利用木质纤维素生产燃料酒精研究进展_黎先发
大连化物所木质纤维素制乙醇研究工作取得新进展
大连化物所木质纤维素制乙醇研究工作取得新进展燃料乙醇是一种优质可再生的清洁能源，添加于汽油燃料里可替代部分石油基燃料并能降低污染物排放，已在国际上得到广泛使用。
目前燃料乙醇主要依靠粮食淀粉和植物糖类为原料经发酵制得。
利用来源广泛的农、林废弃物等各类木质纤维素为原料生产燃料乙醇有着极为广阔的前景，也是数十年来生物化工技术领域研究的一个焦点。
木质纤维素制乙醇至少需要经过预处理、酶解、发酵三步完成，其中预处理过程中产生的毒性物质（如乙酸、糠醛、苯酚等）严重抑制酵母生长和乙醇发酵，成为纤维素乙醇生产的主要技术瓶颈。
目前主要通过水洗、物理、化学和生物等方法对预处理木质纤维素及其酶解液进行深度脱毒才能实现较好的发酵效果，但是复杂的工艺、昂贵的设备投资、大量的水耗以及可发酵糖的损失等极大地降低了纤维素乙醇生产的经济效益，从而制约了纤维素乙醇的工业化进程。
中科院大连化物所生物质转化技术研究组（DNL0602）张宗超研究团队在木质纤维素制乙醇研究工作中，发现聚乙二醇（PEG）与酵母细胞有很好的生物兼容性，而且PEG对工业酿酒酵母细胞（淀粉基）具有显著的外保护“原位脱毒”功能。
这种化学分子的外保护使酵母细胞在与毒性物质共同存在时，仍具有将速生杨、玉米秸秆等木质纤维素水解液发酵生产乙醇的能力。
研究结果表明，工业酿酒酵母（淀粉基）在PEG保护的条件下可直接将木质纤维素水解液转化为乙醇，无需进行基因改造、适应性培养。
该方法可有效简化生产工艺、减少水耗和设备投资，推动纤维素乙醇的工业化进程。
相关研究结果在线发表于近期的Scientific Reports（doi:10.1038/srep20361）上。
木质纤维生物质炼制生产燃料乙醇技术进展
木质纤维生物质炼制生产燃料乙醇技术进展木质纤维生物质炼制燃料乙醇技术进展摘要：本文介绍了木质纤维生物质各成分的生物分解过程以及生物炼制技术，包括生物转化燃料乙醇、木糖醇和副产物利用等的研究现状、存在问题及发展趋势，为木质纤维生物质的应用研究提供理论基础。
关键词：纤维生物质，生物炼制，燃料乙醇木质纤维生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源，指植物通过光合作用生成的有机资源，如树木、农作物秸秆等。
燃料乙醇由于其成熟的生产应用技术和丰富的原料来源成为世界各国首选的生物能源。
燃料乙醇的发展应立足于中国国情，走以非粮作物木质纤维素生物质为原料的生产路线。
每年全球光合作用产生的木质纤维生物质高达2000亿吨，相当于全世界每年消费能源的10倍，其中89％目前尚未被人类利用。
我国的木质纤维原料非常丰富，每年仅农作物秸秆就有7亿多吨。
纤维素类物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，采用生物炼制技术将它们充分利用，对我国经济和社会的可持续发展具有十分重大的意义。
以生物炼制为核心的生物技术第三次浪潮，将解决人类社会目前面临的资源、能源与环境等诸多重要问题。
一、木质纤维生物质简介及生物炼制技术木质生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素约占干重的35-45％，半纤维素约占20－40％，木质素约占15－30％。
纤维素是由D-吡喃葡萄糖基以β-1,4糖苷键连接而成天然链状高分子化合物，完全水解后得到葡萄糖。
半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的总称，主要是由木糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等连接而成的高分枝非均一聚糖。
各种糖所占比例随原料不同而变化，一般木糖占一半以上。
半纤维素排列松散，无晶体结构，故比较容易被水解成单糖。
木质素是以苯基丙烷为基本结构单元连接的高分枝多分散性高聚物。
木质素有一定的塑性，不溶于水，一定浓度的酸或碱可使其部分溶解。
纤维素乙醇生产成本比粮食乙醇高的部分原因是，目前研究中的木质纤维素类物质转化为乙醇的工艺加工过程复杂，但目标产物单一。
木质纤维原料生物转化燃料乙醇的研究进展
木质纤维原料生物转化燃料乙醇的研究进展第12卷第1期2004年3月纤维素科学与技术Journal of Cellulose Science and TechnologyVol.12 No.1Mar. 2004文章编号：1004-8405(2004)01-0045-10木质纤维原料生物转化燃料乙醇的研究进展许凤1,2，孙润仓2，詹怀宇2（1. 齐齐哈尔大学轻工纺织系，黑龙江齐齐哈尔 161006；2. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州510640）摘要：木质纤维生物量能够用来生产一种可替代有限的石油产品的能源——乙醇。
木质纤维的转化主要分两个步骤：木质纤维生物量中纤维素水解生成还原糖；糖发酵成乙醇。
基于目前的技术，木质纤维原料生产乙醇的主要问题是得率低、水解成本高。
促进木质纤维水解的方法包括：木质纤维原料预处理脱除木素和半纤维素；纤维素酶的优化；同步糖化发酵法（SSF）。
关键词：纤维素酶；乙醇；纤维素水解；木质纤维生物量中图分类号：TS721+.1 文献标识码：A随着世界人口的增加和各国工业化程度的提高，能源的消耗也在稳步增加。
石油是满足能源需求的主要资源，但是石油资源是有限的，科学家们预测2050年原油的生产将由现在的每年250亿桶下降到50亿桶[1]，所以开发新的可替代能源引起科学家们广泛的兴趣。
乙醇是一种可以通过糖发酵获得的可再生能源。
在美国，乙醇已经被广泛地作为特殊的石油替代品。
从20世纪80年代开始，用玉米生产的燃料乙醇就被作为酒精－汽油混合燃料或者氧化燃料来使用。
这些气体燃料中包含乙醇的体积量高达10%。
使用乙醇混合燃料不但可以减少汽油的用量，还可以减少温室气体的排放。
然而使用玉米生产的乙醇燃料比石化燃料成本高，因为玉米既要提供食品和饲料、又要用于大量地生产乙醇，这是不可行的，毕竟土地资源是有限的。
废弃木质纤维原料比如农林废弃物、草、锯末和木片等是潜在的生产乙醇的可再生性资源。
以纤维素类物质为原料发酵生产燃料乙醇的研究进展
燃料乙醇项 目也在积极的筹备之中。
植物 的秸杆 、 叶等纤 维物 质是 地 球 上最 枝
工业上， 纤维素经酸解 、 碱解或酶解预处理后 ， 释放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径。产纤维 素酶的微生物有真菌、 酵母菌和细菌。目前， 人 们研究最多且最有工业应用前景的是木糖发酵 产 乙醇 的微 生 物， 管 囊 酵 母 （ ａｈｓ ｅ 有 Ｐ ｃｙｏ ｎ ｌ
主要包括各种有机 酸 、 、 醛类 醇类化合物 以及一 些无 机离子等 。
导致乙醇产率低； ②纤维素发酵速度慢 ， 容积生
产力 低 ； ③终 产物 乙醇 和有 机酸对 细胞 有相 当
大 的毒性 。
纤维素的酒精发酵传统上以酸法水解工艺
（ ８） ７
利用混合 菌直 接发 酵 ， 能解 决酒 精 产率 不
间， 提高了生产效率， 但存在一些如糖化和发酵
温度不协 调等抑制 因素 。 张继 泉等 ６作 了有关 玉 米 秸 杆 同时糖 化 ＿
间接法 即糖化 、 发酵二段 发酵法 ， 它是用纤 维素酶 水解纤 维 素 ， 收集 酶解后 的糖 液作 为酵 母发酵 的碳 源 ， 是 目前 研 究 最 多 的一 种 方 也 法ｌ 。为 了克 服乙醇产物 的抑 制 ， ｌ 必须不 断地
