 發(fā)現(xiàn)在纖維素的糖化過程中重組酶具有更高的活 性 , 結(jié)果顯示 6h 達(dá)到 20%的纖維素轉(zhuǎn)化率 , 而用母本 的纖維素酶則需要 1

19、0h 。 在結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上 , 引入或突變與水解相關(guān)的保守性氨基酸殘基 , 可以提高 酶的活性 。 -葡萄糖苷酶能水解纖維二糖為葡萄糖 , 對(duì) 于反應(yīng)的徹底完成有重要作用 。 Kim 31等人利用原位活 性染色法從 Aspergillus fumigatus 中 分 離 出 了 一 種 新 的 -葡萄糖苷酶 , 經(jīng)過基因編碼和異源表達(dá) , 使其具有了 比典型 Aspergillus niger 和 Aspergillus oryzae -葡萄 糖 苷酶更高的熱穩(wěn)定性 。纖維素酶由內(nèi)切葡聚糖酶 、 外切葡聚糖酶 、 -葡萄 糖苷酶 3種不同的組分組成 , 3種類型的酶在水解過程 中有不

20、同的功能 , 纖維素的水解大多是由 3種酶協(xié)同作 用完成的 , 任何類型酶的缺失都會(huì)對(duì)水解產(chǎn)生不利的影 響 。 如里氏木霉是一種高效的產(chǎn)酶菌種 , 但由于其較低的 -葡萄糖苷酶活 , 降低了水解木質(zhì)纖維素的能力 32, 因此 補(bǔ)充額外的 -葡萄糖苷酶活成為提高酶解效率的有效 方式 。 酶系比例的不當(dāng)對(duì)于水解也會(huì)產(chǎn)生不利影響 , 選擇 及組合對(duì)水解有最大影響的酶類型 , 可以促進(jìn)纖維素的 有效水解以及酶的合理利用 , 降低成本 33。 目前市場上的 商業(yè)酶大多就是活性最大 、 配比合理的酶復(fù)合物 。 3.3纖維素酶的循環(huán)利用纖維素酶作為一種催化劑 , 決定了其具有可以循環(huán) 利用的性質(zhì) 。 纖維素

21、酶的循環(huán)利用可以降低酶的成本 , 但 隨著利用次數(shù)的增多 , 纖維素酶的活性會(huì)逐漸降低 , 而且 纖維素酶的吸附能力和原料中的木素對(duì)循環(huán)利用的次數(shù) 也有影響 3435。 纖維素酶的循環(huán)利用也可以通過纖維素 酶的固定化來實(shí)現(xiàn) 。 固定化酶與水溶性酶相比 , 具有下列 優(yōu)點(diǎn) :(1極易將纖維素酶與底物 、 產(chǎn)物分開 ; (2可在較長 時(shí)間內(nèi)反復(fù)進(jìn)行分批反應(yīng)和裝柱連續(xù)反應(yīng) ; (3可提高纖 維素酶的穩(wěn)定性和使用率 ; (4產(chǎn)物溶液中酶的殘留較 少 , 簡化了提純工藝 。杰能科和諾維信是國際上兩大主要的酶制劑生產(chǎn) 商 。 在 NREL 的資助下 , 兩家公司都已經(jīng)將生產(chǎn) 1加侖 燃料乙醇所需纖維素酶生

22、產(chǎn)成本從 2001年 5美元的水 平降到大約 0.2美元 , 而且他們計(jì)劃能使纖維素酶的成 本繼續(xù)降低至 0.1美元以下 6。 為了促進(jìn)纖維素酶成本的 降低 , 應(yīng)該加大對(duì)反應(yīng)機(jī)理的研究 , 更好地認(rèn)識(shí)反應(yīng)機(jī) 理 , 將有助于更好地降低成本 。4降低發(fā)酵和蒸餾成本的分析木質(zhì)纖維素水解后能產(chǎn)生戊糖和己糖兩種不同的單 糖 , 其中纖維素水解產(chǎn)生葡萄糖 ; 半纖維素水解產(chǎn)生木糖 (陸生植物占 60%90%、 阿拉伯糖等戊糖 , 甘露糖 、 半 乳糖 、 葡萄糖等己糖 16。 普通的釀酒酵母很難將戊糖發(fā)酵 為乙醇 , Hinman 36等人曾分析了木材制乙醇過程中木糖 利用與否對(duì)生產(chǎn)成本的影響 , 結(jié)

