利用木质纤维素生产燃料乙醇
纤维素质原料生产乙醇的研究现状
2010年第4期0引言随着人们对环境问题认识的加深,以及对所面临能源危机现状的忧虑,清洁、可再生的新能源———生物乙醇,受到了越来越多的关注。
以植物生物质为原料,生产生物乙醇已成为主要的研究方向,它满足了绿色环保、可持续发展的要求。
植物生物质主要包括:木材、农作物秸秆、林业加工废料和废弃纸品等[1]。
利用纤维素质原料生产生物乙醇具有以下优势:清洁环保,不污染环境;生产成本低;原料来源广,且可再生。
木质纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资源[17],全世界每年通过光合作用产生的木质纤维生物质高达1000×108t ,其中89%尚未被人类利用[32]。
我国是一个农业大国,各类农作物纤维质资源十分丰富,仅秸秆一项每年的产量就达7×108t 以上,其中玉米秸(35%)、小麦秸(21%)和稻草(19%)是我国的三大秸秆资源,林业副产品、城市垃圾和工业废物的数量也很可观,这些资源一直没有得到合理开发利用[31],由于秸秆燃烧的能量利用率低,被当作燃料直接燃烧,也造成了资源严重浪费。
综合利用纤维素质原料受到了各国政府以及世界环保组织的热切关注,特别是环境问题越来越突出的现实,也让人们看到了利用纤维素质原料生产生物乙醇的巨大潜力。
1原料的主要组成纤维素质物质的主要成分为:纤维素、半纤维素、木质素等,不同原料中各成分的含量不同。
生物质中各类纤维素含量见表1[2-3]。
纤维素是β-D 葡萄糖基1,4-糖苷键联结而成的线性高分子化合物。
据戈林(J.Go ring )等人研究,在纤维素细胞的次生壁中,微细纤维、木质素、半纤维素3种组分均呈不连续的层状结构,彼此粘结又互相间断。
微细纤维是构成细胞壁的骨架,木质素、半纤维素则是微细纤维之间的填充剂和黏结剂。
纤维素收稿日期:2009-12-05基金项目:河南省杰出人才创新基金资助项目(0621000900)。
作者简介:王罗琳(1985-),女,河南人,在读硕士,研究方向:生物质乙醇发酵。
纤维素制取乙醇技术
纤维素制取乙醇技术1引言能源和环境问题是实现可持续发展所必须解决的问题。
从长远看液体燃料短缺将是困扰人类发展的大问题。
在此背景下,生物质作为唯一可转化为液体燃料的可再生资源,正日益受到重视。
所以生物质制液体燃料的技术很有发展前途,这中间又以生物质制燃料乙醇技术备受关注。
现有工业化燃料乙醇生产均以糖或粮食为原料[1,2],其优点是工艺成熟,但是产量受原料的限制,难以长期满足能源需求;从长远考虑,以纤维素(包括农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾等)为原料生产燃料乙醇,可能是解决原料来源和进行规模化生产的主要途径之一。
我国有发展纤维素制乙醇的有利条件,每年仅农作物秸秆就有7亿多吨(干重)[3],而我国粮食资源并不丰富,因此将农林废弃物转化为燃料乙醇,形成产业化利用,非常适合我国的国情,从能源安全角度上看也是十分有利的,而且可消除由焚烧秸秆造成的环境问题。
2纤维素制取乙醇基本原理[4]纤维素废弃物的主要有机成分包括半纤维素、纤维素和木质素3部分。
前二者都能被水解为单糖,单糖再经发酵生成乙醇,而木质素不能被水解,且在纤维素周围形成保护层,影响纤维素水解。
半纤维素是由不同多聚糖构成的混合物,聚合度较低,也无晶体结构,故较易水解。