耐 酸耐压设备 和解 决水解产物对发酵微生 物的 “ 毒性 问题” 。碱 水解也存在着与酸水解 同样 的
问题 。
２ 以纤维 素 类物质 为原 料发 酵 生产燃
料 乙醇 的工艺
２ １ 预 处 理 ．
苗 Ｉ
近年来 ， 纤维 素 酸解产 物毒 性 问题 的 对于 研究取得 了一定 的进展＿ 。 在 ， １ 。现 。 基本上 明确 了这种毒性是来 源于酸解过程 中产生 的一些有
用木质纤维素原料生产燃料乙醇预处理工艺研究进展
［ 关键词］ 燃料乙醇；本质纤维素； 预处理
［ 图分类 号】Ｑ 中 Ｔ
ｆ 文献标 识码 】 Ａ
［ 文章编 号】Ｏ ７１６ （０００ －０ ８０ ｌ０－８５２ １）３０ １－３
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐｒ ｇ ｅ ｓｉ ｅｒ ａ ｍ ｅ ｔｏ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｓ ｎ Ｐｒ ｔ ｅ ｔ ｎ ｆ Ｌｉ ｎｏ ｅｌ ｌ ｓｃＭ ａ ｅ ｉｌ ｏ ｅ ｈ ｎｏ ｏ ｇ ｃ ｌｕ ｏ ｉ ｔ ｒａｓｆ ｒＦｕ ｌ Ｅｔ ａ ｌ Ｐｒ ｄｕｃｉ ｎ ｔｏ
ｗ ａ ｌｏｐ ｅ ｉｗ ｅ ｓ ｓ ｒｖ ｅ ｄ ａ Ｋ ｅ ｗ ｏ ｄ ： ｅ ｔａ ｏ ； ｌ ｎ ｃ ｌｕｏ ｅ ｐ ｅｒ ａｍ ｅ ｔ ｙ ｒｓｆ １ ｈ ｕ ｅ ｎ ｌ ｉ ｏ ｅ ｌｌ ｓ ； ｒ ｔｅ ｔ ｎ ｇ
世界经济发展对能源需 求的持 续增长和 日益 严峻 的环境 问题迫使人们 寻求可再生能源 ， 燃料 乙醇就是其中一种重要的 可再生能源。 目前有很多国家在研究以木质纤维素资源为原料 生产燃料乙醇 。 木质纤维素的主要成分是纤维素 、 半纤维素和 木质素 ，木素 的存在阻碍了纤维素对酶的可及性 ＿。因此，要 ｌ Ｊ 充分利用木质纤维素类资源必须先对其进行有效 的预处理。 ０ ２ 世纪 ９ ０年代初 ，国内外学者开始对木质 纤维素 的预处理进行 研究 Ｊ 。目前 ， 木质纤维素的预 处理方法大致可分为物理法、 化学法、物理化学法以及生物法 。
度和预处理 时问对液态热水法预处理效果的影响非常显著 ， 随 着热 水温度 的提高和预处理 时间的延长 ， 半纤维素 的溶解程 度 相应增加 ，并且增加理是最早被 研究也是研究得最深入的化学法之一。 稀硫 酸是应用最广 泛的预处理方法 ，此外硝 “、盐酸 、 ｊ 磷 酸¨ 也被用于木 质纤维素预处 理。Ｚ ａ 等¨ ｈｏ 采用稀硫酸对 ｃｏ ｏ 茎进行预处理研究 ，结果表明 ，将其在１％ Ｈ２Ｏ４ ｒｆ ｎ ｌ Ｓ ，８ ： 液固比 ，１０ ℃条件下处理１０ｍｉ，４ ｌ ２ ２ ｎ ６％的物质被溶解 ， 还原糖浓度达３ ． ２８ ９％，纤 维素含量提高 到６ ．４％。Ｓ ｎ １ １ ｕ 等 采用稀硫酸处理黑麦杆 ， 结果表 明， 随着硫酸浓度 的提高和反 应 时 间的延 长 ，半 纤 维素 的溶 解 程 度显著 增 加 。在 ０ ％ ． ９ Ｈ Ｓ ４ ０ｍｉ ２Ｏ ，９ ｎ或 １ ． ２％ Ｈ Ｓ ４ ０ｍｉ ２Ｏ ，６ ｎ 条件 下处理黑麦杆 ， 超过５ ％的半纤维素被溶解 。计红果 等… ． Ｏ 在０８％硫酸水溶液 中加 入适量硫酸铁对玉 米秸秆粉于８ ～１０ ℃搅拌、 Ｏ ０ 蒸煮 回流 预处理 。 当底物／ 溶液 比为 １： ５ ／ 铁盐浓度为 １ ｍｏ Ｌ １ ｍＬ， ｇ ． ０ｍ Ｆ 、 处理４ｈ 时效果较好 ，纤维素转化率可 由４ ．％提高到５ ＿％， ６９ ３ １ 酶水解初始速率 由１ ． ｍｇ（ ｈ提高至 １． ｍｇ（ ｈ。龚大 ５０ ／ ｇ． ） ７９ ／ ｇ． ） 春等 研究表 明，酸法一 法结合处理小麦桔杆的最优条件为 酶 在８ ０℃、４％（ 体积分数） 的稀硫酸、固液比为１： ５ ２ 的条件下 水解４ｈ ，再在５ Ｏ℃、ｐ ． Ｈ ５ 、酶量２ Ｐ ｇｌ ２ ５ Ａ． － Ｆ 干物质、０１ ． ｍｇ ＭｇＯ 下水解１ ，葡萄糖得率为３．％，比未经酸处理直接 Ｓ ２ ｈ ４ ５ 酶解葡萄糖的得率提高５ ％。 ０ 稀酸处理法可以有效地提高纤维素水解效率 ， 但处理后一 部分糖转化成有毒 的脱氢化合物 ， 对微 生物具有不同程 度的毒 性 ，并且下游酶水解和发酵 时必须进行中和处理 。 ２２ 碱 法 －
利用木质纤维素联合生物加工生产生物乙醇的展望和新方向
利用木质纤维素联合生物加工生产生物乙醇的展望和新方向李金伟张姗姗（青岛科技大学化工学院，山东青岛266042）摘要：美国能源部能源独立和安全法案要求，到2022年全国的生物燃料产量达到360亿加仑，其中210亿加仑必须来自可再生可持续的原料（例如木质纤维素）。
为达到这个目标，必须研制出能将植物生物质转变成可发酵糖且经济合算的工艺技术。
生产生物乙醇的一种重要途径是利用微生物，通过联合生物加工（CBP）将生物质转化成可发酵糖并将生成的糖发酵成乙醇。
CBP技术一体化程度高，能有效降低生产成本。
关键词：生物乙醇；联合生物加工；木质纤维素中图分类号: TQ223. 122 文献标识码: ＡPerspectives and new directions for the production of bioethanol using consolidated bioprocessing of lignocelluloseLI Jin-wei ,ZHANG Shan-shan(College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao, 266042 China) Abstract:The U.S. DOE Energy Independence and Security Act (EISA) mandated attainment of a national production level of 36 billion gallons of biofuels by 2022, of which 21 billion gallons must be derived from renewable/sustainable feedstocks (e.g. lignocellulose). In order to attain these goals, the development of cost effective process technologies that can convert plant biomass to fermentable sugars must occur. An alternative route to production of bioethanol is the utilization of microorganisms that can both convert biomass to fermentable sugars and ferment the resultant sugars to ethanol in a process known as consolidated bioprocessing (CBP). CBP features cellulase production, cellulose hydrolysis and fermentation in one step.Key words:bioethanol；consolidated bioprocessing；lignocellulose1、引言目前生物燃料的的生产以生物质糖的发酵为主。
木质纤维素原料生产燃料酒精开发技术研究进展
