第五章-生物燃料乙醇剖析.ppt

1、第五章 生物燃料乙醇,乙醇俗稱酒精，是一種傳統(tǒng)的基礎有機化工原料，廣泛應用于有機化工、日用化工、食品飲料、醫(yī)藥衛(wèi)生等領域。隨著人類對能源需求的增加，乙醇作為汽車替代燃料越來越受到重視，全球生物燃料乙醇的發(fā)展已經(jīng)超過任何一種替代燃料。生物燃料乙醇主要由玉米、小麥、薯類等植物淀粉或糖蜜通過微生物發(fā)酵而來。近年來，用農(nóng)林廢棄物等植物纖維進行乙醇生產(chǎn)的研究成為全球生物質能研究的熱點。燃料乙醇作為內(nèi)燃機代用燃料具有獨特的優(yōu)勢。,5.1.1 物理性質,5.1 生物乙醇的燃料特性,5.1.2 化學性質,5.1.3 乙醇燃燒反應機理,5.1.4 乙醇的著火和燃燒特性,5.1.5 乙醇和汽油、柴油等內(nèi)燃機燃料比

2、較,5.2 乙醇生產(chǎn)原理,18世紀末，首次報道了乙醇的生產(chǎn)方法。但乙醇真正的工業(yè)化生產(chǎn)始于19世紀末，至今已有百余年歷史。乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)方法有兩種，即化學合成法和生物發(fā)酵法。 化學合成是以乙烯加水合成乙醇，該方法產(chǎn)生的雜質較多，且乙烯是石油的工業(yè)副產(chǎn)品，在石油日益短缺的情況下，該方法應用受到限制。 生物發(fā)酵法是以淀粉質原料、糖蜜原料或纖維素等原料，通過微生物代謝產(chǎn)生乙醇，該方法生產(chǎn)出的乙醇雜質含量較低，廣泛應用于飲料、食品、香精、調味品、化妝品和醫(yī)藥等工業(yè)。生物發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的基本過程可總結為：,我國乙醇年產(chǎn)量為300多萬噸，近年有逐漸增加的趨勢，僅次于巴西、美國，列世界第三位。其中，發(fā)酵法

3、占絕對優(yōu)勢，80%左右的乙醇用淀粉質原料生產(chǎn)，約10%的乙醇用廢糖蜜生產(chǎn)，以亞硫酸鹽紙漿廢液等纖維原料生產(chǎn)的乙醇占2%左右，化學合成法生產(chǎn)的乙醇僅占3.5%左右。隨著生物技術的發(fā)展及現(xiàn)實需求，以纖維素為原料的大規(guī)模乙醇發(fā)酵生產(chǎn)已經(jīng)提上議事日程，目前國內(nèi)已達到中試生產(chǎn)階段。,5.2.1 乙醇發(fā)酵微生物學,乙醇發(fā)酵過程中最關鍵的因素是產(chǎn)乙醇的微生物，生產(chǎn)中能夠發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的微生物主要有酵母菌和細菌。 目前工業(yè)上生產(chǎn)乙醇應用的菌株主要是釀酒酵母，這是因為它發(fā)酵條件要求粗放，發(fā)酵過程pH低，對無菌要求低，以及其乙醇產(chǎn)物濃度高（實驗室可達23%，v/v）。這些特點是細菌所不具備的。 細菌由于其生長條件溫

4、和，pH高于5.0，易染菌，而且除運動發(fā)酵單胞菌外，還存在安全方面的疑慮，其菌體能否作為飼料尚存疑問，細菌還易感染噬菌體，一旦感染了噬菌體將帶來重大經(jīng)濟損失。所以迄今為止，生產(chǎn)中大規(guī)模使用的仍是酵母。,酵母是典型的真核生物，一般具有以下五個特點： 個體一般以單細胞狀態(tài)存在； 多數(shù)為出芽繁殖，也有裂殖； 能發(fā)酵糖類； 細胞壁常含有甘露聚糖； 喜在含糖量較高、酸度較大的水生環(huán)境中生長。,5.2.1.1 酵母的一般性質,酵母的形狀和大小隨菌株的不同而異。,5.2.1.2 酵母的菌落,酵母一般都是單細胞微生物，且細胞都是粗短的形狀，在細胞間充滿著毛細管水，故它們在固體培養(yǎng)基表面形成的菌落，一般具有濕潤

