(完整版)纤维素乙醇发酵--全
酒精发酵工艺过程ppt
淀粉原料酒精发酵
（Alcohol Fermentation ）
1
酒精制造过程
原料(淀粉、纤维素)
酸解 水解 酶解 单糖
Yeast
发酵
(Saccharomyces cerevisae) 发酵产物
蒸馏…
酒精
2
一、生化机制
C6H12O6 ? 2 CH3CH2OH + 2 CO2 + H2O
三角瓶液体酵母
•
↓
↓
↓
•
曲种
蒸煮
卡式罐酒母
•
↓
↓
↓
•
糖化曲液 糖化→酒母糖化醪→小酒母
•
↓
↓
•
发酵
大酒母
•
↓
•
蒸馏
•
↓
•
•
酒糟废液 酒精 杂醇油
米曲汁
15
淀粉颗粒→淀粉分子→可发酵性糖→酒精→95％乙醇
(C6H10O5)n+nH2O→nC6H12O6→2nC2H6O+2nCO2 +2主nA要T步P 骤： 1. 原料粉碎 2. 蒸煮糊化 3. 曲霉糖化 4. 酵母发酵 5. 蒸馏提纯
2.糖类原料 废糖蜜、甘蔗、甜菜等 3.纤维质原料 农作物秸秆、甘蔗渣、废纤维垃圾 4.其他原料 亚硫酸纸浆废液、淀粉渣等
9
10
纤维素生产酒精工艺
11
12
三、酒精发酵微生物
1. 糖化菌（将淀粉、纤维素转化为糖
）
曲霉（Aspergillus spp.）
根霉（Rhizopus spp.）
2. 酒母（将糖转化为乙醇）
香型 酱香（浓香）
清香（浓香）
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
纤维素乙醇
国外研究与应用进展
世界最大的玉米乙醇生产商美国Poet公司的全 部26套生产设施，每年生产超过16亿加仑的乙 醇和90亿磅高蛋白动物饲料。此外，Poet公司 将运转一套中型规模纤维素乙醇装置，该纤维 素乙醇装置使用玉米芯为原料，并将在爱荷华 州埃米茨堡（Emmetsburg）使该工艺实现商 业化。 （2010-6-30 ，国际新能源网 ）
公司、机构
公司： Abengoa Bioenergy corporation, Spain British Sugar Iogen Corporation ,Canada ITOCHU Corporation JGC Corporation Leyte Agri Corporation San Carlos Bioenergy, Inc Roxol Bioenergy Corporation Mitsubishi Corporation (MC) Genesee Regional BioFuels Integro Services Group 机构： eBIO: European Bioethanol Fuel Associations International Fuel Ethanol Workshop International Starch Institute Shoolini Institute of Life Sciences and Business Management (SILB) The Gekkeikan Research Institute , Japan National Environmental Engineering Research Institute (NEERI)
Thanks!