23、果表明木糖被利用后可 使生產(chǎn)成本由 1.65美元 /加侖降至 1.23美元 /加侖 。 因 此 , 戊糖的利用成為降低乙醇成本的重要一項(xiàng) 3637。 選擇 合理的發(fā)酵工藝 , 并對(duì)工藝中不利于發(fā)酵的因素加以改 善 , 可促進(jìn)成本的降低 。 發(fā)酵完成后需要對(duì)乙醇進(jìn)行純 化 , 改善純化過程對(duì)于降低成本也是必要的 。4.1構(gòu)建混合糖發(fā)酵菌理想的纖維素乙醇發(fā)酵菌應(yīng)能發(fā)酵所有水解產(chǎn)生的 糖 , 具有對(duì)木素單體 、 乙酸和其他抑制性副產(chǎn)物的良好抗 性 , 并在同步發(fā)酵工藝中與纖維素酶有協(xié)同作用 8。 混合 菌株構(gòu)建的代謝工程可以通過兩種方法進(jìn)行 。 一種是從 能 夠 利 用 廣 泛 底 物 的 微 生

24、物 , 如 大 腸 桿 菌 出 發(fā) (Es -cherichia coli , 利用其本來就有的戊糖利用能力 , 通過基 因工程改善其產(chǎn)物的選擇性及其他同合成產(chǎn)物相關(guān)的特 性 8。 大腸桿菌等能有效地利用木質(zhì)纖維素材料的水解 生成的所有糖組分 , 對(duì)乙醇也有一定耐性 。 但大腸桿菌缺 少高活力的乙醇產(chǎn)生酶系 , 而且糖酵解過程產(chǎn)生的副產(chǎn) 物較多 (主要為有機(jī)酸 。 早在 1987年 , Ingram 38就利用運(yùn)吳連禎, 林 鹿 ·降低木質(zhì)纖維素燃料乙醇生產(chǎn)成本的分析 101釀酒科技 2009年第 5期 (總第 179期 ·LIQUOR -MAKING SCIENCE &a

25、mp;TECHNOLOGY 2009No . 5(Tol . 179動(dòng)發(fā)酵單胞菌 (Zymomonas mobilis 中的高活力丙酮酸脫 氫酶 (PDC和乙醇脫氫酶基因 (ADHII構(gòu)建了 PET 操縱 子 , 并將該操縱子導(dǎo)入大腸桿菌中表達(dá) , 結(jié)果大腸桿菌工 程菌株的乙醇產(chǎn)量得到了極大的提高 。 當(dāng)前眾多在大腸 桿菌上開展的代謝工程也取得了很大成功 23。另一種方法是從已有很高產(chǎn)物選擇性和其他產(chǎn)物合 成 特 性 的 乙 醇 發(fā) 酵 菌 株 , 如 釀 酒 酵 母 (Saccharomyces cerevisiae 和運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌 (Zymomonas mobilis 出發(fā) , 通過代謝

26、工程手段賦予其利用戊糖發(fā)酵的能力 8。 運(yùn)動(dòng) 發(fā)酵單胞菌具有高效 、 快速轉(zhuǎn)化己糖為乙醇的能力 , 乙醇 產(chǎn)量可以比普通酵母發(fā)酵高 5倍 22, 但由于自身缺少必 要的代謝途徑而使其無法利用木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)生的木 糖等戊糖成分 。 Mohagheghi 39等將代謝木糖 、 阿拉伯糖的 7個(gè)必需酶的基因整合近 z.mobilis 的染色體上的特異位 點(diǎn) -乳酸脫氫酶基因 (l dh 中 , 構(gòu)建菌株具有利用戊糖的 能力 , 發(fā)酵混合糖的乙醇產(chǎn)率達(dá)到理論值的 84%, 同時(shí) 減少了副產(chǎn)物乳酸的形成 。 釀酒酵母是傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵 生產(chǎn)菌株 , 具有很高的發(fā)酵速率和乙醇耐性 23, 但現(xiàn)有的 工 業(yè)