5、、較光滑、有一定的透明度、容易挑起、菌落質地均勻以及正反面和邊緣、中央部位顏色都很均一等特點，且菌落較大、較厚、外觀較稠和較不透明。酵母菌落的顏色比較單調，多數(shù)都呈乳白色或礦燭色，少數(shù)為紅色，個別為黑色。另外，凡不產(chǎn)生假菌絲的酵母，其菌落更為隆起，邊緣十分圓整，而會產(chǎn)大量假菌絲的酵母，則菌落較平坦，表面和邊緣較粗糙，酵母的菌落一般會散發(fā)一股悅人的酒香味。,5.2.1.3 酵母的生長條件,（1） 溫度。酵母生存和繁殖的溫度范圍很寬，但是，其正常的生活和繁殖溫度是2930。在很高或很低的溫度下，酵母的生命活動消弱或停止。酵母發(fā)育的最高溫度是38，最低為-5；在50時酵母死亡。 （2）pH。酵母的生

6、長pH范圍較廣，為38，但最適生長pH為3.85.0。當pH降到4.0以下時，酵母仍能繼續(xù)繁殖，而此時乳酸菌已停止生長，酵母的這種耐酸性能被用來壓制和消除污染基質中細菌的生長，即將該培養(yǎng)料加酸調至pH3.84.0，并保持一段時間，在此期間酵母生長占絕對優(yōu)勢，細菌污染即可消除。,（3） 溶氧。釀酒酵母是兼性厭氧菌，在有氧無氧條件下均能生長，但有氧情況下生長的更好。在有氧時靠呼吸產(chǎn)能，無氧時借發(fā)酵或無氧呼吸產(chǎn)能。所以乙醇酵母在菌種生長起始通風培養(yǎng)，使種子快速生長，等長至對數(shù)期快結束時停止通風，進行厭氧培養(yǎng)，從而使細胞進行發(fā)酵產(chǎn)乙醇。,5.2.1.4 酵母的營養(yǎng)條件,（1） 碳源。釀酒酵母可利用的碳

7、源包括各種有機化合物中的碳，如葡萄糖、甘露醇、半乳糖和D-型果糖，但不能直接發(fā)酵木糖等五碳糖，然而，如果木糖轉化為木酮糖以后，就可被釀酒酵母利用生成乙醇。在缺乏六碳糖時，也能利用甘油、甘露醇、乙醇或其他醇類，有些有機酸（乳酸、乙酸、蘋果酸、檸檬酸）也可作為后備碳源。,酵母在發(fā)酵麥芽糖和蔗糖為乙醇前，這兩種雙糖要事先被酵母的相應的酶水解成單糖。當培養(yǎng)條件從厭氧轉換到有氧時，酵母發(fā)酵葡萄糖的能力減弱，但發(fā)酵蔗糖的能力提高1.5倍。酵母只有在培養(yǎng)基中沒有葡萄糖和果糖時，才發(fā)酵麥芽糖。 三羧酸循環(huán)的任何中間產(chǎn)物（丙酮酸、檸檬酸、琥珀酸、富馬酸、蘋果酸）都能被酵母利用并作為唯一碳源。 （2）氮源。釀酒酵

8、母能利用的氮有兩種形式：氨類和有機氮。酵母能有效地利用硫酸銨和磷酸銨、尿素和有機酸銨鹽（乙酸銨、乳酸銨、蘋果酸銨和琥珀酸銨）。在培養(yǎng)基中有可發(fā)酵性糖類存在時，這些銨鹽只作為酵母的氮源，但是氨基用完后，酸游離出來，這會引起pH改變。氨基酸既可以是酵母的氮源，,5.2.1.5 乙醇生產(chǎn)對酵母要求,同時又能成為它的碳源。當氨基被利用后，剩下的酮酸就可被酵母同化，作為碳源。 為了消化有機氮，許多酵母需要維生素（生物素、泛酸、硫胺素等）。酵母不能同化蛋白質、甜菜堿、嘌呤和乙胺型胺類等有機氮。肽是氨基酸鏈，介于氨基酸和蛋白質間，隨著肽鏈的增長及復雜性的增加，其利用率降低。,酵母的種類很多，能發(fā)酵產(chǎn)乙醇的菌