3rd Bio-Ethanol Conference（2nd, March,2010, Turin , Italy）
纤维素同步糖化发酵生产乙醇
纤维素同步糖化发酵生产乙醇孙武举;翁海波;李萍萍;晋果果【摘要】[目的]利用微生物方法生产乙醇,从而替代化石能源.[方法]土曲霉M11利用纤维素为原料产酶并糖化纤维素成还原糖,利用酿酒酵母发酵生成乙醇.[结果]通过对土曲霉M11生长条件的研究,确定了土曲霉M11的最佳培养时间是3d,最佳接种量为200μl,最适培养湿度为80%,最适培养温度为45℃,最适培养pH为3.0,此条件下可获得最大的产酶量.通过对糖化过程的研究,确定了纤维素酶的最适糖化温度为55℃,最适pH为5.0,此条件下可获得较高的还原糖量,且在酸性条件下酶活力较高,具有很好的热稳定性.通过发酵.还原糖量占原材料干重的62.42%,产生的乙醇占原材料干重的21.36%.[结论]此方法可以应用于工业发酵生产乙醇,有利于保护环境、降低成本、提高社会效益,有很好的应用价值.%[Objective] The ethanol was produced by means of microbiological processes for the replacing approach of energy source. [ Method] The reducing sugar was produced from the cellulose, which was saccharified by the enzyme that was from the cellulose as raw material was acted by Aspergillus teneus-Mll,,and the ethanol was produced based on the fermentation of yeast. [ Result] The experimental result indicated that the optimal culture condition of Aspergillus terreus-Mll growth was that the best time was 3 days,the best inoculation was 200 μl,the optimal culture humidity was 80% ,the optimum temperature was 45℃ and the optimal culture pH was 3.0,under which condition,the largest amount of enzyme-producing was available. And the experiment in the glycation process of cellulase showed the optimal temperature was 55 ℃ and the optimum pH was 5.0,under which conditionthe production of reducing sugar,which enzyme activity under acidic condition was higher and had good thermal stability,was relevantly high. By fermentation,the reduced sugar accounted for 62.42% of the dry weight of raw material and the produced ethanol accounted for 21.36% of dry weight of raw material. [Conclusion] This method could be used for the production of ethanol at the basis of industrial fermentation with die environmental protection,cost-reducing and high social benefit,which application value was very good.