资源的矛盾 ， 这就迫使我们寻求新 的替代能源 ， 开发新的转化技术 。此外 ， 长期以来我 国发酵制酒精的
主要原 料是 利用粮 食 。而 国 内随着粮食 价格 的逐 渐放 开 ， 以粮 食为 原料 的 乙醇发酵 工业 成本 剧增 ， 寻找
我国国民经济快速发展对能源需求增长迅速 ， 出现 了能源供需紧张的局面。我国从 １９ 年成为原 ９３ 油净进 口国后 ， 对进 口石油的依存度不断提高。２０ ０３年石油进 口在能源消耗结构中比例高达 ３ ． ％， ６１
而且 这一 比例 还在不 断增 加 ，０５年我 国进 口石 油 达 ９０ ２０ ００万 吨 。 当前 石 油 每桶 价 已达 ６ ０—７ ０美元 ， 这较 ５年前 每桶 ２ 元油 价 已增 加 ２０％ ； ２美 ５ 与此 同时 ， 内石 油 、 、 和气 等 能 源 的价 格 也 出现 快 速 国 电 煤 上涨 的局 面 。由于石 油是不 可再 生资 源 ， 求 的刚性 增加 引起 各 国抢购 石油 ， 需 也造 成各 国之 间争 夺石油
维普资讯
木 质 纤 维 素原 料 生产 燃 料 酒 精 开 发 技 术 研 究进 展
徐有 明 ， 黄月琴
（ 中农业大 学 园艺林 学学院 ，湖北 武汉 ４０ ７ ） 华 ３ ００ 摘 要 ： 在 分析 美国、 日本 、 加拿 大等 国关于纤维素制取 乙醇技 术发展 的基础上 ， 对木质 纤维素原料 生产 乙醇的预 处理
Ｆ ｅ ｈ ｎ ｌｆｏ Ｌ ｇ ｏ ｅ ｌ ｌ ｓｃ Ｍａ ｅ ｉ ｌ ｕ ｌＥｔ ａ ｏ ｒ ｍ ｉｎ ｃ ｌ ｏ ｉ ｔｒａ ｓ ｕ
ＸＵ ｕ－ ｉ ｇ，ＨＵＡＮＧ Ｙｏ ｒ ｎ ｕ Ｙｕｅ ｑ ｎ －ｉｇ
（ ｏｌ ｅｏ ｏｅｔ ｎ ｏｔｕｔｒ， ｕ ｚｏ ｇＡ ｒ ｕｔ ａ Ｕ ｉ ｒｉ ， ｈｎ４ ０ ７ ，Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｒｓ ｙａｄＨ ｒｃｌ ｅ Ｈ ａｈ ｎ ｇ ｃｌ ｒｌ ｎｖ ｓｙ Ｗｕａ ３０ ０ ｈｎ ） ｅ Ｆ ｒ ｉ ｕ ｉ ｕ ｅ ｔ
利用纤维素原料生产燃料酒精的研究进展
利用纤维素 原料 生产燃料酒精 的研 究进展
冯 南
（ 中粮生化 能源（ 肇 东） 有限公司 ， 黑龙江 肇 东 １ ５ ｌ １ ０ ０ ） 摘 要： 随着全球经济的快速发展 ， 不可再 生资源越来越 少， 粮食 危机 、 能 源危机 以及环境危机都 也都随之到 来， 如何开发 出可持 续 性利 用的可再生资源已经成为各国竞相研究的重要项 目， 人们 生活于大 自然， 立足于大 自然 ， “ 衣食 住行” 都 离不开 大 自然的馈赠 ， 纤维素 是 由类似 于多葡萄糖分子组成的大分子 多糖 ， 麻、 麦秸、 稻草 、 甘蔗 渣等都是它的来源 ， 利 用纤 维素 类物 质生产燃料酒精作 为一种新 兴的 环保 的可持续型开发利 用的新技术 ， 在很 多国家都 已经开始 着手进行 ， 就 此文章探讨 了纤维素原料是如何 生产燃料 酒精 的过程 ， 分析 比 较 了纤维素生产燃料 酒精技术 中预 处理 、 水解、 发酵等非常重要的环节的技 术特 点， 最终展望 了纤维素原料 生产 酒精的前景。 关键词 ： 可再 生资源 ； 纤维素 ； 燃料酒精 ； 前景 我 国作为一个能源大 国，能源蕴藏和生产量 居于世界前列 ， 但 地水解纤维素 ， 但是酸性具有腐蚀性 ， 在使用过 程中对人体 的身心 同时也 是世界第二大能源消费 国 ， 经济 的快速发展 ， 使得 我国对能 健康产生不利影 响 ； 碱水解法使 用热或者冷 的碱 液（ Ｎａ ０ Ｈ ） ， 使 纤维 源的需求量急剧增加 ，除 了对居 于主导地 位煤炭能源 的开发利用 素原料膨胀 ， 增加纤维素 内表面积 、 减少结 晶度 、 最终使木质素和糖 外， 石油的使用量也在逐年提升 。 石油是不可再生 资源 ， 工农业 以及 得到有效的分离 。 ２ ． ３ ． 物理化学预处理 。物理化学预处理 的方 法是结合 了两种方 人们 的 日常生活出行等都离不开石油 ， 对 于石 油的依赖性使得很多 国家竞相抢购石油 ， 国际上也时常发生两 国之 间争夺石油资源 的矛 法的长处又有效地弥补 了两种方法 的短处 。 常用的物理化学方法是 盾， 所以寻找新的可持续性的 、 环保的能源代替不可再 生资源具有 蒸汽爆裂法 。这种方法是将 片状 的纤维素 原材料放 置于高压蒸 汽 重要的现实意义 。纤维素作为世界上最为丰富 的可再生资源 ， 存在 中 ， 然后迅速 降低 高压蒸汽中的压力 ， 原料 由于压力 差的骤变使 其 在进行汽爆 的过程 中可 以适量加入 Ｈ ： Ｓ Ｏ 和Ｃ Ｏ ， 于 自然界一切植物 中， 现如今对于纤维素的开发和利用 仅仅 只局 限 爆炸并得到分解 ， 于于造纸 、 纺织 、 建筑 、 饲料等行业 ， 纤维 素的利用率不高 ， 很大一部 有效促进酶水解的发生。 分都 白白地浪费掉 。在研发新 型能源的过程 中， 发现利用植 物中的 ３ 纤 维 素发 酵 方 法 纤维素 ， 经过一系列工艺加工后 ， 最终能够生产 出燃 料酒精 的工 艺 纤维素 发酵成 为乙醇 的方法有多种 ， 以下将介绍几种常 见的方 技术 。 法。 １纤维素燃料酒精 国内外发展现状 ３ ． １ 直接发酵法 。直接发酵法是使 用最 为原始的方法 ， 其不对纤 这 美国作为一个能源蕴含丰富的发达国家 ， 对纤维素原料制取 乙 维素原料进行酸解或者酶解 ，而是 以纤 维素原料 进行 直接 发酵 ， 醇技术开发较早 ，政府也积极鼓励和支持燃 料酒 精的使用 的生产 ， 种工艺方法成本低廉 ， 操作简便 ， 但是产 出率不高。 加大对生产燃料酒精 的投入 ； 日本作为一个 自然资源严重匮乏的发 ３ ． ２水解发酵二段法 。这种方法是先将纤维素酶糖化 ， 然后再发 值得注意 的是水解发酵二段法在使用 的 达国家 ， 严重依赖 于对外来资源的进 口， 可再生能源 的开发 和利用 酵成为酒精 的方法 。但是 ， 故 而在该 国显得尤为重要 ， 所 以 日本在很多专 门的科 研机构 、 大学 第一阶段 中 ， 降解的纤 维素原料产生 的葡萄糖和木糖会对纤维素酶 都开设 了相关的专题研究 ， 建立起了较为完善的与纤维 素燃料息息 产生抑制 的作 用 ， 在第二 阶段 ， 酒精 发酵的末端产物会抑 制酶 的活 相关的研发体系 ； 我 国是世界上第三大酒精 生产 国 ， 仅 次于 巴西 和 性 ， 综合两者 因素都会 降低最终 的酒精产出。 美国。 基于人 口基数庞大 、 劳动力廉价 以及 自然资源丰富的现状 ， 我 ３ ． ３ 同步糖化发酵 。同步糖化发酵法 的使用 是把发酵菌加入 酶 国在纤维素生产燃料酒精上具有更大 的优势 ， 但是 由于我国关 于纤 水解糖化纤维素容器 中 ， 进而使得在糖化 作用 下产 生的葡萄糖和纤 维素生产燃料酒精 工艺技巧的研发起步较晚 ， 在酶生产工 艺 、 戊糖 维二糖转 化成 乙醇 ， 这种方法有效地去 除了产 物的抑制 ， 节约 了生 发酵菌株等方面还没有取得 实质性 的突破 ， 所 以我国应该 加大对纤 产时 间， 提高 了生产效率 。 ３ ． ４非等温同步糖化发酵法。经过大量 的研究表明 ， 纤维素酶糖 维素生产燃料酒精 的投入力度 ， 促进我国经济 的可持续性发展＿ ｌ ｌ 。 ２纤维素的预 处理 化的最适 宜的温度是 ５ ０ ℃左右 ，对 于酵母发酵温度则应该 控制在 用纤维素原料生产燃料酒精要经过一系列 复杂 的过程 ， 纤维素 ３ ０ — ３ ８ ￣ Ｃ 之 间。 使用 非等温 同步糖化发酵法 ， 通过热交换器 的热量传 能 够很 好地实现对这两个过程 温度 的控制 ， 最 大限度地 减少反 的组成成 分复杂稳定 ， 如若对其直接进行酶水解 时 ， 纤维素 电解成 递 ， 糖 的百 分率只有 １ ０ ％一 ２ ０ ％左右 ， 所以 ， 为了提高纤维 素的水解率 ， 应体系能量 的损失 ， 使用这种方法可以节约纤维素酶 ３ ０ ％一 ４ ０ ％， 最 对纤 维素的预处理在整个燃料酒精生产 过程 中的作用显得 尤为重 终在乙醇的产 出率方面也有较大的提升［ ４ １ 。