9、株也很多，但是能應用于生產(chǎn)的酵母菌株必須基本符合以下要求，即能快速并完全將糖分轉化為乙醇，有高的比生長速度，有高的耐乙醇能力，抵抗雜菌能力強，對培養(yǎng)基適應性強，不易變異。對于糖蜜發(fā),酵用酵母，除了以上特性外，還要具備以下性能，即要耐滲透壓能力強，耐酸耐溫能力強，對金屬特別是Cu2+的耐受性強，并且產(chǎn)生泡沫要少。,5.2.1.6 傳統(tǒng)乙醇生產(chǎn)中常用菌株,（1）南陽五號酵母（1300）。是河南天冠企業(yè)集團選育的菌株。菌落呈白色，表面光滑，邊緣整齊，質地濕潤。細胞呈橢圓形，少數(shù)臘腸型。能發(fā)酵麥芽糖、葡萄糖、蔗糖、1/3棉籽糖，不發(fā)酵乳糖、菊糖、蜜二糖。 （2）南陽混合酵母（1308）。菌落特征和利用

10、糖的情況和南陽五號酵母相同。細胞呈圓形，少數(shù)卵圓形。該酵母在含,單寧原料中乙醇發(fā)酵能力較強，變形少，產(chǎn)乙醇能力也強。 （3）拉斯2號（Rasse）酵母。又名德國2號酵母，細胞呈長卵形，較難形成子囊孢子。能發(fā)酵葡萄糖、蔗糖、麥芽糖，不發(fā)酵乳糖。在玉米醪中發(fā)酵特別旺盛，適用于淀粉質原料。 （4）拉斯12號（Rasse）酵母。又名德國12號酵母，細胞呈圓形或近卵圓形，較易形成孢子。細胞富含肝糖，在培養(yǎng)條件良好時無明顯的空泡。在麥芽汁培養(yǎng)基上形成灰白色菌落，中心凹陷，邊緣呈鋸齒狀。能發(fā)酵葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖、半乳糖和1/3棉籽糖，不發(fā)酵乳糖。,（5）K字酵母。從日本引進的菌種，細胞卵圓形，個體較

11、小，但生長迅速。適用于高粱、大米、薯類原料生產(chǎn)乙醇。,隨著生物技術的發(fā)展，目前各國的很多科研機構都在研究基因工程酵母、基因工程細菌等，目前也取得了一定成績。 1）細菌的乙醇發(fā)酵 少數(shù)假單胞菌（Pscudomonas）,如林氏假單胞菌（P.lindneri）能利用葡萄糖經(jīng)ED途徑進行乙醇發(fā)酵，總反應式為 C6H12O6+ADP+H3PO4 2CH3CH2OH+2CO2+ATP,5.2.1.7 其他乙醇發(fā)酵菌,在ED途經(jīng)中生成的2分子丙酮酸也是脫羧生成乙醛，乙醛還原生成乙醇。ED途徑是由部分EMP、部分HMP和兩個特有的酶促反應組成的，其中，兩個特征性酶分別為6-磷酸葡萄糖酸脫水酶和2-酮-3-脫

12、氧-6-磷酸葡萄糖酸醛縮酶。在末端假單胞菌中能使2分子丙酮酸脫羧，然后還原乙醛生成2分子乙醇和2分子CO2；而在其他假單胞菌中氫載體氧化后，生成1分子的乙醇、1分子乳酸和1分子CO2。 細菌乙醇發(fā)酵是20世紀70年代出現(xiàn)的，目前尚處于實驗階段。其特點是代謝速率快，發(fā)酵周期短，比酵母菌的乙醇產(chǎn)率高。該類細菌具有厭氧和耐高溫的特點，能利用各種糖類。工業(yè)上用于乙醇發(fā)酵的細菌有芽孢桿菌、運動發(fā)酵單胞菌、螺旋體菌、解淀粉桿菌、明串珠菌、耐熱厭氧菌和嗜熱芽孢桿菌等。,2) 工程酵母 釀酒酵母是第一個完成基因組測序的真核生物，其80%的基因功能都已經(jīng)獲知，遺傳操作性強。因此，許多科學工作者致力于應用生物技術

