木质纤维制乙醇关键设备结构研究
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。
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 －
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
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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
木质纤维素生物质预处理技术的研究进展
2.1 物理法
2.1.1 机械粉碎 利用削片、粉碎或研磨把木质纤维素
生物质变成 10~30 mm 的切片或 0.2~2 mm 甚至更为细
小的颗粒，以提高比表面积可及性，降低纤维素结晶度
和聚合度，从而提高酶解转化率 。 [4] 机械粉碎的优点
是经处理的纤维素粉颗粒没有膨润性，体积小，原料的
水溶性组分增加，可提高基质浓度，纤维素的水解率也
蒸汽爆破技术分为添加化学试剂和不添加化学试 剂 2 种。Ballesteros 等[14]对不同颗粒大小的禾本农业 废弃物基质通过汽爆处理后的酶解效果研究表明：基 质颗粒较大时（8~12 mm），处理后酶解效果较好，基质 较小时采用汽爆处理后酶解效果反而不理想。 Mielenz 等 研 [15] 究了用蒸汽爆破杨木时加入 NaOH，随 碱浓度的增加，木质素脱除率升高，最高可达 90%。 Linde 等[16]在蒸汽爆破处理前用 0.2% H2SO4 预浸处理 麦秆，分别在 190℃、200℃和 210℃条件下处理 2 min、 5 min 和 10 min。 结 果 表 明 ，在 190℃ 温 度 下 处 理 10 min，葡萄糖和木糖的得率最高。蒸汽爆破预处理 技术因其节能、无污染、酶解效率高和应用范围广，适 用于处理植物纤维原料的简单高效的处理方式，可用 于硬木、软木和农业废弃物等各种植物生物质。 2.2.2 SO2 蒸汽爆破 SO2 蒸汽爆破是在蒸汽爆破预处 理过程中添加 SO2 气体，旨在提高纤维素和半纤维素 的转化率和酶水解效率。Öhgren 等[17]研究了用 SO2爆 破法处理玉米秸秆，处理条件为 190°C，5 min，3% SO2 （按原料干重计算），处理后的玉米秸秆在酶解过程中 除了采用纤维素酶外，还添加了半纤维素酶，葡萄糖得 率 达 到 了 接 近 理 论 转 化 率 的 酶 解 效 率 ，木 糖 得 率 达 70%~74%。 2.2.3 氨纤维爆裂 氨纤维爆裂是指将木质纤维素生物 质置于高温高压状态的液态氨中，保持一定时间，然后
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%。
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。
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。
木质纤维制乙醇关键设备结构研究
产量低 ，实现大工业生产难度 大 。本文就新型木质纤 维原料螺杆挤 压膨化 机进行 探讨 。
本机采用特殊设计 的变外径、变螺距 的组合型螺 杆 与模 板 ，可以在 没有 前部锥 形阀的封堵情况下，直 接 封住滞 留器 中反窜的蒸 汽，保持滞 留器 内的压力。 机 内螺杆 （） ５，依次在 ｘ１ Ｘ 至 ２之间采用等螺距
摘
要 ：螺 杆挤 压技 术 用 于处理 木质 纤维植 物 可 实现 连 续化 蒸爆 。通过 分析 螺杆挤 压膨化 机 的结 构和 工 艺
过程 可知 ，螺杆挤 压 膨化机 可作 为木质 纤 维原料 制 作 乙醇 工 艺生产 中预 处理 工序 中的一 台关键 设备 。
关键 词 ：木 质 纤维植 物 ； 螺 杆 ； 蒸汽爆破 ； 预 处理 中图分 类号：Ｔ ５ ；Ｔ ２ Ｑ ０ １ Ｈ １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ２ １２ １）３ ０ ５ — ３ ０ ９ ３ ８ （０ ２０ — ０ ４ ０
料进 料量 的多少 ，调节 电机 的转 速 ，保持 稳定生产 。 膨化机 的减速机与螺杆 同轴 ，采用带推力轴 承座 的两 级斜齿轮传动 的减速机 ，以平衡螺杆 的轴 向力 ，降低 螺杆 的转速 ，增 大螺杆 的扭矩 。 考 虑进 料 方便 ，设计 中选 用 ４倍 于 出 口螺杆 直
收 稿 日期 ：２ １—４２ ０ ２０ —０
螺纹 ；在 Ｘ ２至 Ｘ３之问采用 变外 径 、变螺距 的连 续
１ 功 能描 述
螺杆挤压 膨化 机结构 如 图 １ 所示，其工作 原理：
切碎 的木质纤 维原 料在进 料 口处 进 入单螺 杆挤 出机 ， 在 防反喷 阀的作用下形成料 塞，料 塞在单 螺杆挤 出机