半纤维素水解产物主要是木糖,还包括少量的阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖,含量因原料不同而不同。
普通酵母不能将木糖发酵成乙醇,因此五碳糖的发酵成为研究的热点。
纤维素的性质很稳定,只有在催化剂存在下,纤维素的水解反应才能显著地进行。
常用的催化剂是无机酸和纤维素酶,由此分别形成了酸水解和酶水解工艺,其中的酸水解又可分为浓酸水解工艺和稀酸水解工艺。
纤维素经水解可生成葡萄糖,易于发酵成乙醇。
木质素含有丰富的酚羟基、醇羟基、甲氧基和羰基等活性基团,可以发生氧化、还原、磺甲基化、烷氧化和烷基化等改性反应。
通过木质素改性和综合利用,可提取许多高附加值的化学产品,为提高木质纤维素生产燃料乙醇的经济性开辟了新的途径,日益受到科技工作者的重视[5,6]。
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 -
生物质能利用之燃料乙醇技术
6. 1,3-二磷酸甘油酸的生成 7. 3-磷酸甘油酸的形成 8. 3-磷酸甘油酸和2-磷酸甘油酸互变 9. 2-磷酸烯醇式丙酮酸的生成 10. 丙酮酸的生成 11. 丙酮酸脱羧生成乙醛 12. 乙醛还原生成乙醇
(二)发酵过程中的副产物 1. 甘油和琥珀酸的生成 2. 杂醇油的生成 3. 有机酸的生成
二、淀粉质原料乙醇发酵工艺类型
间歇发酵工艺 半连续式发酵工艺 连续发酵工艺
一、生物质原料乙醇各种乙醇转化酶的催化 作用下发生的,有12步生化反应: 1. 葡萄糖的磷酸化——6-磷酸葡萄糖的生成 2. 6-磷酸葡萄糖和6-磷酸果糖的互变 3. 6-磷酸果糖生成1,6-二磷酸果糖 4. 1,6-磷酸果糖分解生成两分子三碳糖 5. 磷酸二羟基丙酮与3-磷酸甘油醛互变
三、乙醇发酵过程 1. 发酵前期 2. 主发酵期 3. 发酵后期 四、乙醇生产过程常用的技术指标 1. 原料利用率 2. 乙醇生产效率
谷类原料
薯类原料
野生植物原 料
2.
糖类生物质 原料
甘蔗
甜高粱
甜菜
3. 木质纤维素类原料
木质纤维素原料被认为来源最为广泛的燃料乙
醇生产原料。天然木质纤维素原料含有纤维素、半纤 维素和木质素,三者相互缠绕、包裹紧紧结合在一起, 形成一个复杂而稳定的有机体,构成植物细胞壁等保 护性组织。
一、淀粉类原料预处理 (一)原料的清杂与粉碎:原料除杂和粉碎 (二)淀粉质原料的水热处理和糖化 1. 水热处理和糖化的目的和要求 2. 水热处理和糖化工艺 3. 糖化工艺 4. 糊化和糖化的质量控制
一、燃料乙醇的定义和性质
1. 燃料乙醇的定义
乙醇又称酒精,是由C、H、O三种元素组成的有 机化合物。分为燃料乙醇和变形燃料乙醇。
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
纤维素乙醇产业现状及关键过程技术难点
纤维素乙醇家产现状及重点过程技术难点公司,2012 年,龙力生物成立了当时中国最大的纤维素乙醇厂,最多可年产 5 万 t 酒精,但遗憾的是该装置目前也处于停运状态。
其余国内在建或已经成立的纤维素乙醇项目也都处于停产状态或许从未动工,河南天冠公司在南阳成立的 3 万 t/a 醇电联产项目自建成以来从未运转,其余几家与外国公司合资成立的工厂也没有动工。
2纤维素乙醇重点过程技术难点2.1 纤维素乙醇重点过程用木质纤维素原料生产乙醇,主假如利用木质纤维素经过预办理产生半纤维素和纤维素,后酶解产生可发酵糖发酵生产乙醇,而后通过必定的分别提纯手段获取合格产品。