13、手段來改造釀酒酵母。,釀酒酵母最大的局限是不能直接利用生淀粉和寡糖，不能利用戊糖。 自1990年以來，有許多文獻報道在酵母中表達不同來源的-淀粉酶和糖化酶。 2004年Shigechi等報道利用細胞表面工程構建表達-淀粉酶和糖化酶的酵母，利用生淀粉發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。該酵母能在72h內(nèi)產(chǎn)生61.8g/L乙醇，是生玉米淀粉理論收率的86.5%。,1996年，Ho等通過將木糖還原酶（催化木糖生成木糖醇）、木糖醇脫氫酶（催化木糖醇生成木酮糖）和木酮糖激酶（催化木酮糖生成5-磷酸木酮糖）的基因通過載體轉入釀酒酵母，首次成功構建可以同時利用葡萄糖和木糖生產(chǎn)乙醇的工程酵母。 隨后又將上述3個基因的多拷貝整合到酵

14、母染色體上，得到了穩(wěn)定的工程酵母，可以在36h發(fā)酵每升含53g葡萄糖和56g木糖的混合發(fā)酵液產(chǎn)生50g/L乙醇。,3）工程細菌 如前所述，細菌作為乙醇生產(chǎn)菌有著一定的缺陷，但是細菌廣譜的底物利用能力使得它們在發(fā)酵木質纖維素水解液方面存在優(yōu)勢，而且它們利用戊糖的速度有時甚至同利用己糖一樣快，其菌體生成量少，使得它們有較高的乙醇轉化率。 運動發(fā)酵單胞菌與酵母相比產(chǎn)生菌體量少，其乙醇轉化率高5%10%，乙醇生產(chǎn)率是酵母的2.5倍，其乙醇耐受力可達120g/L，運動發(fā)酵單胞菌被認定為安全菌株。但是運動發(fā)酵單胞菌僅能利用葡萄糖、果糖和蔗糖。將木糖異構酶、木酮糖激酶、轉酮酶和轉醛酶引入運動發(fā)酵單胞菌，工程

15、菌可以利用木糖產(chǎn)生乙醇，其乙醇轉化率據(jù)報道可達86%。Mogagheghi等（2002）將木糖和阿拉伯糖代,謝所需的7個酶基因整合到運動發(fā)酵單胞菌的染色體上，產(chǎn)生的工程菌可發(fā)酵每升40g葡萄糖、40g木糖和20g阿拉伯糖的混合發(fā)酵液，在50h內(nèi)消耗完葡萄糖和木糖以及75%的阿拉伯糖，乙醇得率為0.430.46g/g糖。 E.coli生長迅速，底物范圍廣，可發(fā)酵戊糖和己糖，但是產(chǎn)乙醇的能力不強。Ingrlml等將運動發(fā)酵單胞菌的丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶基因在乳糖啟動子控制下構建乙醇生產(chǎn)操縱子，又將操縱子整合到E.coil染色體的丙酮酸甲酸裂解酶基因上，以消除丙酮酸的分解途徑，獲得的工程菌可以轉化

16、葡萄糖和木糖為乙醇，轉化率可達理論值的103%106%，過量乙醇的產(chǎn)生是培養(yǎng)基中其他成分所含碳水化合物所致。,總之，基因工程技術是極具發(fā)展?jié)摿Φ纳锛夹g，在研究中也已獲得產(chǎn)乙醇的高效菌種，但這些高效菌種也面臨一系列的問題：由于代謝網(wǎng)絡的剛性導致優(yōu)良性能片段丟失；由于環(huán)境等因素導致代謝流的改變而使得乙醇產(chǎn)量下降；底物利用的局限如自然界中大量的纖維二糖等仍然不能利用，等等。雖然這些高效菌種還有待于更進一步馴化成熟，有待于在工業(yè)化生產(chǎn)中接受更嚴峻的挑戰(zhàn)，但是基因工程技術確實為燃料乙醇的生產(chǎn)提供了前所未有的發(fā)展機遇，將為人類實現(xiàn)清潔能源生產(chǎn)、環(huán)境保護等方面作出重大貢獻。,5.2.1.8 戊糖乙醇發(fā)酵菌