【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷),期】2011(039)018【总页数】5页(P11018-11021,11126)【关键词】同步糖化发酵;土曲霉M11;乙醇;废纸;酶活性【作者】孙武举;翁海波;李萍萍;晋果果【作者单位】郑州大学生物工程系,河南,郑州,450001;郑州大学生物工程系,河南,郑州,450001;郑州大学生物工程系,河南,郑州,450001;郑州大学生物工程系,河南,郑州,450001【正文语种】中文【中图分类】Q93木质纤维素是自然界中最丰富、最廉价的可再生资源，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，这些物质是陆生植物细胞壁的主要组分［1］，约占植物组织平均干重的35% ～50%［2］。
纤维素燃料乙醇同步糖化发酵工艺PPT课件
contents
目录
• 绪论 • 纤维素燃料乙醇同步糖化发酵工艺原理 • 工艺流程及设备 • 工艺参数优化与控制 • 纤维素燃料乙醇同步糖化发酵工艺的应
用与展望 • 结论与建议
01
绪论
背景介绍
01
02
03
能源危机
随着化石燃料的逐渐枯竭， 能源危机已成为全球关注 的焦点。
促进可持续发展
纤维素燃料乙醇的生产有助于减少对 传统能源的依赖，促进经济和社会的 可持续发展。
国内外研究现状及发展趋势
国外研究现状
纤维素燃料乙醇同步糖化发酵工 艺在国外已有一定研究基础，技
术相对成熟。
国内研究现状
国内在该领域的研究尚处于起步阶 段，但发展迅速，政府和企业支持 力度大。
发展趋势
随着环保意识的提高和技术的不断 进步，纤维素燃料乙醇同步糖化发 酵工艺将迎来更广阔的发展前景。
工艺参数优化与控制
温度对工艺的影响
温度对纤维素酶活性 和糖化效果有显著影 响。
适宜的温度范围通常 在40-50℃，具体根 据所用酶的特性而定。
温度过高会导致酶失 活，温度过低则酶活 性降低，影响糖化效 果。
pH值对工艺的影响
pH值对纤维素酶活性和发酵微 生物的生长具有重要影响。
适宜的pH值范围通常在4.55.5，过低或过高均会影响酶活 性和微生物生长。
环境保护
减少对化石燃料的依赖有 助于降低碳排放，缓解全 球气候变化问题。
可再生能源
纤维素燃料乙醇作为一种 可再生能源，具有可持续 性和环保性，受到广泛关 注。
研究意义
解决能源危机
减少环境污染
通过开发纤维素燃料乙醇同步糖化发 酵工艺，有助于替代部分化石燃料， 缓解能源危机。
纤维素乙醇发酵--全
同步糖化发酵(simultaneous saccharification and fermentation, SSF)
• 纤维素酶水解和菌体酒精发酵同时进行的方法。
• 优点：在加入纤维素酶的同时接种酒精发酵的酵母，可使生成 的葡萄糖立即被酵母发酵成酒精；去除了产物抑制，就可以不 妨碍纤维素糖化的继续进行，酒精得率可明显提高。 • 关键：选择最适的酵母，酶解的最适温度约为50℃，而普通酿 酒的最适发酵温度通常约30℃。
• 实例：在中试条件下，经过稀酸预处理的玉米纤维在总固体物 浓度为20%、纤维素酶用量为10 IFPU/g纤维素、30℃、150 rpm、 pH 5.0条件下，使用普度大学构建的重组酵母LNH-ST菌株进行同 步糖化共发酵4天，78.4%的可用葡萄糖和56.1%的可用木糖被转 化成乙醇。
14株
（2）酵母耐酸试验
8株
（3）酵母耐乙醇试验
E: 酵母菌三级筛选(C02失重法)
以UV2号菌株 为最终发酵 用菌株。
F: 糖浓度对乙醇产率的影响
G: 诱变菌株UV2的遗传稳定性试验
小结：从优良稳定的南阳酵母2.606，热带假丝酵母2.637和 2.402中筛选出可同时糖化五碳糖和六碳糖，且乙醇产率较高 的热带假丝酵母2.402进行紫外诱变，通过初筛、复筛，获得 一株耐酸耐乙醇的酵母菌株。在pH3.5和10%乙醇的培养基中， 表现出良好的发酵性能。在此条件下进行乙醇发酵试验，乙 醇转化率可达0.329g/g底物，同时诱变菌株与出发菌株相比， 乙醇转化率提高了28.57%。连续传代10次发酵性能无明显变 化，表明菌株具有一定的遗传稳定性。
• 缺点：酶水解产生的产物(纤维二糖和葡萄糖)会反馈抑制水解 反应
SHF方法的改进
• Ghose等将高产菌株绿色木霉QM9123的纤维素酶浓缩5~8倍，加