纤维素乙醇生产工艺主要包含原料收储运、原料预办理、酶解、水解糖发酵、乙醇产品脱水精制和污水办理几个单元,主流工艺流程简图如图 3 所示。
2.2 重点过程技术难点2.2.1 原料根源不稳固目前用于乙醇生产的木质纤维素主要根源于农作物秸秆,但秸秆种类众多、性状不一,散布分别,收获拥有季节性,所以秸秆的采集、储藏和运输花费约占乙醇生产成本的三分之一。
且秸秆易燃易潮易发霉,长久储藏需要做好防雨、防潮、防火和防雷等设备建设,平时还需要进行必需的保护和管理。
所以秸秆收、储、运是秸秆大规模能源化利用的一大瓶颈,建立合理的秸秆收储运系统对纤维素燃料乙醇连续化生产至关重要。
2.2.2 预办理工艺复杂,收率低预办理过程相当于整个纤维素乙醇生产的龙头单元,预办理技术不单对其过程自己有影响,还几乎间接控制着其余所有操作过程,高水平的预办理技术能够降低昂贵酶制剂的用量,减少酶克制物和酵母克制物的生成,提升酶解速率和发酵水平。
但木质纤维素生物构造密切复杂,拥有激烈的抗降解性,需要经过特别物理化学方法办理来将木质纤维素的构造翻开,降低聚合度和结晶度,增添物料的比表面积。
一般的预办理方式有化学法,物理法、生物法及物理化学联合法等。
但单调的方法成本很高且办理成效不好,仅有物理化学联合法办理成效较好且经济可行,是目前使用许多的预办理方法,主要物理化学法有研磨后酸碱分解、稀酸 / 碱蒸汽爆破、亚硫酸盐蒸煮法等。
木质纤维原料制乙醇原料预处理技术
物理法 荔嚣、机械粉碎、超细 耗能,成本高
…麓淼≯瓣誉奎墨鋈
生物法塞釉满麟濑釉箍嚣嚣娩
综合法塞鬻臌二靴硫;嚣h椭简
3.I物理法 3.1.1机械粉碎
机械粉碎法处理木质纤维原料的基本原理是: 机械粉碎可以减小颗粒度,提高接触表面积,打破部 分致密结构,降低纤维素结晶度和聚合度,纤维素在 粉碎、研磨过程中能吸收机械能而引起形态和微细 结构的改变,使结晶度下降、可及性明显提高,从而 提高酶解转化率。细胞韧性(由细胞壁中纤维素、
基于木质纤维原料结构的复杂性和致密性,对
[收稿日期]2008—07-07
[作者简介)靳胜英(1971一),女,山西太原市人,博士、工程师,从事石油及新能源研究
82中国工程科学
万方数据
木质素
。\
纤维素
无定型区, L
厂 结晶区.{
L
纤维素
图1木质纤维素原料预处理的目的 Fig.1 The purpose of pretreatment
1)y辐射。7辐射常用于破坏秸秆等农业废弃 物细胞壁的组成或降低纤维的聚合度、脱除木质素。 电离辐射处理木质纤维原料提高转化效率的作用机 理,一方面是使纤维素解聚,另一方面是使纤维素的 结构松散,晶体结构改变,活性增加,可及度提高。 采用辐射(或电子束)与化学法联合处理秸秆等农 业废弃物能使纤维素、半纤维素、木质素降解量比单 独采用其中一种方法处理时降解量增加。无论是采 用高辐射剂量(最高到500 kg)和低浓度化学试剂 (最高5%),还是采用低辐射剂量和高浓度化学试 剂来处理农业废弃物都得到了相同的结论"]。研
84中国工程科学
万方数据
采用酸处理木质纤维素原料的主要问题在于生 成糠醛、有机酸等后续乙醇发酵过程的抑制物。此 外,酸预处理后必须中和剩余的酸,去除中和反应产 生的盐,这些操作都会增加生产成本113,141。 3.2.2溶剂处理
木质纤维素燃料乙醇生物转化预处理技术
122 碱 预 处 理 ..