17、,20世紀70年代以來，木糖的發(fā)酵和利用方面取得了一系列進展。先后發(fā)現(xiàn)嗜水單胞菌、熱解糖梭菌等細菌及鏈孢霉屬、毛霉和根霉等真菌都能將木糖發(fā)酵生成乙醇，但發(fā)酵的速度較慢，乙醇產(chǎn)率也很低。 1980年，美國普度大學再生資源工程實驗室（LORRE）研究成功地采用了木糖異構酶，將木糖異構成木糖醇，再用酵母發(fā)酵生成乙醇的新途徑，為大規(guī)模利用木糖生產(chǎn)乙醇開辟了新途徑。1981年以來，利用管囊酵母（Pachysolen tannophilus）和假絲酵母(Candida sp.)等直接發(fā)酵木糖為乙醇的報道愈來愈多。1984年開始報道將大腸桿菌的異構酶基因克隆到粟酒裂殖酵母中，得到直接發(fā)酵木糖的基因工程菌。這

18、些研究充分表明了國際學術界對木糖乙醇發(fā)酵的重,視。能將降解的木糖轉化為乙醇及其他產(chǎn)物的微生物實例見表5.6，這些微生物還能降解木聚糖。,5.2.2 乙醇代謝途徑,5.2.2.1 乙醇酵母發(fā)酵時細胞內(nèi)酶系,乙醇酵母之所以能將葡萄糖發(fā)酵生成乙醇和二氧化碳，主要是酵母體內(nèi)含有水解酶和酒化酶兩大酶類。 1）水解酶類 水解酶類是一類能將較簡單的糖類、蛋白質類物質加水分解，生成更為簡單的物質的酶。乙醇酵母中主要含有的水解酶為蔗糖酶、麥芽糖酶和肝糖酶等。 蔗糖酶是能把蔗糖轉化為葡萄糖和果糖的酶，是胞外酶。所以酵母可以在蔗糖溶液中生長繁殖發(fā)酵。,麥芽糖酶是能把麥芽糖分解成葡萄糖的酶，所以在麥芽汁中酵母的繁殖速

19、度很快。麥芽糖酶的最適pH為6.757.25，最適溫度為40，該酶對溫度較為敏感，55即被破壞。 肝糖酶可將酵母體內(nèi)儲存的肝糖分解為葡萄糖。肝糖酶是胞內(nèi)酶，所以不能參與細胞外介質中淀粉的水解作用。 部分乙醇酵母中含有少量的淀粉酶，可把可溶性淀粉轉化為葡萄糖。 2）酒化酶 酒化酶是參與乙醇發(fā)酵的各種酶和輔酶的總稱，主要包括己糖磷酸化酶、氧化還原酶、烯醇化酶、脫羧酶及磷酸酶等，這些酶均為胞內(nèi)酶。進入細胞內(nèi)的葡萄糖則在這些酶的作用下，被轉化為乙醇。有了大量的乙醇酵母，就有大量的酒化酶，醪液中的糖分就能順利地被轉化為乙醇。,在微生物體內(nèi)，葡萄糖轉化的途徑主要是酵解途徑。酵解途徑是將葡萄糖降解成丙酮酸并

20、伴隨生成能量形式ATP的過程。 在好氧有機體中，酵解生成的丙酮酸進入線粒體，經(jīng)三羧酸循環(huán)被徹底氧化成CO2和H2O。 在厭氧有機體中，則把酵解產(chǎn)生的丙酮酸脫羧生成乙醛，乙醛得到由酵解生成的NADH中的氫，就轉化成乙醇。這個過程就叫乙醇發(fā)酵。這個過程中涉及的酶被統(tǒng)稱為酒化酶。在此也可看出乙醇發(fā)酵是在厭氧條件下進行的。,5.2.2.2 乙醇產(chǎn)生途徑,由葡萄糖到乙醇的過程主要分成兩個階段，即糖酵解階段和丙酮酸轉化為乙醇的階段。在糖酵解階段葡萄糖經(jīng)過轉化形成丙酮酸。 酵母菌在無氧條件下，丙酮酸繼續(xù)降解，生成乙醇，其反應過程為，丙酮酸在Mg2+存在情況下，經(jīng)脫羧酶的催化，脫羧生成乙醛。乙醛在乙醇脫氫酶及