木质纤维素生产燃料乙醇的关键技术研究现状
木质纤维素生产燃料乙醇的关键技术研究现状作为仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，生物质能源地位越来越重要。
而木质纤维素的预处理技术则能够对燃料乙醇的生产具有直接的影响。
本文主要从木质纤维素乙醇生产的关键技术入手，重点预处理技术、水解及发酵等关键环节进行了分析和阐述，并对木质纤维素生产燃料乙醇的市场前景进行了展望。
标签：木质纤维素；燃料；乙醇；预处理技术引言木质纤维素取材广泛且造价低廉，主要由纤维素、半纤维素构成，是重要的燃料乙醇的生产原料。
就目前而言，虽然利用木质纤维素进行燃料乙醇的生产技术已经初具可行性，但因其生产工艺十分复杂，且耗能较高等问题，对木质纤维素生产燃料乙醇形成严重的阻碍。
本文针对其生产过程的几项关键技术进行了分析、研究。
1、木质纤维素乙醇生产的关键技术1.1 预处理1.1.1 物理方法（1）机械粉碎。
所谓的机械粉碎指的是使用球磨、碾磨等设备对纤维素加以粉碎的过程。
粉碎后的物料粉末是不具备膨润性的，且体积较小，基质浓度较高，对于酶解过程中的木质素酶以及纤维素酶的挥发有着重要作用，然而处理效果不尽人意，且具有较高的耗能。
（2）热液处理。
将物料投入高压热水中，可以使得物料中的半缩醛键断裂并形成酸，而在酸的作用下，半纤维素就会水解成为单糖。
经过预处理的纤维素酶解效率较高，且其水解物可以直接用于燃料乙醇的生产。
（3）微波处理。
微波处理操作简便、用时短且具有明显的糖化效果，然而成本较高，使得工业化应用过程中受到限制。
微波处理不仅能够对植物纤维素中的超分子结构加以改变，导致纤维素结晶区的尺寸出现变化，还能对木质素和半纤维素进行讲解，有效提升植物纤维素的糖化效率。
（4）超声波。
超声波形成的空化作用对传质具有一定的强化作用，同时对材料结构也具有一定影响。
众所周知，木质纤维素是由纤维素、半纤维素以及木质素三部分构成，因此想要取得良好的处理效果，就必须进一步降低发酵过程中的传质阻力，同时将其包裹结构打破。
木质纤维转化制燃料乙醇的研究进展
理方 法主要 包 括物理 法 （ 机械粉 碎 、 高能 辐射 、 微波
处理 等） 、 化 学法 （ 酸、 碱、 有机溶剂等） 、 生物法 、 物
弃物 。我 国木 质纤 维原 料 丰富 ， 秸 秆 年 产量 约 ７ × １ ０ 。 ｔ ， 林 业废 弃 物约 ２ ×１ ０ ｔ ， 用 其 生 产 燃 料 乙醇
酵、 乙醇 的 回收 。本 文从 原料 预 处理 、 水解 糖化 、 发
酵、 应 用及 其 今后 的发 展趋势 五个 部分 综 述 了国 内
外发 展燃 料 乙醇 的最新 研究 进展 。
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ —０ ４ —１ ６
理 小 麦秸 秆 ， 研 究表 明小麦秸 秆在 ２ １ ０ ℃ 下 处 理 １ ０ ｍｉ ｎ ， 酶解 后葡萄糖 含量最 高； 在 １ ９ ０ ℃ 下 预 处 理， 酶 解后 木糖 含量 最 高 ， 但 是 过 高 的 预处 理 温 度 使 得木 糖进 一 步降解 为糠 醛 ， 不 利 于后面 发酵产 乙
醇 。Ａｓ ａ ｄ ａ等［ １ 用 蒸 汽 爆 破 法 处 理 柳 杉 ， ｌ Ｏ Ｏ ｇ样 品在 ４ ５ ａ ｔ ｍ 下处理 ３ ｍｉ ｎ ， 经 处 理 样 品 在 温 度
一
基 金 项 目：林 业 公 益 性 行 业 科 研 专 项 （ ２ ０ １ ２ ０ ４ ８ ０ １ ） 作者 简 介 ： 卓治非， 福 建 宁德 人 ， 在读 硕士生 ， 主 要 从 事 生物 质
木 质纤 维转 化制 燃料 乙醇 的研 究进 展
・
论文 与综 述 ・
木质纤维素水解制取燃料乙醇研究进展
素、半纤维素选择性变换为葡萄糖和 C5、C6 单糖， 单糖经酵母发酵生成乙醇。由于发酵时 pH 值必须 维持在 7 左右，因此必须开发实用的酸回收工艺。 荷兰 TNO 公司也采用浓硫酸、木质纤维素原料能 一步完成水解。TNO 公司称，生物酶非常昂贵，而 且对于不同的原料需要不同的酶组合。TNO 称他们 采用分离膜技术能回收大于 99％的酸。大约 75％的 酸在发酵前用阴离子选择性分离膜回收。物料中残 留的稀酸在中和单元回收，通过废水处理的厌氧过 程转化成 H2S，然后重新转化成酸。
并流式水解反应器的形式类似造纸工业中的 纸浆蒸煮器。在该反应器中，成泥浆状的生物质 原料在螺旋输送器的推动下前进，可实现连续进 出料。原料在反应器内停留时间短（几分钟），可 在较高温度和较低液固比下操作，水解效率高， 所需场地和人工也较少。但该设备内包括运动部 件，构造较复杂，控制要求高，且需另加液固分 离设备。
摘 要：以木质纤维素生产燃料乙醇具有原料可再生性和环境友好的优点而备受重视。本文介绍了国内外木质纤
维素制取燃料乙醇中的水解工艺过程，包括浓酸水解、稀酸水解和酶水解工艺，分析了各工艺的技术特点，同时
指出稀酸预处理-酶水解工艺将成为近几年国内外研究和开发的重点。
关键词：木质纤维素；燃料乙醇；水解
中图分类号：TK 6
第 11 期
许庆利等：木质纤维素水解制取燃料乙醇研究进展
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可以处理不同的原料，相对迅速（总共 10～12 h）， 并极少降解[1]。但对设备要求高，而且酸必须回收。 1.1.2 浓酸水解工艺
浓酸水解工艺的代表是 Arkenol 公司[2－3]，该流 程中对生物质原料采用两级浓酸水解工艺，水解中 得到的酸糖混合液经离子排斥法（或所谓的色谱分 离）分为净化糖液和酸液。糖液中还含少量酸，可 用石灰中和，生成的石膏在沉淀槽和离心机里分离。 色谱分离中得到的稀硫酸经过脱水浓缩后可回到 水解工段中再利用。图 1 为 Arkenol 公司的浓酸水 解流程[3]。根据中试装置的实验结果，该水解工艺 可得 12％～15％浓度的糖液，纤维素的转化率稳定 在 70%。酸回收率也可达到 97%。
木质纤维素类原料燃料乙醇生产技术进展
木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，据测算年总产量高达1500亿吨，蕴储着巨大的生物质能（6.9×1015千卡）。
我国是一个农业大国，作物秸秆(如稻草、麦秆等)的年产量非常巨大(年产可达7亿吨左右，相当于5亿吨标煤)，据统计，目前的秸秆利用率33%，但经过一定技术处理后利用的仅占2.6%，其余大部分只是作为燃料等直接利用，开发前景非常广阔。
1、木质纤维素的降解技术木质纤维素降解可以采用酸水解和酶水解两条不同的技术路线来实现。
1.1酸水解技术在酸水解工艺中，可以使用盐酸或硫酸，按照使用酸的浓度不同可以进一步分为浓酸水解和稀酸水解。
法国早在1856 年即开始进行了浓硫酸水解法进行乙醇生产，浓酸水解过程为单相水解反应,纤维素在浓酸作用下首先溶解,然后在溶液中进行水解反应。
浓酸能够迅速溶解纤维素,但并不是发生了水解反应。
浓酸处理后成为纤维素糊精,变得易于水解(纤维素经浓酸溶液生成单糖,由于水分不足,浓酸吸收水分,单糖又生成为多糖,但这时的多糖不同于纤维素,它比纤维素易于解) ,但水解在浓酸中进行得很慢,一般是在浓酸处理之后再与酸分离,使用稀酸进行水解。