机械粉碎 即将物料切碎 、 碾磨处理 成 l 3 m或 0 2~2 0~ 0 m . m m的颗粒 , 比表 面积增高 , 结晶度 、 聚合度降低 , 可及 度增加 , 有 利于提高基质浓度和酶解效 率 , 但不 能去除木质 素及 半纤 维素。 粉碎分为干粉碎 、 粉碎 , 湿 包括 球磨 、 盘磨 、 辊磨 、 磨 、 锤 胶体 磨 、
熟高效的戊糖发酵技 术 因素 制约 , 纤维 素乙 醇至今未能 完全 工 业化 。经济有效 的 预处 理技术 一般 应 具备 以下 几个 特点 或优
醇是生物质液体能源 的主要形式 , 清洁可再生 , 化石燃料 的理 势 : 是 ①适 用范围广 , 多种原料 均有较 高 的得 率 ; 对 ②降低 粉碎 成 本, 高消化 ( 酶解 ) ; 率 ③糖 浓度 高 、 降解 损 失少 ; 抑制性 产物 ④ 低; ⑤废弃物 少; ⑥设备 合理 、 投资 少 ; 戊糖 、 ⑦ 己糖发酵 兼容性 好; ⑧木 质素可分离 回收; 能耗低… 。本 文对前景较好 的热点 ⑨
21 年 3 0 1 9卷第 l 3期
广州 化工
・ 9・
结晶度和聚合度 。常用 的物理方法包 括机械粉碎 、 械挤 出、 机 高 能辐射等… 。
1 11 机 械 粉 碎 ..
木质 素被水解或降解 , 同时纤维素结晶度降低 , 升高温度或增大硝 酸浓度会加速纤 维素的 乙酰化 。稀酸法结 合新 型的反应器如逆
技术及方 向的研究进 展进行 了综 述和总结 , 并展 望 了其 发展趋
势。
1 木质 纤维素预处理技术
单独某一种预处理方 法并非 对任何 原料 都有较 好 的效 果。 目前的木质纤 维素 预处 理方 法有 很 多种 , 可分 为 物理 法 、 学 化
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 ・
纤维素制备乙醇
纤维素制备乙醇摘要: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。
关键字:纤维素 燃料乙醇纤维素原来生产乙醇的过程可以分为两步。
第一步,把纤维素水解为可发酵的糖,即糖化。
第二步,将发酵液发酵为乙醇。
通过发酵法制取乙醇的工艺流程图。
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酸水解技术纤维素的结构单位的D-葡萄糖,是无分支的链状分子,结构单位之间以糖苷键结合而成长链。
纤维素经水解后可生成葡萄糖。
纤维素分子中的化学键在酸性条件下是不稳定的。
在酸性水溶液中纤维素的化学键断裂,聚合度下降,其完全水解产物是葡萄糖。
纤维素酸水解的发展已经历了较长时间,水解中常用无机盐,可分为浓酸水解和稀酸水解。
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。
目前使用的纤维素酶的比活力较低,单位原料用酶量很大,酶解效率低,产酶和酶解技术都需要改进。
为了满足竞争的需要,生产每加仑乙醇的纤维素酶的成本应该不超过7 美分。
但在目前产酶技术条件下,生产1加仑乙醇需用纤维素酶的生产费用约为30~50 美分。
要实现纤维素物质到再生能源的转化主要有两点:首先可以寻找适合于工业生产的高比活力的纤维素酶。
细菌和真菌产生的纤维素酶均可纤维素 粉碎与混合 酸水解酸回收 预处理 酶水解 发酵 乙醇以水解木质纤维素物质,细菌和真菌中都存在有复杂的纤维素酶水解系统,虽然其水解微晶纤维素的能力非常强,但是由于其复合物的分子量十分巨大,并且单个组份又不具有水解微晶纤维素的能力,所以人们一直试图从其他物种中寻找更符合工业应用以及更具有应用前景的纤维素酶。
纤维素生产酒精
天然纤维素生产酒精的研究进展秸杆的主要成分是木质纤维素。
是纤维素、半纤维素和木质素混合在一起的材料。