27、 菌 株 都 不 能 利 用 木 糖 等 戊 糖 。 Kuyper 40等 將 Piromyces XYLA 的木糖異構(gòu)酶基因在釀酒酵母中表達(dá) , 得到的菌株發(fā)酵木糖和葡萄糖混合物的能力比釀酒酵母 提高了 2倍 。此外 , 為提高菌株的性能 , 誘變和馴化也是有效的手 段 。 Wahlbom 4142等將染色體重組釀酒酵母 TMB3399經(jīng) 誘變后得到了木糖發(fā)酵性能更好的 TBM3400, 成為代謝 工程和誘變技術(shù)結(jié)合的良好范例 。 不同的原料 、 不同的處 理過程產(chǎn)生不同的戊糖和己糖的比例 , 不同糖比例 , 如木 糖含量較高的混合糖液中 , 利用 P.stipitis 發(fā)酵 , 乙醇得率

28、較高 。4.2改善發(fā)酵工藝早期采用的是分步水解發(fā)酵工藝 (SHF , 纖維素水 解和水解液的乙醇發(fā)酵分別在不同的容器內(nèi)進(jìn)行 , 但由 于纖維二糖和葡萄糖對(duì)水解過程的抑制大大增加了纖維 素酶的成本 , 于是開發(fā)了同步糖化發(fā)酵工藝 (SSF , 即纖 維素水解和水解液的乙醇發(fā)酵在同一個(gè)容器中進(jìn)行 , 水 解產(chǎn)生的葡萄糖馬上被酵母所利用 , 消除了葡萄糖和纖 維二糖濃度的增加對(duì)纖維素酶的抑制作用 。 與 SHF 工藝 相比 , SSF 工藝可以提高約 40%的乙醇產(chǎn)量 , 而且減少 了反應(yīng)所需的設(shè)備 43。 但這種工藝存在的主要問題是纖 維素酶解和乙醇發(fā)酵的溫度不一致 。 選擇合適的發(fā)酵菌 株成為關(guān)

29、鍵 。 后來由同步糖化發(fā)酵法 (SSF 衍生出了同 步糖化共發(fā)酵法 (SSCF , 即戊糖和己糖在同一個(gè)容器內(nèi) 共同發(fā)酵為乙醇 , 進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)化效率 , 降低了成本 。 近年來又出現(xiàn)了一種具有誘人前景的新工藝 -聯(lián)合生物 工藝 (CBP, 它是把纖維素酶的生產(chǎn) 、 纖維素水解 、 糖的發(fā) 酵結(jié)合在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)完成 。 這種方式簡化了工藝 , 減少 了反應(yīng)容器 8。 由于沒有了纖維素酶的生產(chǎn)問題 , 與最理 想條件下酶生產(chǎn) 、 纖維素水解和糖發(fā)酵成本為 0.189美 元 /加侖的 SSCF 工藝相比 , CBP 用于纖維素水解和糖 發(fā)酵的成本僅為 0.042美元 /加侖 44。4.3改進(jìn)純化

30、過程車 用 燃 料 乙 醇 要 求 乙 醇 的 濃 度 達(dá) 到 99.5%vol以 上 , 一 般 發(fā) 酵 液 中 的 乙 醇 濃 度 低 于 20%vol, 需 要 進(jìn) 行 提純 。 傳統(tǒng)的乙醇純化主要是蒸餾法 , 當(dāng)乙醇濃度達(dá)到 95%vol時(shí) , 由于共沸點(diǎn)的存在 , 必須進(jìn)行二次蒸餾 。 以 苯作脫水劑的共沸蒸餾最具有代表性 。 膜化學(xué)分離法是 很有發(fā)展前景的提純新技術(shù) , 但應(yīng)用還不是很廣泛 。 蒸餾 過程中耗費(fèi)大量的能量 , 為了減少蒸餾過程中的能量輸 入 , 發(fā)酵液中乙醇的濃度應(yīng)盡可能高 。5生物精煉以降低生產(chǎn)成本的分析現(xiàn)代成功的石油化工及糧食乙醇產(chǎn)業(yè)精煉技術(shù)證 明 , 充分利用