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%。
纤维素乙醇
纤维素乙醇产业的投资机会与挑战
纤维素乙醇产业的投资机会
• 纤维素乙醇产业具有高增长、高附加值的特点，吸引了大量投资 • 纤维素乙醇产业的发展将带来产业链延伸和市场拓展，为投资者提供更多机会
纤维素乙醇的制备过程 03
• 首先将纤维素分解为糖分 • 然后通过发酵和蒸馏得到乙醇
纤维素乙醇的优势与挑战
纤维素乙醇的优势
• 具有可再生和可持续的特点 • 减少对化石燃料的依赖 • 降低温室气体排放
纤维素乙醇面临的挑战
• 生产成本较高 • 需要开发高效和环保的生产技术 • 建立完善的产业链和市场体系
纤维素乙醇产业的市场前景
• 纤维素乙醇产业有望在未来几十年内实现大规模商业化 • 纤维素乙醇产业将为全球能源市场带来新的发展机遇
纤维素乙醇产业的技术创新趋势
纤维素乙醇产业的技术创新
• 纤维素乙醇产业将不断优化生产工艺，提高生产效率 • 纤维素乙醇产业将不断研发新技术，降低生产成本
纤维素乙醇产业的技术创新趋势
纤维素乙醇生产中的关键技术
• 纤维素分解技术：提高分解效率，降低能耗 • 酵母菌筛选与培养技术：提高发酵效率 • 蒸馏技术：降低能耗，减少排放
纤维素乙醇生产中的关键设备
• 预处理设备：用于纤维素原料的分解 • 发酵设备：用于酵母菌的培养和乙醇的产生 • 蒸馏设备：用于乙醇与水的分离
纤维素乙醇生产的节能减排潜力
纤维素乙醇的生产流程
• 预处理：将纤维素原料分解为糖分 • 发酵：利用微生物将糖分转化为乙醇 • 蒸馏：将乙醇与水分离，得到高浓度乙醇
纤维素乙醇生产的关键环节
纤维素乙醇生产工艺及应用精品资料
１．２．２同步糖化发酵（ＳＳＦ）
同步糖化和发酵，即在同一个反应容器里，纤维素酶解与葡萄糖的乙醇发酵同时进行，微生物能直接利用酶解产生的糖，这样避免了对纤维素酶的反馈抑制作用，ＳＳＦ是目前生产乙醇最主要的方式，国内外的中试装置上基本都采用此方法，主要代表就是瑞典Ｌｕｎｄ大学，采用木屑为原料，利用工程酵母发酵，其原料转化率可达９０％，提高乙醇产量。在生产过程中，原料在经过预处理之后，加入纤维素酶和酵母共发酵，不能被酶解的木质素则被分离出来，通过再利用提供能量，通过乙醇蒸馏工艺进行回收。
在未来几年，随着中国对石油进口依赖度加深，扩大国内燃料乙醇产能已经成为必需。但是由于粮食生产乙醇的工艺不适合我国采用，因此，纤维素乙醇研究已经成为目前研究工作的重点。纤维素乙醇研究工作涉及物理、生物工程、化学等多个领域，为了早日实现纤维素乙醇产业化，应当提出相应的发展战略，首先，应该制定生物质能源产业的国家和地方的发展战略，政府应采取鼓励政策继续加大科研资金投入；其次，利用己糖发酵菌种的构建及木质纤维原料生物量全利用等方面来提升纤维素乙醇的经济效益：最后，要建立工业示范装置，为纤维素乙醇产业发展提供实践经验。纤维素乙醇作为主要的生物能源，应加快以纤维素乙醇为核心的综合技术的开发，整合多方力量，实现优势互补，使其在我国能源结构转变中发挥重要的作用。
乙醇的发酵与应用 最终版
乙醇的发酵与应用乙醇的发酵法根据原材料的不同可分为：粮食发酵和纤维素发酵，生物乙醇是以生物质为原料通过发酵制得的乙醇。
生物质原料包括玉米、高梁、小麦、大麦、甘蔗、甜菜、土豆等含糖类和淀粉的农作物。
此外城市垃圾、甘蔗渣、小树干、木片等纤维质原料也可用来生产生物乙醇。
目前生物乙醇主要来自于谷物粮食发酵，该工艺生产技术已相当成熟，但生产成本较高，且受到粮食安全等社会因素的制约。
生物乙醇最廉价的制取途径是废弃的农作物秸秆发酵。
近年来，国内外在生物发酵技术及提纯分离乙醇技术等方面取得了重大进展，利用植物纤维发酵生产乙醇的成套技术有了重大突破。
在国外以纤维质为原料生产乙醇的技术正逐步走向成熟阶段。
一、粮食发酵生产乙醇酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），由于其乙醇产量高，对工业条件有较高的耐受性，是乙醇生产工业中理想的发酵菌种，也是在现代分子生物学中常用的真核模式生物。
酿酒酵母的细胞形态一般为球形或者卵形，直径在 5 到10μm 之间；其繁殖方式分为无性繁殖和有性繁殖，其中，无性繁殖为出芽生殖，而有性繁殖一般产生子囊孢子。