用木质纤维素作为糖源生产燃料酒精,目前糖的利用和转化率还很低,通常只有百分之十几。
在秸秆中纤维素、半纤维素和木质素通过共价键或非共价键紧密结合而成的木质纤维,占秸杆总重量的约70-90 %左右。
植物中三者各占的比例随不同来源的植物或植物的不同部分而有所区别,大概的比例数字为:纤维素30-50%半纤维素20-35%木质素20-30%灰份0-15%其实纤维素的非结晶结构是很容易被打破的,它可以完全降解成葡萄糖,后者是发酵乙醇的原料。
目前遭遇的主要问题是,纤维素的结晶结构难以被破坏,致使人们无法完成后续处理。
纤维素和半纤维素被难以降解的木质素包裹,使得纤维素酶和半纤维素酶无法接触底物,这构成了木质纤维素利用的重大障碍。
只有经过有效的预处理方法,破坏了木质纤维素的高级结构,实现纤维素酶和半纤维素酶对纤维素的可及性,才能使木质纤维素作为自然界里最大宗的资源,像淀粉一样被人和动物完全利用。
纤维素被纤维素酶水解的反应通常又称为糖化反应,水解的主要产物是单糖。
植物细胞壁中,纤维素被半纤维素和木质素通过物理和化学作用所包裹,不利于纤维素酶对纤维素的进攻。
木质素是由苯基丙烷聚合而成的一种非多糖物质。
由芳香烃的衍生物以-C-C-键、-0-键纵横交联在一起,其侧链又与半纤维素以共价键结合,形成一个十分致密的网络结构,将纤维素紧紧包裹在里面。
所以,要彻底降解纤维素,必须首先降解木质素。
未经预处理的植物纤维原料的天然结构存在许多物理和化学的屏障作用,纤维素酶水解得率低,仅为10%- 20%禾本科植物秸秆含有的半纤维素一般为木聚糖,占干重的25-30%。
半纤维素能被木聚糖酶(xylanase , EC3 2. 1. 8)――半纤维素酶,降解成木糖。
天然半纤维素水解产物的85-90%是木糖。
以植物纤维素原料中的木糖发酵生产酒精,能使纤维素原料的酒精发酵的产量在原有的基础上增加25%。
燃料乙醇的生产工艺
燃料乙醇的生产工艺燃料乙醇生产工艺指的是以农作物、废弃物、木质素等为原料,通过发酵和蒸馏等工艺将糖类转化为乙醇的过程。
下面将介绍一种常见的燃料乙醇生产工艺。
首先,在燃料乙醇的生产中,需要选择适合的原料。
常见的原料包括玉米、小麦、甘蔗、木材、稻草等。
这些原料含有丰富的淀粉、纤维素等碳水化合物,在适当的条件下可以转化为糖类,进而发酵生成乙醇。
接着,原料经过破碎和糖化处理。
原料首先需要进行物理或机械破碎,将其分解成较小的颗粒。
然后,在一定温度和pH值的条件下,加入水和酶,将淀粉或纤维素等碳水化合物转化为糖类。
这个过程称为糖化,主要使用的酶有淀粉酶和纤维素酶。
接下来,经过发酵过程。
将糖化液中的糖类转化为乙醇的过程称为发酵。
常见的发酵菌有蔗糖酵母菌和木质素酵母菌等。
发酵过程需要控制温度、pH值和氧气供应等因素,使得发酵菌能够充分利用糖类进行生长和代谢,产生乙醇。
发酵结束后,需要对发酵液进行蒸馏。
蒸馏的目的是将发酵液中的乙醇与其他杂质分离开。
蒸馏过程可以使用常规或连续蒸馏设备,通过控制温度和压力,将乙醇与水以及其他挥发性成分分离开。
最终得到的是高纯度的乙醇。
最后,对蒸馏后的乙醇进行脱水处理。
脱水工艺是为了去除乙醇中的水分,提高乙醇的纯度。
常见的脱水方法有吸附剂吸附、蒸汽进一步蒸馏等。
通过脱水工艺,可以得到高纯度的燃料乙醇。
总的来说,燃料乙醇的生产工艺包括原料选择、糖化、发酵、蒸馏和脱水等环节。
每个环节都需要控制适当的条件和使用合适的设备和酶等辅助剂。
随着科技的发展,燃料乙醇的生产工艺也在不断创新和改进,以提高乙醇的产量和纯度,同时减少能源和资源的消耗,促进可持续发展。
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。
生物乙醇发展历程
生物乙醇的发展历程如下:
上世纪80年代,人们开始以谷物为原料生产乙醇用作燃料,被称为第1代燃料乙醇。