的推动下向前移动 。当料塞进入滞留器上方时，高温高 压 的蒸 汽 由人 口处进 入，并 迅速渗透 到物料 内部 ，使 物料温 度迅 速上升，物料组织 内部压力与滞 留器压力 平衡 。物料散 落到滞 留器 内， 由滞 留器 内的螺带推动
木质纤维素类生物质制备生物乙醇进展
2013 年 1 月
方志锋等： 木质纤维素类生物质制备生物乙醇研究进展 微波处理可以提高可发酵糖的产率 。
· 31·
目前， 常用的预处理方法主要分为物理法 、 化学 法、 生物法
［5 ］
以及其他联用技术。 其中物理方法主
蒸汽爆破、 微波、 超声波处理等， 通 要包括机械破碎、 过这些方法处理原料可有效地改变天然纤维素的结 碱、 臭氧和其他有机溶剂 构。化学方法主要包括酸、 处理， 可破坏纤维素的晶体结构， 打破木质素和纤维 素的连接。生物法是利用可降解木质纤维素类物质 的微生物产生的酶来降解木质素和溶解半纤维素 。 然而， 上述方法无论从技术还是经济效益方面都不 能使生物乙醇大规模生产。各国研究者针对不同的 木质纤维素类物质提出不同的预处理方法 云杉 2. 1
世界各国亟待解决的能源问题之一 。中国生物质原 料资源十分丰富， 预计到 2030 年， 我国的有机废弃 — —作物秸秆、 物— 林业采伐及加工剩余物、 工业有机 废弃物和城市有机垃圾等原料资源的年产能可达 1. 66 × 10 16 kJ［2］， 其中大部分有机废弃物的重新利 用都涉及纤维素类生物质的降解转化问题 。 天然的木质纤维素类生物质主要包括纤维素、 半纤维素和木质素， 其结构异常复杂， 具有很大的结 晶性。 纤维素是自然界中分布最广， 含量最多， 由葡萄 是由 糖组成的大分子多糖。 其通式为 （ C6 H10 O5 ） n ， D －葡萄吡喃糖基以 β －1 ， 4 糖苷键链接、 定向排列的 线型高分子化合物， 结构式如图 1
随着全球经济的快速发展， 能源危机已经是世 界各国必须面临的难题之一。伴随着石油和天然气 等不可再生能源的逐渐枯竭， 环境压力与日俱增。 生物乙醇燃料作为新能源将是不可避免的发展趋 势。如何开发和利用生物乙醇是目前世界各国学者 共同关注的焦点
纤维素乙醇产业现状及关键过程技术难点
第48卷第9期 当 代 化 工 Vol.48，No.9 2019年9月 Contemporary Chemical Industry September ，2019基金项目： 国家自然科学基金，项目号：21706011。
收稿日期： 2019-07-22 作者简介： 田芳（1991-），女，硕士，研究方向：生物质能源与化工。
E-mail ：tianfang1@ 。
通讯作者： 佟毅（1963-），男，教授级高级工程师，博士，研究方向：玉米深加工。
E-mail ：tongyi@ 。
崔兆宁（1987-），男，中级工程师，博士，研究方向：蛋白质构象的分子动力学模拟。
E-mail:cuizhaoning@ 。
纤维素乙醇产业现状及关键过程技术难点田芳1，李凡1,3，袁敬伟3，许克家1，王康1，王灿1，叔谋1，李义2，佟毅2*，崔兆宁1*（1. 中粮营养健康研究院， 北京 102209； 2. 吉林中粮生化有限公司，吉林 长春 130033； 3. 中粮生化能源（肇东）有限公司，黑龙江 肇东 151100）摘 要：目前生产燃料乙醇主要以糖质和淀粉质粮食为原料，随着清洁能源需求增加和粮食短缺问题日益突出，因此研究以木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇势在必行。
介绍了木质纤维素燃料乙醇国内外研究现状和产业化现状，从技术层面分析了纤维素乙醇研究及产业化过程中的主要技术难点，提出了目前研究认为可行的一些建议解决斱案。
关 键 词：生物燃料；纤维素乙醇；产业化现状；技术难点；可行性斱案中图分类号：TQ 914 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2019）09-2051-06Industrialization Status and Key Process TechnicalDifficulties of Cellulose EthanolTIAN Fang 1, LI Fan 1, YUAN Jing-wei 3, XV Ke-jia 1, WANG Kang 1, WANG Can 1, SHU Mou 1, LI Yi 2, TONG Yi 2*,CUI Zhao-ning 1*（1. COFCO Nutrition and Health Research Institute, Beijing 102209, China ； 2. Jilin COFCO Biochemical Co., Ltd., Jilin Changchun 130033, China ；3. COFCO Bio-energy （Zhaodong ）Co., Ltd., Heilongjiang Zhaodong 151100, China ）Abstract : Biofuel ethanol refers to a green additive produced from biomass to improve the combustion performance of gasoline while reducing pollutant emission of automobile exhaust. At present, the fuel ethanol is mainly produced from saccharide and starch. However, the increasing demand for clean energy and food shortage become more and more serious, so it is imperative to study the second-generation fuel ethanol based on lignocellulose. In this paper, the research status and industrialization status of lignocellulosic fuel ethanol at home and abroad were introduced, the main technical difficulties in the industrialization of cellulose ethanol were analyzed, and some feasible solutions for the main technical difficulties were put forward.Key words : Biofuel; Cellulosic ethanol; Industrialization; Technical difficulties; Feasibility plan全球经济快速增长带动能源消耗大幅增加，不可再生化石燃料的减少及使用过程所带来的一系列环境问题使得収展绿艱可再生能源势在必行。
纤维质原料生产燃料乙醇的研究进展
目 ，许多国家虽然建造了纤维质原料的燃 前
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 成本
高压蒸发器和地压蒸发器 ，最后送往中和器 。它 的特点在 于酸水 解 在 高 温条 件 下 进行 ，由高压 蒸
发器 和低压 蒸发 器 产生 的二 次 蒸 汽又 用 于水 解 液
的预热 ，提高 了热能利用率【 引。在 Ｖ ｌ ｎ ｔ ｅ ｕ ａ —Ｓ ｋ ｅ ａ
流程 中 ，纤维原 料 经加 料 器 加 到 一个 圆 柱形 的分 解 器 中 ，由螺旋 输送 器推 动原料 沿着 分解 器 前进 。
偏 高 ，三是 原料要 进行 复杂 的预处理 Ｌ 。 ４ ］ 当前 随着 国际石 油 价 格 的持 续走 高及 世 界 各
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农 业 与 技 术
国对能源 需求 的增 加 ，使 乙醇 燃 料 比汽 油 更 具 成
醇 以来 ，木质纤维素制备 乙醇 的研究经历 了 １０ 本 优势 ，因此对 利 用 纤维 质 原 料 生 产 乙醇 工 艺 的 ０ 多年 的发展 ［ 。早 期 生产 纤 维 乙醇 的方 法是 利 用 研究和开发成为 目前 国内外 寄予 厚望 的重 点课 ５ ｊ 化学 物质 把原 料 中 的纤 维 素 水解 为 单糖 ，然 后 将 题 Ｌ。如何 开发 高效 廉 价 的纤 维 质 原 料 预处 理 技 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 价格 虽然便 宜 ，但 生产成 本却 很高 ，
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第２ ６卷 第 ４ 期 ２０ ０６年 ８ 月
一体化生物加工过程生产乙醇的研究进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第11期·3600·化工进展一体化生物加工过程生产乙醇的研究进展李心利，朱玉红，汪保卫，付晶，王智文，陈涛（天津大学化工学院，系统生物工程教育部重点实验室，天津 300072）摘要：一体化生物加工过程（consolidated bioprocessing，CBP）指通过对理想底盘微生物的开发和利用来实现一步转化木质纤维素为生物产品的生物加工程序。
本文回顾了一体化生物加工过程的研究背景，简述了其开发理念和技术路线，全面综述了近年来该技术在转化木质纤维素生产二代生物乙醇研究中的不同策略及最新的研究进展。
分析了CBP系统中自然菌株、重组菌株和共培养菌株在转化木质纤维素生产生物乙醇时的优点和瓶颈因素。
研究了基因工程、代谢工程等工程手段和技术在克服此技术中的阻碍性因素及提升乙醇得率等方面的应用价值和潜力。