稀酸水解木质纤维素的技术可谓历史悠久，1898年德国人就尝试以林业生产的废弃物为原料生产乙醇，并建立了工业化规模的装置，每吨生物量可以生产 50 加仑的乙醇。
与浓酸水解的工艺路线相比，稀酸水解需要在比较高的温度下进行，才能使半纤维素和纤维素完全水解。
稀酸水解木质纤维素通常采用二级水解的工艺方案：第一级水解反应器的温度相对第二级来说略低一些，比较容易水解的半纤维素可以降解；第二级反应器主要降解难降解的纤维素，水解后剩余的残渣主要是木质素，水解液中和后送入发酵罐进行发酵。
1.2 酶水解技术同植物纤维酸法水解工艺相比,酶法水解具有反应条件温和、不生成有毒降解产物、糖得率高和设备投资低等优点。
而妨碍木质纤维素资源酶法生物转化技术实用化的主要障碍之一,是纤维素酶的生产效率低、成本较高。
关于利用微生物用于木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的研究进展综述
关于利用微生物用于木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的研究进展综述摘要：木质纤维素生物质是一种廉价、易得的可持续发展的潜在新能源材料，随着能源危机的加剧，由木质纤维素生物质转化为燃料乙醇成为开发新能源的一个新突破口。
国内外近年来在这个领域都有很多研究成果。
本文就微生物在木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的预处理、水解中的应用作出综述，分析了现在木质纤维素生物质转化为燃料乙醇要想实现产业化所遇到的问题，并提出几条对策。
关键词：木质纤维素、燃料乙醇、发酵、纤维素酶、研究进展随着现代工业与经济的发展，能源需求日益增加。
特别是石油能源，由于人类社会的不断开采，石油资源目前面临着枯竭的危险。
据2010年11月8号《环境科学与技术杂志》发表的研发报告显示，以当前的使用速度，化石燃料原料将在2050年前枯竭，而石油开采量下降10%～15%足以令发达工业国家的经济完全瘫痪1。
这就意味着，要想保证人类社会的继续发展，寻求清洁、可持续的新能源已经成为了人类一项必须要完成的任务。
因此，越来越多的国家已将生物质能源产业作为国家的一项重大战略推进，纷纷投入巨资进行生物质能源的研发。
20世纪70年代石油危机以来，一些国家开始尝试利用生物质资源生产液体燃料2。
继美国和巴西用玉米和甘蔗生产燃料乙醇成功后，欧盟、日本、加拿大、印度等国家和地区也先后加大用粮食制备燃料乙醇的投入，2006年，仅美国由玉米淀粉生产乙醇的产量就达到了50亿加仑3。
然而，随着随着世界耕地面积的缩小和人口数量的急剧增多，世界粮食价格也在近年出现大幅攀升。
如何寻求价格低廉且来源广泛的替代原料来生产燃料乙醇，成为了发展生物质能转化为乙醇新能源亟待解决的问题。
木质纤维素生物质如农林牧业加工废弃物，是可再生、价廉易得和来源丰富的资源和能源。
全球每年光合作用的产物高达1500-2000亿吨，其中80%以上为木质纤维素生物质(如秸秆、草类、树木等)4。
利用木质纤维素生物质生产乙醇不仅有利于环境保护和资源再利用，而且可减少温室气体的排放和缓解化石能源的危机，因此成为了一条解决新能源问题的新途径，其研究得到了世界各国的大力支持，并且也取得了很多阶段性的进展。
纤维质原料生产燃料乙醇的研究进展[R]
![纤维质原料生产燃料乙醇的研究进展[R]](https://img.taocdn.com/s3/m/9240ed9502768e9950e73836.png)
纤维质原料生产燃料乙醇的研究进展自1910年Heinerch等利用木材酸水解生产乙醇以来，木质纤维素制备乙醇的研究经历了100连年的进展。
初期生产纤维乙醇的方式是利用化学物质把原料中的纤维素水解为单糖，然后将单糖发酵成为乙醇，并在美国和前苏联建有工厂。
该工艺的原料价钱尽管廉价，但生产本钱却很高，随着石油的大量开采、以淀粉质和糖质原料发酵生产乙醇的大量生产，这种工厂多数关闭，只有前苏联还有必然程度的应用。
我国黑龙江省伊春市的南岔木材水解厂是20世纪60年代引进前苏联设备建成的，80年代末又引进该国设备与技术进行改造，以木屑为原料，年产酒精3000，以后因缺乏原料等缘故此停产。
在20世纪石油危机后，通过科学论证分析，西方国家又开始重视纤维素生产乙醇技术，这是因为生物质液体燃料的燃料特性和应用方式与化石液体燃料有许多一起点，便于纳入现有的交通液体燃料体系。
我国在“十五”期间已将纤维乙醇研究工作提上日程，并在国家“863”打算中作为研究课题进行重点攻关。
另外，国内的一些相关企业也在进行这方面的研究工作，诸如河南天冠、安徽丰原和河北唐山的太博尔等。
目前，许多国家尽管建造了纤维质原料的燃料乙醇示范性工厂，但其产业化仍存在三大技术瓶颈，一是秸秆等木质纤维素类原料降解产生的木糖难以发酵生成乙醇，二是纤维素酶生产本钱偏高，三是原料要进行复杂的预处置。
当前随着国际石油价钱的持续走高及世界各国对能源需求的增加，使乙醇燃料比汽油更具本钱优势，因此对利用纤维质原料生产乙醇工艺的研究和开发成为目前国内外寄与厚望的重点课题。
如何开发高效廉价的纤维质原料预处置技术、选育诱变产酶活高的纤维素酶生产菌株、构建能同化五碳糖的菌株和实现相对高浓度醪液发酵等是降低纤维乙醇本钱的关键。
1国外纤维乙醇的研究与应用现状。
纤维乙醇的生产包括酸水解和酶水解两种工艺。
酸水解生产工艺最具代表性的是前苏联的持续渗滤水解流程、美国Vulcan化工公司与加拿大的Stake公司联合研制的Vulcan-Stake流程。
木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术研究进展
木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术研究进展一、本文概述随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，可再生能源的开发与利用已成为研究的热点。
木质纤维素作为一种广泛存在的可再生生物质资源，具有储量丰富、价格低廉、可再生等优点，因此在生物燃料领域，特别是在燃料乙醇的生产中，其潜在的应用价值日益受到关注。
本文旨在对以木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术的研究进展进行全面的综述和分析。
本文首先介绍了木质纤维素的组成、性质及其作为燃料乙醇原料的优势，阐述了木质纤维素在燃料乙醇生产中的重要地位。
随后，重点回顾了近年来在木质纤维素预处理、酶解糖化、酵母菌发酵以及后续分离提纯等关键技术环节的研究进展，分析了各种技术的优缺点以及适用条件。
本文还讨论了当前研究中存在的问题和挑战，如木质纤维素的复杂结构导致的预处理难题、酶解效率低、酵母菌对木质素和半纤维素的耐受性差等问题，并提出了相应的解决策略和发展方向。
本文展望了木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术的未来发展前景，认为通过持续的技术创新和优化，以及产业链上下游的协同合作，有望实现木质纤维素基燃料乙醇的高效、绿色、可持续生产，为可再生能源的发展做出重要贡献。
二、木质纤维素的结构与性质木质纤维素，作为自然界中最丰富的可再生有机资源，是植物细胞壁的主要成分，由纤维素、半纤维素和木质素三种主要组分构成。
这种复杂的天然高分子化合物具有独特的三维网络结构，赋予了其优良的生物降解性和生物相容性。