1998年,美国第一家商业化以纤维质(蔗渣和稻草壳)为原料生产酒精的工厂破土动工,标志着生物燃料乙醇制备技术的成熟。
随着石化燃料供应的减少,以木质纤维素为代表的非淀粉原料的2代生物乙醇工业开始发展,克服了1代生物乙醇与食品供应之间的竞争,但纤维素酶产量低、不稳定、难以工业化,导致生产成本提高。
生物乙醇是一种燃烧充分、可再生的燃料,近年来备受青睐。
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。
木质纤维素为原料的燃料乙醇预处理技术研究进展
摘
要: 细介 绍 了纤维 素原料预处理 方法 , 详 并对各种 方法 的优缺 点进行 了分析 和讨论 。
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关 键 词 : 质 纤 维 素 ; 处 理 ; 料 乙 醇 木 预 燃
目前 ,社 会 和 经 济 可 持 续 发 展 的重 要 基 础 之
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利用木质纤维素生产燃料乙醇
前言
经济社会的发展以能源为重要动力,经济越发展,能源消耗越多。
到2059年,也就是世界上第一口油井开钻200周年之际,世界石油资源大概所剩无几。
而生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能,最有可能成为21世纪主要的新能源之一。
据估计,植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍;而作为能源的利用量还不到其总量的1%。
专家预测,生物质能源将成为未来持续能源重要部分,到2015年,全球总能耗将有40%来自生物质能源。
然而燃料乙醇的生产如均以糖类或粮食为原料,其产量受到粮食资源的限制,难以长期满足能源需求。
从长远考虑必须进行科技创新,扩大原料来源。
含木质纤维素的生物质废弃物是生产燃料乙醇的另一原料来源,它包括农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃生物质等。
国内外专家对木质纤维素原料转化为乙醇燃料进行了大量的研究。
一.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。
表 2 几种典型木质纤维素原料的组成
质量分数/%
原料纤维素半纤维素木质素
玉米秸秆36 28 29
小麦秸秆36 28 22
稻草37 19 10
稻壳36 20 19
高粱秸秆32 19 14
云杉43 26 29
松木44 26 29
桦木40 39 21
柳木51 29 16
杨木51 29 16
新闻纸62 16 21
图1 植物细胞壁构成示意图
所有植物来源的木质纤维素均含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素,纤维素和半纤维素可作为乙醇发酵的原料。
图2 木质纤维素发酵生产乙醇的路线
纤维素是一种有100--1000个β-D-吡喃型葡萄糖单体以β-1,4-糖苷键连接的直链多糖,多个分子平行紧密排列成丝状不溶性微小纤维。
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成本降低25%,这主要是木糖的作用。
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、葡聚糖外切酶、葡萄糖苷酶3个主要成分组成的诱导型复合酶系。
葡聚糖内切酶和葡聚糖外切酶主要溶解纤维素,葡萄糖苷酶主要将纤维二糖转化为葡萄糖,当3个主要成分的活性比例适当时,就能完成纤维素的降解。
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。