最后，论述了组学及合成生物学等新兴生物技术对CBP生物乙醇的贡献和二代生物乙醇的商业化发展现状及CBP乙醇未来所面临的机遇与挑战。
关键词：一体化生物加工过程；木质纤维素；生物乙醇；发酵；生物技术中图分类号：TK 6；TQ 92 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）11–3600–11DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.033Progress in bioethanol production via consolidated bioprocessing LI Xinli，ZHU Yuhong，WANG Baowei，FU Jing，WANG Zhiwen，CHEN Tao （School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Key Laboratory of Systems Bioengineering，Tianjin 300072，China）Abstract：Consolidated bioprocessing（CBP），refers to bioprocessing by exploitation and utilization of ideal chassis microorganisms to directly convert lignocellulose into bioproducts in one processing.The research background，development concepts and technology roadmaps of the CBP were briefly introduced in this paper. Subsequently，we comprehensively reviewed the different strategies and the recent research progress in CBP lignocellulose to second generation bioethanol production. Then，the advantages and bottleneck factors of the native，recombinant and co-culture strains used in CBP bioethanol fermentation were analyzed. The genetic engineering，metabolic engineering and other techniques’ application value and potential for overcoming the barrier factors of CBP bioethanol production and increasing bioethanol yield were assessed. Ultimately，this review provided a brief commentary on the contribution of emerging biotech，such as ‘omics’ and synthetic biology and on CBP bioethanol production and the recent conditions of the lignocellulosic bioethanol production toward commercialization scale，as well as opportunities and challenges in the future.Key words：consolidated bioprocessing；lignocellulose；bioethanol；fermentation；biotechnology乙醇（酒精），作为国防、医疗、有机合成、食品等行业中的重要原料，主要通过化学法和生物发酵法两种途径合成，其中生物发酵法又经历一代粮食乙醇、二代非粮食乙醇即木质纤维素基生物乙醇。