31、木質(zhì)纖維素原料的各種組分 , 盡可能地提升 和拓展原料各組分的經(jīng)濟(jì)價(jià)值 , 聯(lián)合生產(chǎn)乙醇和部分高 值產(chǎn)品的生物精煉技術(shù) , 是實(shí)現(xiàn)纖維素乙醇商業(yè)化的重 要突破口 , 也是纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然方向 45。 木素 是木質(zhì)纖維素原料的重要組成部分 , 占原料的 10%25 %, 目前木素主要是作為燃料使用 , 經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低 。 通過 改性后 , 木素可變?yōu)榫哂懈邇r(jià)值的混凝土減水劑 、 水處理 劑 、 水煤漿分散劑等產(chǎn)品 。 木素也是 DMSO 、 苯酚 、 乙烯 等的天然化學(xué)前體 , 還可以用來生產(chǎn)膠黏劑 、 碳纖維等眾 多產(chǎn)品 5, 16。 半纖維素水解生成的低聚糖可用作飼料添加 劑 , 生成

32、的木糖除了可以發(fā)酵為乙醇 , 還可用來生產(chǎn)木糖 醇 、 糠醛和呋喃樹脂等 5, 16。 纖維素水解生成的葡萄糖 , 可 部分用于生產(chǎn)乙酰丙酸 、 蟻酸等高價(jià)值的有機(jī)酸 。 圖 2是 對(duì)玉米秸稈乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展單一產(chǎn)品以及多種產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì) 性分析 , 可以看出發(fā)展多種產(chǎn)品遠(yuǎn)比發(fā)展單一產(chǎn)品有經(jīng) 濟(jì)可行性 。其中 , 玉米秸稈共含有 361kg 葡萄糖 、 241kg 木糖 、 36kg 阿拉伯糖等少量其他多糖 、 208kg 木素和 32kg 乙 酸 。 預(yù)處理和水解得到的糖為總糖的 90%; 戊糖和己糖 發(fā)酵生成的乙醇為理論產(chǎn)量的 85%和 90%; 乙醇 1.50美元 /加侖 、 乙酸 1.00美元

33、 /kg、 高值化木素 1.10美元 /kg、 燃燒用木素 0.04美元 /kg、 木糖 1.20美元 /kg。 Sim-ple 表示所有糖轉(zhuǎn)化為乙醇 , 所有木素作為燃料使用 。 Partial 表示所有糖轉(zhuǎn)化為乙醇 , 木素一半用做燃料 , 一半 用做聚合物材料 , 乙酸作為一種商品 。 Complete 表示葡 萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇 , 木糖和其他少量多糖轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧祷?02圖 2基于玉米秸稈的不同精煉模式的經(jīng)濟(jì)性分析 5產(chǎn)品 , 所有木素用作聚合物材料 , 乙酸作為一種商品 。 6結(jié)束語由于基于不同的原料 、 生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)規(guī)模等 , 目前 關(guān)于纖維素乙醇成本的報(bào)道略有差異 。 文獻(xiàn) 14提

34、到纖 維素乙醇的成本已由 4美元 /加侖以上降至 1.21.5美 元 /加侖 。 文獻(xiàn) 6分析得出的纖維素乙醇成本為 2.16美 元 , 分別低于當(dāng)時(shí)糧食乙醇和汽油價(jià)格 0.24美元 、 0.08美元 。 文獻(xiàn) 23中提到 , 原油價(jià)格在歐洲達(dá)到 70美元 /桶 , 在美國達(dá)到 5060美元 /桶 , 纖維素乙醇與汽油相 比就具有競爭力 。 當(dāng)前的石油價(jià)格 , 已使纖維素乙醇顯示 出了一定的競爭力 。 眾多商業(yè)化的工廠已經(jīng)建成或正在 建設(shè)中 , 纖維素乙醇實(shí)現(xiàn)商業(yè)化將指日可待 46。 但為了讓 燃料乙醇始終保持價(jià)格上的優(yōu)勢 , 防止石油價(jià)格波動(dòng)帶 來的負(fù)面影響 , 仍需要從各個(gè)環(huán)節(jié)考慮繼續(xù)壓縮

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