纤维素是由β-1,4-糖苷键连接的葡萄糖分子线性链构成，具有较高的结晶度和较强的分子间氢键，因此具有较好的化学稳定性和生物惰性。
半纤维素则是由不同种类的单糖构成的支链聚合物，结构多样且无定形，相较于纤维素，其更易于被微生物降解。
木质素则是一种复杂的酚类聚合物，主要存在于细胞壁中，起着增强植物细胞壁硬度的作用，其结构中含有大量的酚羟基和甲氧基，赋予其良好的化学稳定性和生物抗性。
在燃料乙醇的发酵过程中，木质纤维素的这三种组分各有其重要作用。
利用木质纤维素生产燃料酒精的研究进展
有廉价、 清洁、 环保、 安全、 可再生等优点。 作为一种生物能源， 乙醇 有望取代日益减少的化石燃料 （如石油和煤炭） 。 然而， 目前汽油主 要还是以石油为原料通过化学工艺生产，这对于经济的可持续性 发展战略是不利的。 因此， 世界上许多经济发达国家都注重以碳水 化合物为原料发酵生产乙醇的生物技术开发，并期望由此稳定能 源供应， 改善能源保障， 拉动农业及其他相关传统经济的发展。 美国国 家 地 质 综 合 考 察 部 的 一 份 研 究 报 告 ^I‘指 出 ： 作 8GGE 年， （甲 基 叔 丁 基 醚 ） 在减少空气污染的同时却 为汽油增氧剂的 b1\S 增加了水质污染。为此， 8GGG 年 美 国 环 保 局 与 国 会 合 作 ， 针 对 b1\S 对 水 资 源 的 污 染 ， 研 究 制 订 了 5665’5686 年 期 间 新 的 国 家 “清洁燃料替代计划” ， 5666 年 7 月 58 日，美联邦政府发表了取消使 用 b1\S 的声明。推广使用车用乙醇汽油， 不但在一定程度上可以 缓解石油供求的矛盾，同时还有效地降低了汽车尾气中的有害气 体排放， 改善了生态环境和空气质量， 经济和社会效益显著。伏特 公司已于 8GGI 年率先推出 89 万辆既可以乙醇为燃料，也可以汽油 为燃料的通用型汽车，这意味着乙醇将成为一种越来越重要的燃 料。
图8 木质纤维素发酵生产乙醇的路线
热潮，迄今为止 已 发 现 866 多 种 微 生 物 能 代 谢 木 糖 发 酵 生 成 乙 醇
<9>
， 包括细菌、 真菌、 酵母菌 。 其 中 酵 母 的 木 糖 发 酵 能 力 最 强 ， 目前
纤维素是一种 有 866?8666 个 !’A’ 吡 喃 型 葡 萄 糖 单 体 以 !’8 ， 多个 分 子 平 行 紧 密 排 列 成 丝 状 不 溶 性 @’ 糖苷键连接的直链多糖， 微小纤维。在工业上， 纤维素经酸解或酶解预处理后， 释放出的葡 萄糖可进入乙醇发酵途径。半纤维素是由多种多糖分子组成的支 链聚合物， 不同来源的半纤维素其单糖的组成各异。经测算， 木质 纤维素原料中半纤维素组分的有效利用有可能使乙醇燃料的生产 这显然应当归功于 A’ 木糖。木糖是自然界中含量 成本降低 59 B， 仅次于葡萄糖的糖分，仅仅从美国垃圾场的废纸和垃圾中微生物 这相当于在输气管线 转化的残留糖分， 每年就 可 生 产 @ 亿 吨 乙 醇 ， （由谷物发酵生产） 的 86 倍量 <=>。 中以 86 B份量混合的燃料乙醇 利用产纤维素酶的微生物或纤维素酶先将纤维素水解成可发 酵性糖，再利用酵母将其发酵成乙醇。产纤维素酶的微生物有真 菌、 酵母菌和细菌。典型的真菌产纤维素酶是由葡聚糖内切酶 （ C; 也 称 DE 酶 ） 、 葡聚糖外切酶 （C;D;7;5;8;=8 ， 也 称 D8 酶 ） 、 D;7;5;8;@ ， !’ 葡萄糖苷酶 （C;D;7;5;8;58 ， 也 称 DF 酶 或 纤 维 二 糖 酶 ） 7个 主 要 成 分 组成的诱导型复合酶系。 CG 和 DFH 主要溶解纤维素， FG主要将纤 就能完 维二糖转化为葡萄糖， 当7个 主 要 成 分 的 活 性 比 例 适 当 时 ， 成纤维素的降解。 一般地， 嗜热厌氧细菌在生长速度和纤维素代谢 速度上比其他菌株快，同时它所产生的纤维素酶的稳定性也有很 大的提高。
纤维素乙醇的研究进展
纤维素乙醇的研究进展燃料乙醇作为可再生的生物能源之一，其发展前景是十分广阔的。
然而，纵观世界各国燃料乙醇发展的历程和现状，可以看出燃料乙醇生产过程的经济性始终是突出问题，其生产成本一直难以同成品油的价格相竞争，其中原料成本和能耗成本占燃料乙醇生产总成本的比例高达90%。
因此使用木质纤维素类物质作为燃料乙醇的生产原料，逐步替代日益减少的石油资源，是各国政府的战略发展目标[77]。
国内外纤维素乙醇的进展早在20世纪70年代的第一次石油危机时，美国就开始了用秸秆等木质纤维素类物质生产乙醇的研究。
在政府大力倡导下，酒精燃料在美国燃料市场上份额已达8%。
第一家商业性转化纤维质为酒精工厂1998年l0月由B C International在路易斯安那Jennings破土动工，该厂以蔗渣和稻壳为原料，年产酒精20×106加仑。
2006年1月，布什总统提出“先进能源计划”，为美国能源部的清洁能源研究增加22%的投入。
因此2007年2月28日美国能源部部长宣布：在今后4年中，能源部将投资3．85亿美元，用于支持包括上述两家加拿大和西班牙公司在内的6个非传统原料(木片、秸秆、柳枝稷等)生物精炼化工厂项目[77]。
在巴西在生产纤维素乙醇方面也走在了世界前列，政府一方面制定政策限制石油消费，一方面开辟大量土地种植糖蔗，利用榨汁后蔗渣发酵生产燃料酒精[78]。
在巴西，3/4新车既可以使用乙醇又可以使用汽油作燃料。
2003年巴西的双燃料汽车还只占市场总销量的6％，2005年就高达73％。
此外，加拿大艾欧基(Iogen)公司和西班牙的Abengoa生物能源公司都在积极尝试大规模工业化生产纤维素乙醇。
我国国内很早关注纤维素乙醇的生产研究，中国科学院早在1980年在广州召开“全国纤维素化学学术会议”，把开发利用纤维素资源作为动力燃料提到议事日程[79]。
进入“九五”、“十五”期间，秸秆转化乙醇技术再次受到国家重视。
华东理工大学能源化工系颜涌捷教授及其课题组开发的纤维素废弃物稀盐酸水解法制取乙醇技术，被列为国家863重点科研项目。
木质纤维生物质炼制生产燃料乙醇技术进展
木质纤维生物质炼制燃料乙醇技术进展摘要：本文介绍了木质纤维生物质各成分的生物分解过程以及生物炼制技术，包括生物转化燃料乙醇、木糖醇和副产物利用等的研究现状、存在问题及发展趋势，为木质纤维生物质的应用研究提供理论基础。
关键词：纤维生物质，生物炼制，燃料乙醇木质纤维生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源，指植物通过光合作用生成的有机资源，如树木、农作物秸秆等。
燃料乙醇由于其成熟的生产应用技术和丰富的原料来源成为世界各国首选的生物能源。
燃料乙醇的发展应立足于中国国情，走以非粮作物木质纤维素生物质为原料的生产路线。
每年全球光合作用产生的木质纤维生物质高达2000亿吨，相当于全世界每年消费能源的10倍，其中89％目前尚未被人类利用。
我国的木质纤维原料非常丰富，每年仅农作物秸秆就有7亿多吨。
纤维素类物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，采用生物炼制技术将它们充分利用，对我国经济和社会的可持续发展具有十分重大的意义。
以生物炼制为核心的生物技术第三次浪潮，将解决人类社会目前面临的资源、能源与环境等诸多重要问题。
一、木质纤维生物质简介及生物炼制技术木质生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素约占干重的35-45％，半纤维素约占20－40％，木质素约占15－30％。
纤维素是由D-吡喃葡萄糖基以β-1,4糖苷键连接而成天然链状高分子化合物，完全水解后得到葡萄糖。