21、NADH的催化下，還原成乙醇。,由葡萄糖發(fā)酵生成乙醇的總反應式為,則1mol葡萄糖生成2mol乙醇，理論轉化率為 （2*46.05/180.1）*100%=51.1% 但在實際生產(chǎn)實踐中有約5%的葡萄糖用于合成酵母細胞和副產(chǎn)物，實際上乙醇生成量約為理論值的95%，即乙醇對糖的轉化率約為48.5%。,5.2.2.3 乙醇發(fā)酵的副產(chǎn)物,乙醇發(fā)酵是個復雜的生物化學過程，在糖發(fā)酵產(chǎn)生乙醇和CO2的同時，也伴隨著生產(chǎn)40多種發(fā)酵副產(chǎn)物，主要是醇、醛、酸和酯四類化學物質。這些副產(chǎn)物中，有部分是由糖分轉化而來，有些則不是。乙醇發(fā)酵母的是將更多的糖分轉化為乙醇，流向非乙醇物質的糖分越少越好。乙醇發(fā)酵過程中部分

22、副產(chǎn)物是由酵母生命活動而產(chǎn)生的，如甘油、雜醇油等；有些副產(chǎn)物是由雜菌產(chǎn)生的，如乳酸等有機酸，醪液酸度每增加1度，1t淀粉就要少出9L乙醇。,甘油的生成。正常發(fā)酵條件下，發(fā)酵醪中只有少量的甘油生成，其含量為發(fā)酵醪量的0.3%0.5%。但在一些條件下，酵母可以轉化糖分為甘油，例如，向發(fā)酵液中添加亞硫酸鈉，或發(fā)酵醪液的pH偏向堿性，則部分糖,分則會流向甘油產(chǎn)生方向。如果發(fā)酵醪液為堿性條件pH7.6，2分子乙醛會起歧化反應，相互氧化還原，生成乙醇和乙酸。當乙醛被用完后，同樣是磷酸二羥丙酮作為受體，進而生成甘油，所以正常的乙醇發(fā)酵應在酸性條件下進行，以免糖分過多產(chǎn)生甘油，降低乙醇轉化率。,雜醇油的生成。

23、雜醇油是一類高沸點化合物的混合物，主要是高級醇，不易溶于水。在正常情況下，乙醇醪液中雜醇油的含量為0.3%0.7%。在乙醇發(fā)酵過程中，由于原料蛋白質分解產(chǎn)生了氨基酸，氨基酸的氨基被酵母菌同化，用作氮源，余下的部分脫羧生成相應的醇類，這些醇類就是雜醇油。,除此途徑外，其他途徑也會生成雜醇油。如丙酮酸與胱氨酸作用，生成丙氨酸和-酮基異己酸，后者再脫羧，生成異戊醛，異戊醛被還原則可生成雜醇油的主要成分異戊醇?？傊s醇油的生成與酵母的生命活動有關，間接地也與原料的品種和營養(yǎng)組成有關。,有機酸的生成。除琥珀酸之外，其他有機酸均是由于雜菌污染的結果。常見的雜菌有乳酸菌、乙酸菌和丁酸菌，這些雜菌會產(chǎn)生有機

24、酸乳酸、乙酸和丁酸等。乙酸菌可以利用乙醇生成乙酸，乙酸的生成往往會增加揮發(fā)酸的含量。,從乙醇生產(chǎn)工藝的角度來看，乙醇生產(chǎn)所用原料可以這樣定義：凡是含有可發(fā)酵性或可變?yōu)榘l(fā)酵性糖的物料都可以作為乙醇生產(chǎn)的原料。 由于乙醇生產(chǎn)工藝和應用的發(fā)酵微生物范圍不斷擴大，技術不斷改進，乙醇發(fā)酵的原料范圍也不斷在擴大。例如，半纖維素水解液中主要的糖分木糖，是一種原認為不可發(fā)酵的糖，但是現(xiàn)在木糖是可以發(fā)酵的了，半纖維素也就變成了一種乙醇生產(chǎn)的原料。 生產(chǎn)燃料乙醇的生物質原料資源可以分為三類：糖類，包括甘蔗、甜菜、糖蜜、甜高粱等；淀粉類，包括玉米、小麥、,5.3 燃料乙醇發(fā)酵技術,5.3.1 發(fā)酵原料,高粱、甘薯、