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Abstract: This paper experimentally studied on seal behavior of mechanical seal with straight-line notches. Also seal behavior under various working conditions and with different geometric parameters was presented. As the results shown, the seal run stably under high PV, with low leakage rate and small friction coefficient. And the geometric parameters of the notched seal ring can exert much influences on the operational mechanism as well. Compared with non-flush condition, the seal was presented with lower leakage rate under sufficient flush condition. Furthermore, the higher the rotation speed, the larger difference of leakage rates under flush and non-flush conditions. As the pressure rose, leakage rate of test seal was proved to increase non-linearly, however, friction coefficient decreased. Both leakage and friction coefficient increase with the rise of rotation speed. As the notches approaching nearer the center, the leakage rate went higher and friction coefficient lower. This paper has certain practical value for further and deeper research on notch mechanical seal behavior. Key words：mechanical seal; straight-line notches; working conditions; geometric parameters
建压段压力与螺杆根径的变化关系如图 。
图3 建压段压力随建压段长度的变化
图4 建压段压力随着螺杆根径的变化
（） 出口间隙对建压段压力的影响主要体现在 物料在建压段停留时间的影响上。出口间隙越大，造 压段内的压力就越小。适当调整出口间隙，可以得到 所需的造压段压力。建压段压力与机头出口缝隙的关 系如图 5。
Study of Structure of Key Equipment in Cellulosic Ethanol Production
MIAO Bu
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.,Ltd,Shanghai 0010 ,China） Abstract: The screw extrusion technology can be used for continuous steam explosion of cellulosic feedstocks. After analyzing the structure and process of screw extruder, we find the screw extruder will be a key equipment of pre-treatment on cellulosic feedstocks in ethanol production. Key words: cellulosic feedstocks； screw； steam explosion； pre-treatment
图5 建压段压力随着机头出口缝隙的变化
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化 工 设 备 与 管 道
第 9 卷第 期
3 结论
螺杆挤压膨化可用于对规格不同的木质纤维原 料进行粉碎、挤压、膨化，在高压力的情况下，将木 质纤维碎料压入后续设备滞留器中，进行高温高压蒸 煮，再进行闪爆，可实现连续化蒸爆。 新 型 木 质 纤 维 原 料 粉 碎 膨 化 机 的 特 点 是： 结 构 简 单、 制 作 容 易； 规 格 不 同 的 木 质 纤 维 原 料 都 能 处 理； 机 头 不 用 锥 形 阀 封 堵； 生 产 能 力 大， 消 耗功率低 。 螺杆挤压膨化可作为木质纤维原料制作乙醇工
考虑进料方便， 设计中选用 倍于出口螺杆直
收稿日期：01-0-0 基金项目： 中 国石油化工股份有限公司课题《 螺杆造压综合治理
图1 螺杆挤压连续汽爆装置
1.单螺杆机；.防反喷阀；.滞留器
纤维乙醇成套化研发和中试》 作者简介： 缪晡（1960—） ，男，上海市人，高级工程师。主要从 事医药、生物质能源和生物化工工程开发和设计。