半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的总称，主要是由木糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等连接而成的高分枝非均一聚糖。
各种糖所占比例随原料不同而变化，一般木糖占一半以上。
半纤维素排列松散，无晶体结构，故比较容易被水解成单糖。
木质素是以苯基丙烷为基本结构单元连接的高分枝多分散性高聚物。
木质素有一定的塑性，不溶于水，一定浓度的酸或碱可使其部分溶解。
纤维素乙醇生产成本比粮食乙醇高的部分原因是，目前研究中的木质纤维素类物质转化为乙醇的工艺加工过程复杂，但目标产物单一。
世界各国木质纤维原料生物转化燃料乙醇的工业化进程
历史回顾
自20世纪70年代石油危机以来，各国政府和科研机构开始可再生能源的开发 利用。在此背景下，木质纤维原料生物转化燃料乙醇技术得到了快速发展。首先 在美国、加拿大等国家实现了工业化生产，随后欧洲、南美洲和亚洲等地区也纷 纷跟进。目前，全球已有多个国家建立了规模化木质纤维原料生物转化燃料乙醇 的生产线，主要包括美国、加拿大、瑞典、芬兰、巴西、阿根廷和中国等。
预计未来几年，木质纤维原料生物转化燃料乙醇的需求量将不断增长。同时， 由于该领域的科技创新和工艺改进，生产成本将进一步降低，有望实现与石油燃 料的价格持平。在竞争格局方面，虽然目前全球范围内有许多企业涉足该领域， 但各企业的技术和规模差异较大，市场集中度不高。预计随着行业的发展，具有 技术创新和规模优势的企业将获得更大的市场份额。
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技术创新
随着科技的不断进步，木质纤维原料生物转化燃料乙醇的技术也在不断发展 创新。目前，主要有以下几种技术路线：
1、预处理技术：该技术旨在为微生物或酶提供适宜的底物，以促进转化效 率。常见的预处理方法包括化学预处理、物理预处理和生物预处理等。
2、发酵技术：发酵技术是利用微生物将木质纤维转化为乙醇的关键技术。 不同微生物种类的选择和优化对发酵效率有着重要影响。
世界各国木质纤维原料生物转 化燃料乙醇的工业化进程
01 关键词分析
03 技术创新 05 结论
目录
02 历史回顾 04 市场前景
本次演示旨在探讨全球木质纤维原料生物转化燃料乙醇的工业化进程。首先， 我们将概述木质纤维原料生物转化燃料乙醇的核心概念及其重要性。接着，我们 将深入分析世界各国在木质纤维原料生物转化燃料乙醇领域的技术创新和研究成 果，同时探讨该领域的市场前景。最后，我们将对全文进行总结，并提出对未来 发展的展望和建议。
利用木质纤维素生产燃料乙醇
纯化
通过蒸馏、过滤等手段，获得纯净的乙醇
木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
1.木质纤维素的预处理
由于木质纤维素的组成成分复杂、稳定，使得其生物降解 难于迅速进行。木质素虽然对纤维素分解物质（如酶等）反应 没有阻碍作用，但它阻止纤维素分解物对纤维素的作用，因此 人们不得不借助化学的、物理的方法进行预处理，使纤维素与 木质素、半纤维素等分离开；使纤维素内部氢键打开，使结晶 纤维素成为无定型纤维素，以及进一步打断部分β -1,4-糖苷键， 降低聚合度；半纤维素被水解成木糖、阿拉伯糖等单糖。经预 处理后，有的纤维素的酶法降解速率甚至可以与淀粉水解相比。
注:生物乙醇比重按照0. 79公斤/升折算, 1加仑=3. 785升
木质纤维素发酵生产乙醇的原理
木质纤维素转化为乙醇的步骤主要分为两步：纤维素水解 成糖，糖发酵成醇。由于木质纤维素结构复杂，纤维素、半纤 维素（半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体， 这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。） 不但被木质素包裹，而且半纤维素部分共价和木质素结合， 纤维素具有高度有序晶体结构。 因此必须经过预处理，使得纤维素、半纤维素、木质素分 离开，切断它们的氢键，破坏晶体结构，降低聚合度，以提高 水解效率。表2列出了几种木质纤维素中纤维素、半纤维素和木 质素的含量。
木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
预处理 预处理可以去除木质素和半纤维素，降低纤维素 的结晶性，从而增大原料的可接触表面积，使得 酶容易接近纤维素表面并进行水解。
木质纤维素制 备生物乙醇的 基本工艺
水解
水解过程是利用酸 或酶水解聚合物，使之成 为可溶性的单糖。
发酵
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
发酵过程是对水解产物(五碳糖 和六碳糖)进行发酵，获得乙醇。
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用 , 显示出采用热水预处理玉米秸杆具有更大的应 用价值[ 8] 。 同时他们采用在一定的压力下 , 使用温 度为 190 ～ 230 ℃的液态水快速处理(45 s ～ 4 min)未 粉碎的甘蔗渣 , 结果表 明 , 所有 的半纤维素和 超过 60 %的木质素被分馏出来 , 而少于 10 %纤维素进入 液相 , 对发酵有抑制的糠醛不超过 1 %, 液相中的半 纤维素也以各种单糖的形式存在 , 易于分离 , 这样纤 维素和半纤维素都能充分利用 , 有利于后续的糖化 和发酵过程的操作 , 提高酒精产率[ 9] 。 1.2.2 化学预处理
随着人类的发展和社会的进步 , 人们更加关注 环境问题 。石油和天然气在使用过程中会产生大量 NO x 、SO 2 、CO2 等气体 , 这些气体导致全球气候的变
化 , 以生物质为基础的液体燃料利用 , 可以明显减少 温室气体排放 , 以在汽油中添加 10 %的燃料乙醇为 例 , 将可减少 25 %～ 30 %的 CO 排放 , 分别减少 6 %
Key words: lignocellulosic biomass ; fuel ethanol; bioconversion; thermochemical conversion; pretreatment; sacchari fication ;f ermentation
环境污染 、全球变暖和能源短缺已经使可持续 发展成为当今世界各国所面临的最大挑战[ 1] 。为了 逐渐摆脱对石油的过度依赖 , 减少温室气体排放 , 许 多国家纷纷寻找石油的替代能源 。 我国是仅次于美 国的能源消费大国 , 需要从国外进 口大量的石油 , 2004 年我国石油消耗已达到 3 亿 t , 其中进口石油 1.2 亿多 t , 石油 对外依存度超过 30 %。 预计 2020 年我国石油消费量最少需要 4.5 亿 t , 届时石油对外 依存度可能达到 60 %[ 2] , 因此确保国家能源安全具 有重大的战略意义 。
Advances in production of fuel alcohol by lignocellulosic biomass
LI Xian-fa1 , ZHANG Y ing2 , LUO Xue-gang1
(1.School of Life Science and Engineering , Southwest University of Science and Technology , Miany ang 621010 , China; 2 .School of Chemistry and Material Science , University of Science and Technology of China , Hefei 230026, China)