25、木薯等；纖維類，包括秸稈、麻類、農(nóng)作物殼皮、樹枝、落葉、林業(yè)邊腳余料等。,5.3.1.1 糖類生物質原料,1）甘蔗 甘蔗（Saccharum officinarum L.）屬于禾本科，甘蔗屬，是多年生的熱帶和亞熱帶作物，南、北緯35以內(nèi)都可種植生長，以南、北緯1023為最適宜生長區(qū)，在南北緯23以上或10以下，甘蔗產(chǎn)量或糖分較低。甘蔗是C4植物，光飽和點高，二氧化碳補償點低，光呼吸率低，光和強度大。因此，甘蔗產(chǎn)量很高，一般可達75100t/hm2。,目前，甘蔗按用途不同形成了兩大種類：一類用于制糖，其纖維較為發(fā)達，利于壓榨，糖分較高，一般為12%18%，出糖率高，這一類稱為糖料蔗或原料蔗；另一

26、類主要作為水果食用，其纖維較少，水分充足，糖分較低，一般為8%10%，稱為果蔗或肉蔗。用于生物乙醇生產(chǎn)的甘蔗屬于糖料蔗。 20072008年榨季，我國甘蔗種植面積達2430萬畝，國內(nèi)食糖產(chǎn)量達到1484萬噸，已基本實現(xiàn)自給有余。我國已成為繼巴西和印度之后的世界第三大蔗糖生產(chǎn)國。 目前，巴西利用能源甘蔗生產(chǎn)無水乙醇作為汽車燃料最為成功。甘蔗制糖-聯(lián)產(chǎn)乙醇這一路線巴西實施得最為成功，在我國能否實施、能實施多大規(guī)模要看國內(nèi)糖和乙醇的價格比和國內(nèi)白糖市場的供需情況，在保證白糖市場供應的情況下，可以適當生產(chǎn)乙醇。,2）甜菜 甜菜（Beta vulgaris L.）古稱忝菜，屬藜科、甜菜屬。甜菜分為野生種

27、和栽培種，甜菜的栽培種有4個變種：葉用甜菜、火焰菜、飼料甜菜、糖用甜菜。 糖用甜菜，俗稱糖蘿卜，通稱甜菜，塊根的含糖率較高，一般達15%20%，是制糖工業(yè)和乙醇工業(yè)的主要原料，其莖葉、青頭和尾根是良好的多汁飼料，因此也是甜菜屬種開發(fā)利用最為充分的栽培種。 甜菜是我國及其世界的主要糖料作物之一，在我國已有百年的種植歷史。甜菜具有喜溫涼氣候，有耐寒、耐旱、耐堿等特性，主要分布在北緯3063。,3）甜高粱 甜高粱又稱糖高粱、甜稈、甜秫秸等，是普通粒用高粱Sorghum bicolor(L.)Mocnch的一個變種，以莖稈含有糖分汁液為特點。甜高粱為C4植物，光合速率極高，且具有多重抗逆性，如抗旱、抗

28、澇、耐鹽堿、耐瘠薄等，非常適合在我國水資源缺乏的干旱和半干旱地區(qū)種植。甜高粱生長速度快、莖稈汁液豐富、含糖量高（莖稈汁液和含糖量分別高達60%和15%以上），除每公頃能收獲36t的籽粒外，還可同時獲得高達6080t的莖葉，是良好的飼料和乙醇原料。 甜高粱莖汁可發(fā)酵成乙醇，是一種取之不盡的生物能源庫，有“高能作物”之美稱。國外的試驗結果表明，每公頃甜高粱最多可產(chǎn)乙醇6160L。因此，用甜高粱加工轉化乙醇受到許多國際組織和國家（如歐盟、巴西、中國等）的重視，發(fā)展勢頭非常強勁。,甜高粱為一年生植物，分布在世界五大洲（亞洲、非洲、美洲、大洋洲、歐洲）89個國家的熱帶干旱和半干旱地區(qū)，溫帶和寒帶地區(qū)也有

29、種植，具有大約5000年的栽培歷史。中國是甜高粱主產(chǎn)國之一，甜高粱在中國栽培歷史悠久，研究和利用甜高粱最先進的美國，其最早的品種中國琥珀是1853年通過法國從上海崇明島引進的。甜高粱在我國種植區(qū)域廣泛，幾乎全國各地均有種植，但主產(chǎn)區(qū)卻很集中。秦嶺、黃河以北，特別是長江以北是當前中國甜高粱的主產(chǎn)區(qū)。由于甜高粱栽培區(qū)的氣候、土壤、栽培制度的不同，栽培品種的多樣性特點也不一樣，故甜高粱的分布與生產(chǎn)帶有明顯的區(qū)域性。,與淀粉質類物資燃料乙醇生產(chǎn)相比，用甜菜、甜高粱和甘蔗以及這些原料制糖中產(chǎn)生的廢糖蜜生產(chǎn)燃料乙醇的技術不同，都不需要進行原料的蒸煮、液化和糖化，極大地降低了燃料乙醇生產(chǎn)的能耗，但由于這三種