二.木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
木质纤维素制备生物乙醇的基本工艺可以分为预处理、水解、发酵和纯化等四部分。
预处理的目的是去除阻碍糖化和发酵的生物质内在结构,粉碎木质素对纤维素的保护,破坏纤维素的晶体结构,使之与生物酶充分接触,取得良好的水解效果。
评估预处理方法的有效性有以下几个标准:预处理工艺前无须对原料进行粉碎处理;可以保留半纤维素中的戊糖结构;有效限制对发酵过程具有抑制作用的物质产生;能源消耗低等。
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。
目前,酶水解以其较高的转化率(接近理论值),被认为是最具商业前景的水解方法。
发酵过程:对水解产物(五碳糖和六碳糖)进行发酵,获得乙醇。
纯化处理:通过蒸馏、过滤等手段,获得纯净的乙醇。
在这四部分中,预处理过程是生物质制备乙醇商业化的关键步骤,是整个制备过程中最昂贵的步骤之一,对其之前的原料尺寸处理和其之后的酶水解与发酵过程都有很大的影响,如预处理效果好,水解过程中酶用量就少,并且无须使用价格较高的酶。
木质纤维素类生物质水解后获得的糖组分主要的是葡萄糖,还包括木糖、半乳糖、树胶醛糖等可溶性的低聚糖。
此外,水解过程产生的一些酸、醛等也会影响发酵过程中微生物的活性。
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。
表3 木质纤维素材料的预处理方法
2. 纤维素发酵生产乙醇
纤维素是一种有100--1000个β-D-吡喃型葡萄糖单体以β-1,4-糖苷键连接的直链多糖,多个分子平行紧密排列成丝状不溶性微小纤维。
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。
3. 木糖发酵生产乙醇
4.发酵方式
1)直接发酵法:基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产乙醇,不需要经过酸解或酶解前处理过程。
特点是设备简单,成本低廉;但乙醇产率不高,产生有机酸等副产物。
方法
例 证 热机械法
碾磨,粉碎,抽提 自动水解法
蒸汽爆破、超临界CO 2爆破 酸处理法
稀酸(H 2SO 4,HCl ),浓酸(H 2SO 4,HCl ),乙酸等 碱处理法 NaOH ,碱性过氧化氢,氨水
有机溶剂处理法 甲醇,乙醇,丁醇,苯
生物法
木素过氧化物酶,Mg 依赖过氧化物酶
2)间接发酵法:先用纤维素酶水解纤维素,酶解后的糖液作为发酵碳源。
乙醇产物的形成受末端产物抑制和低细胞浓度以及基质抑制。
为了克服乙醇产物的抑制,必须不断的从发酵罐中移出。
3)混合菌种发酵:采用气升柱发酵木糖和溢流柱发酵葡萄糖的串联发酵工艺。
串联发酵是首先经P.s酵母的限氧发酵后,再经S.c的厌氧过程而结束。
4)同时糖化发酵法(SSF法):在同一个反应罐中进行纤维素糖化和乙醇发酵的同步糖化发酵法。
这样水解产物葡萄糖由菌体的不断发酵而被利用,消除了葡萄糖因基质浓度对纤维素酶的反馈抑制作用。
5)非等温同时糖化发酵(NSSF法):在纤维素酶糖化过程中,纤维素酶的最适温度为50℃左右,而酵母发酵的控制温度是31-38℃。
利用NSSF法很好地解决了纤维素酶糖化与酵母发酵两个过程中温度不协调的矛盾。
6)固定化细胞发酵:固定化细胞发酵具有能使发酵器内细胞浓度提高,细胞可连续使用,使最终发酵液乙醇浓度得以提高。
三.结论
1.木质纤维素发酵生产酒精中木糖不能被有效地转化成乙醇(采用双载体系统、采用PCR技术克隆木糖异构酶基因)
2.当前限制木质纤维素发酵生产燃料乙醇的主要原因是成本太高,降低成本的主要措施是降低纤维素酶的价格,对纤维素酶生产菌株进行改良以降低纤维素酶的价格是当务之急。