在较高的温度(180 ～ 240 ℃)和压力下 , 液态水 部分离子化 , 例如在 220 ℃、水的 pH 为 5.5 条件下 , 水可以部分起到酸水解木质纤维的作用 。Allen 等 比较了在 210 ～ 220 ℃下分别采用热水 、低固体载荷 (5 %～ 10 %)和蒸汽 、高固体载荷(>50 %)对粉碎的 玉米秸杆处理 2 min , 考察了不同预处理方式对发酵 结果的影响 。结果表明 , 采用热水处理 、低固体载荷 得到的低聚戊糖 、葡聚糖含量远高于采用蒸汽处理 ; 热水分馏液对葡萄糖发酵产酒精没有抑制作用 , 而
目前最成熟的化学预处理技术是酸水解 , 包括 浓酸水解和稀酸水解 。 稀酸水解一般为两步法 :第 一步低温水解半纤维素 ;第二步高温水解纤维素 ;浓
酸水 解 是指 结 晶纤 维 素在 较低 的 温 度下 溶 解 于
72 %(质量分数 , 下同)的硫酸 、42 %的盐酸或 77 %～ 83 %的磷酸溶液中 , 在溶解过程中导致纤维素的均 相水解[ 10] 。
Jan .2009 · 20 ·
现代化工 Modern Chemical Industry
第 29 卷第 1 期 2009 年 1 月
利用木质纤维素生产燃料酒精研究进展
黎先发1 , 张 颖2 , 罗学刚1 (1 .西南科技大学生命科学与工程学院 , 四川 绵阳 621010 ; 2 .中国科技大学化学与材料科学学院 , 安徽 合肥 230026)
～ 10 %和 20 %的 CO2 和氮氧化物排放[ 3] 。 燃料乙醇不仅是一种优质的液体燃料 , 可以直
接代替汽油 、柴油等石油燃料 , 是最易工业化的一种 民用燃料或内燃机燃料 , 也是最具发展潜力的石油 替代燃料 。生物质可以通过热化学转化和生物转化 的方法生产燃料乙醇 , 目前工业上利用生物质通过 生物转化方法生产燃料乙醇的原料主要是农产品 , 如高粱 、玉米淀粉以及蔗糖等 。
稀酸水解和浓酸水解工艺各有优缺点 。 稀酸水 解的缺点是糖得率低 , 副产品多 , 水解反应降解产物
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现代化工
第 29 卷第 1 期
如糠醛等对发酵有一定的抑制作用 , 一些水解成分 对微生物发酵是有毒成分[ 11] 。 浓酸水解的 优点是 副产品少 , 糖得率较高 , 但是酸的回收利用使工艺更 加复杂 。此外 , 2 种工艺对设备的耐腐蚀性 要求较 高 , 同时在高温下对糖都有不同程度的降解 , 降低了 糖的得率 , 从而也降低了酒精的收率[ 12] 。
随着新一轮世界粮食危机的到来 , 导致全球粮 食供应紧张 ;另一方面燃料酒精的需求量越来越大 , 以粮食或糖类物质生产燃料酒精导致与人争粮 、与 粮争地的矛盾将更加突出 。纤维素是最丰富 、廉价 的可再生资源 , 植物每年通过光合作用能产生高达 1 550 亿 t 纤维素类物质 , 其中纤维素 、半纤 维素的 总量为 600 亿 t 。因此采用来源更广泛 、成本更低廉 的木质纤维素生产燃料酒精 , 可从根本上实现能源
木质纤维素原料通过发酵方法转化为酒精 , 必 须首先将木质纤维素中的木质素分离去除 , 并将纤 维素和半纤维素分解为可发酵性单糖 。 除去木质素 一般采用水解或酶解 。 在木质纤维素原料中 , 纤维 素是以晶体束状态埋植在半纤维素和木质素的复合 体里面 , 木质素在植物细胞结构中起保护作用 。 因 此无论是酸水解或酶水解 , 其及达度都很低 。 为了 提高纤维素水解速率及糖的得率 , 木质纤维素原料 在水解之前必须经过预处理 。 1.1 预处理在木质纤维素原料发酵产酒精的重要 地位
收稿日期 :2008 -11 -20 作者简介 :黎先发(1969-), 男 , 硕士 , 副研究员 , 主要从事生物质衍生物研究, lixianf a@swust .edu .cn 。
2009 年 1 月
黎先发等 :利用木质纤维素生产燃料酒精研究进展
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工业的可持续发生产燃料酒精是采用较广泛的一种途 径 , 主要包括预 处理 、糖化 、发 酵等工艺 , 预处理 是
生物转化的关键步骤 , 影响整个纤维素酒精生产过程 。 综述了木质纤维素经 过生物化学转 化和热化学转化 生产燃料酒精的 研
究进展 , 并对木质纤维素酒精研究面临的问题及今后的研究方向进行了展望 。指出在木质纤维素糖化和发酵工艺方面 , 需通过
多学科的整合 , 提高糖转化率和酒精的得率 , 降低生产成本 、加速木质纤维素燃料酒精的商业化应用 。
关键词 :木质纤维素;燃料乙醇 ;生物转化 ;热化学转化 ;预处理 ;糖化 ;发酵
中图分类号 :TK6 ;TQ35
文献标识码 :A
文章编号 :0253 -4320(2009)01 -0020 -07
木质生物质原料的收割 、收集 、储存 、运输以及 原料的预处理是整个燃料酒精的重要环节 , 占总成 本的 35 %～ 50 %, 特别是预处理环节影响整个生产 过程[ 4] 。Yang 等[ 5] 总结了纤维 质不同的预处 理方 法对整个发酵过程上 、中 、下游的影响 , 认为预处理 方法是非常关键的一步 , 预处理成本占总生产成本 的 20 %以上 。预处理方式对生物质原料的选择 , 原 料的采收 、储存 、尺寸减少等上游加工有影响 ;同时 预处理对下游过程加工过程及最终的生产成本有深 远的影响 。例如 , 采用酸水解时 , 水解液除葡萄糖单 体外还可能产生大量的阿拉伯糖 、半乳糖 、甘露糖 、 木糖等单体或寡聚体 , 这些糖在发酵过程中不能被 直接发酵而影响酒精的产率 , 另外预处理及水解过 程中可能还会产生对发酵有抑制或毒性的酚 、醛 、酸 等有机物[ 6] , 同时水解后 pH 的调节一方面会引入 杂质组分 , 另一方面水解方式会影响设备的选择 , 从 而影响固定资产的投资 , 这些都是需要在选择预处 理方式上全面考虑 。
以上诸多因素导致用木质纤维素原料转化为酒 精生产过程存在技术选择难度大 、生产成本高的问 题 , 目前仍缺乏低成本 、高糖得率的预处理方法 , 将 其中的纤维素 、半纤维素转化为可发酵性糖 。
1.2 木质纤维素预处理关键技术 多年来 , 研究人员一直寻求低成本 、高糖转化率
的木质纤维素的预处理方法 , 但是效果并不理想 , 概 括地说 , 木质纤维素的预处理方法主要有物理法 、化 学法 、物理-化学法以及生物法 4 类[ 5] 。 1.2.1 物理预处理
物理预处理主要有高温和一定压力的液化热水
浸渍处理以及蒸汽处理 。 由于液化热水处理条件相 对比较温和 , 纤维素降解较少但在后续的纤维素酶 水解程度较低 , 导致纤维素利用率不高而酒精得率 偏低 ;采用蒸汽爆破处理 , 反应条件剧烈 , 处理后部 分纤维素分解成葡萄糖并进一步降解成 5-羟甲基 糠醛 、乙酰丙酸 、甲酸 , 半纤维素也会部分降解成糠 醛和甲酸 ,降解后一方面降低了糖的收率 , 另一方面, 这些水解产物将对后续的发酵形成严重的抑制[ 7] 。
此外 , 预处理方式对残余物如木质素 、矿物质 、 蛋白质等的回收利用也有明显影响 。例如不同的预 处理方式会影响木质素的回收 , 有的预处理方式适 于将木质素作为生产生物质合成气的原料 , 有的适 于将木质素碎片作为中间化学品 , 而有的可能只能 作燃料 , 这些 将最终 影响 企业 的生产 成本 和经 济 效益[ 5] 。