30、糖類作物的季節(jié)性較強，因此目前在我國還不能進行全年生產(chǎn)，這也是糖類作物目前尚未大規(guī)模用于生產(chǎn)燃料乙醇的原因之一。,5.3.1.2 淀粉類生物質原料,1）薯類原料 （1）甘薯。甘薯學名Ipomoea batatae Lam,在我國，北方俗稱地瓜、紅薯，南方稱山芋、番薯。新鮮甘薯可以直接作為乙醇生產(chǎn)的原料。但是，為了便于儲存，供工廠全年生產(chǎn)，一般都將甘薯干切成片、條或絲，曬成薯干。約3Kg鮮薯曬制1Kg薯干。,目前，國家非常支持甘薯燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，擬核準多個甘薯燃料乙醇工廠，并在原料基地建設方面出臺政策予以扶持。,（2）木薯。木薯（Manihot esculenta Crantz）,是一種多年

31、生植物，屬大戟科。目前全世界木薯種植面積已達2.5億畝，是世界上5億人口的基本糧食。如今，木薯已成為世界公認的綜合利用價值較高的經(jīng)濟作物，也是一種不與糧食作物爭地的有發(fā)展前途的乙醇生產(chǎn)原料。中國木薯產(chǎn)量有限，不能全面供應乙醇生產(chǎn)的需要，需要從東南亞等地進口，近年來由于木薯需求旺盛，引起價格飛漲，對我國以木薯為原料生產(chǎn)乙醇造成不小的影響。,木薯具備甘薯所具有的一切優(yōu)點，而且果膠質含量少，醪液黏度小，可實現(xiàn)濃醪發(fā)酵。木薯作為原料的缺點主要是含氫氰酸；種植面積分布在山區(qū)，收集運輸較困難；生產(chǎn)周期較長，在一年以上。,2）谷類原料 國際上最常用的谷類原料為玉米和小麥。我國在20世紀80年代以前，只有當薯

32、干等原料不足，或谷類受潮發(fā)熱、霉爛變質不能食用的情況下才采用谷類原料。80年代以后，隨著糧食產(chǎn)量逐年增加，用于乙醇生產(chǎn)的谷物數(shù)量也大幅增加。,（1）玉米。我國北方稱之為苞米或包谷，南方稱之為珍珠米。玉米有黃色玉米和白色玉米兩大類。 我國發(fā)酵乙醇的原料構成近年來發(fā)生了明顯的變化：甘薯類乙醇的比例逐年下降，而玉米乙醇則呈不斷增長的趨勢。 （2）小麥。我國是全球小麥生產(chǎn)第一大國。20062007年度全球小麥產(chǎn)量約為6億噸，其中，我國約1億噸，占1/6，在我國幾大糧食品種中占有重要地位。小麥在我國大面積種植。19962000年河南省的小麥已出現(xiàn)區(qū)域過?，F(xiàn)象，也正是在這樣的情況下，陳化糧小麥作為原料開始進入乙醇生產(chǎn)領域。,3）野生植物原料 利用野生植物來代替糧食原料制造乙醇是發(fā)展我國乙醇加工業(yè)的一個途徑。利用野生植物為原料生產(chǎn)乙醇不僅可以節(jié)約工業(yè)用糧，而且大多數(shù)不需要進行栽培和管理，只要利用農(nóng)閑時采集，可以增加收入；另外許多野生植物是醫(yī)藥工業(yè)和化工的原料，有利于原料的綜合利用?？捎糜谏a(chǎn)乙醇的野生植物有橡子、土茯苓、菊芋等。 （1）橡子。橡子是橡樹生產(chǎn)的果實，在每年9、10月份成熟，為黃色或棕色的堅果，形似卵形或球形，含有50%左右的淀粉，1956年開始，在我國就有乙醇廠利用橡子來制造乙醇。橡子隨著產(chǎn)地、氣候、品種的不同