01 年 6 月
缪晡. 木质纤维制乙醇关键设备结构研究
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图2 螺杆挤压连续汽爆结构
1.电机；.连轴器；.减速机；.加料斗；5.螺杆；6.锥形筒体；7.直筒体；8.模板；9.底座
径的 U 形加料斗 ()， 加料斗 () 下部设漏水筛口， 木质纤维原料中的水可以从漏水 B 口流出。 锥形筒 体 (6) 下部设漏水口 C，漏水口 C 内有滤网，水漏出， 木质纤维原料留住。模板 (8) 为防反喷阀。 2.2 工艺过程 木质纤维原料从加料斗 () 进入， 减速机 () 驱 动螺杆 (5) 在锥形筒体 (6)、直筒体 (7) 内转动，木质 纤维原料在螺杆 (5) 的推动下向前运动，由于模板 (8) 开孔面积小， 木质纤维原料在螺杆 (5) 与直筒体 (6) 之间被挤压、破碎、摩擦、升热和升压，木质纤维原 料中的一部分水分被挤出后，从加料斗 () 下部的漏 水口 B 和锥形筒体下部的漏水口 C 漏出； 另一部分 水分与木质纤维原料在螺杆 (5) 与直筒体 (6) 之间摩 擦升热时汽化，随木质纤维原料从模板 (8) 进入滞留 器，在滞留器内停留适当时间，物料到达喷放阀后， 打开喷放阀，进行闪爆，达到破碎和膨化的目的。 2.3 过程模拟 就 螺 杆 造 压 蒸 爆 技 术进 行 理 论研 究， 并运用 FLUENT 软件对螺杆造压段进行了计算机模拟，对造 压段结构参数 （建压段长度、螺杆根径和出口间隙）和 挤出蒸爆机操作参数 （进料口处加水量和建压段加热温 度）等改变后的流道流场进行了模拟计算，并对所有计 算数据进行了处理，分析了各个参数对于造压段压力大 小和出料口处水流量的影响。主要研究结论如下： （1） 造压段长度对建压段压力的影响很大。 主 要体现在其对物料在建压段停留时间的影响上。也就 是说，建压段长度只要能够满足水分的蒸发需要就可 以了，过长的建压段长度对建压段的压力并没有太多 的有利影响，反而会造成成本的增加。造压段长度与 建压段压力关系如图 。 （） 螺杆根径的大小与建压段压力的大小有着 很好的线性关系。螺杆根径越大，造压段内的压力就 越大。 可以依据建压段压力与螺杆根径的线性关系 来选取螺杆根径的大小，以得到所需的建压段压力。
过程可知，螺杆挤压膨化机可作为木质纤维原料制作乙醇工艺生产中预处理工序中的一台关键设备。
关键词：木质纤维植物； 螺杆； 蒸汽爆破； 预处理 中图分类号：TQ 051；TH 1 文献标识码：A 文章编号：1009-81(01)0-005-0
螺杆挤压技术是借助于螺杆和筒对物料的摩擦、 挤压和熔融作用来输送、 压缩、 破碎、 混合、 膨化 农作物秸秆物料 [1]。主要用于秸秆饲料加工业，以改 善秸秆理化性状态 []。目前，国内普遍采用等直径螺 杆，螺杆出口端用锥形阀堵塞出口的方案，解决滞留 器内蒸汽反窜问题。这个方案的结构复杂、能耗大、 产量低，实现大工业生产难度大。本文就新型木质纤 维原料螺杆挤压膨化机进行探讨。
艺生产中预处理工序中的一台关键设备。被膨化的木 质纤维原料蒸煮后， 更有利于酶解， 提高酶解效率 和乙醇收率，可大幅度降低玉米秸秆制乙醇的生产成 本，为实现玉米秸秆制乙醇工业化奠定了基础。Fra bibliotek参考文献
[1] [] 毕晓勤 , 杨仲磊 . 螺杆挤压技术及其发展 [J]. 粮食加工 , 006, 1(5):1-. 张祖立 , 朱永文 , 刘晓峰 , 等 . 螺杆挤压膨化机加工农作物 秸秆的试验研究 [J]. 农业工程学报 , 001, 17(6):97-101, 11.
2 实施方式
2.1 结构说明 螺杆挤压膨化机结构如图 所示， 主要由电机 (1)、 连轴器 ()、 减速机 ()、 加料斗 ()、 螺杆 (5)、 锥形筒体 (6)、 直筒体 (7)、 模板 (8) 和底座 (9) 等部 件组成。 本机采用特殊设计的变外径、变螺距的组合型螺 杆与模板，可以在没有前部锥形阀的封堵情况下，直 接封住滞留器中反窜的蒸汽，保持滞留器内的压力。 机内螺杆 (5)，依次在 X1 至 X 之间采用等螺距 螺纹； 在 X 至 X 之间采用变外径、 变螺距的连续 螺纹，其中锥形筒体 (6) 设置剪切螺钉 (6-1)，用于破 碎秸秆， 但在剪切螺钉处螺纹不连续。 在 X 至 X 之间采用等外径，在前段采用等螺距的连续螺纹，在 后段采用变螺距螺纹，螺纹在有剪切螺钉 (7-1) 处不 连续，此处剪切螺钉 (7-1) 用于破碎秸秆，防止秸秆 抱在轴上与轴同转。 设置多头螺纹 (5-1)， 以造压封 压。从 X1 至 X，整个螺杆为等根径的组合型螺杆， 以粉碎、膨化木质纤维原料，并封堵反窜蒸汽。 膨化机采用配变频调速器， 可根据木质纤维原 料进料量的多少，调节电机的转速，保持稳定生产。 膨化机的减速机与螺杆同轴，采用带推力轴承座的两 级斜齿轮传动的减速机，以平衡螺杆的轴向力，降低 螺杆的转速，增大螺杆的扭矩。