酿酒酵母是兼性厌氧的微生物，可利用多种糖类，如：葡萄糖、半乳糖、麦芽糖、蔗糖等。
在有氧条件下，酵母进行有氧呼吸，将糖类转化成二氧化碳和水；在无氧或缺氧条件下进行无氧呼吸，糖类被酿酒酵母发酵为乙醇和二氧化碳。
以发酵葡萄糖为例，在厌氧条件下，经糖酵解途径，酿酒酵母可以将一分子的葡萄糖转化成两分子的丙酮酸；后者在丙酮酸脱羧酶的作用下生成乙醛，然后乙醛在乙醇脱氢酶的催化作用下还原为乙醇。
但是，酿酒酵母不能利用阿拉伯糖和木糖等戊糖。
人类对酿酒酵母的应用具有悠久的历史，其生物学和遗传学背景已经被研究得比较清楚。
酵母表达系统是人们最早建立的一种真核表达系统。
由于酿酒酵母具有生长旺盛、细胞密度大，遗传稳定、操作简便等优点，而且酵母具备转录后修饰的功能，对于表达真核生物基因来说，是合适的宿主微生物；并且表达外源蛋白较原核微生物稳定，还可进行大规模的发酵。
日耗1000吨纤维素制乙醇的工厂设计(完整版)
日耗1000吨纤维素制乙醇的工厂设计摘要纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。
本次设计的主要任务是设计以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的生物质能工厂中原料预处理和SSCF发酵工段的具体流程，依据设计的工艺流程图进行物质恒算，列出系统内主要物质流的组成与性质，根据物料衡算结果，估算理论的原材料，辅料消耗与乙醇的生产速率，估计工厂的生产能力，依据物料衡算结果进行基本设备选型，绘制工艺流程图和典型准备的设备安装图。
关键词：纤维素乙醇预处理糖化发酵工艺设计前言随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。
纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。
尽管木质纤维素原料本身非常廉价，但是将其转化成乙醇的工艺过程非常复杂，需要大量的能耗，致使单位乙醇的经济效益并不具备较强的市场优势，纤维素制乙醇的工艺过程还需要很大改变。
目前为止，全世界已经建有几十套纤维质原料经纤维素酶水解成单糖的中试生产线或小试生产线。
美国的Gulf oil Chemical公司建成了可处理1t/d纤维废料的中试车间，年产纯乙醇2亿升，乙醇产率为27.7%。
加拿大的Imogen生物技术公司，在渥太华开设了以麦秸为原料的3.2万加仑/年纤维素乙醇厂，采用稀酸结合蒸汽气爆预处理半纤维素，随后用纤维素酶水解，分离后的液体进行木糖和葡萄糖联合发酵。
经评估，其生产成本比谷物乙醇高出30%～50%。
中国正在积极利用纤维素乙醇作为主要的生物能源，加快以纤维素乙醇为核心的综合技术开发，尽早实现其产业化发展的目标。
相信经过“十一五”计划的实施，在“十二五”期间中国在利用纤维素废弃物制取燃料乙醇方面，必将取得更大的进展，为缓解液体燃料短缺、促进环境保护和社会可持续发展等方面发挥重要作用。
纤维素燃料乙醇同步糖化发酵工艺演示文稿
第13页，共30页。
预处理技术 纤维素酶制备 同步糖化发酵 产品分离纯化
1、食品级木糖
2、高分子材料木质素
4、燃料乙醇
5、食品级CO2
3、纤维素酶 6、酵母蛋白
第14页，共30页。
同步糖化发酵工艺
第15页，共30页。
纤维素酶制备
酶制剂车间 由六大系统组成 1、无菌空气系统 2、循环水系统 3、蒸汽系统 4、消泡系统 5、料液管路系统 6、自控系统 （温度电极、pH电极、溶氧
对于初级代谢产物，在对数生长期初期 就开始合成并积累，而次级代谢产物则 在对数生长期后期和稳定期大量合成。
发酵产物乙醇属于次级代谢产物。在稳 定期积累。
第22页，共30页。
酵母活化
灭菌
5m3料 酵 母 和 无 机 盐
测数
无机 盐和 促进 剂
满灌
温度30-32℃
固形物10-13% 通风/小时
酸度<3
稳定 期
死亡期
第18页，共30页。
微生物生长分为：
迟滞期、对数生长期、稳定期和 死亡期
迟滞期
对数生长期
稳定 期
死亡期
迟滞期：
菌体没有分裂只有生长，因为当菌 种接种入一个新的环境，细胞内的 核酸、酶等营养物质被稀释，这时 细胞不能分裂。是微生物适应环境 的过程
第19页，共30页。
迟滞期
对数生长期
稳定 期
出芽率。
第20页，共30页。酵母出芽生殖、分裂生殖 图三：电子显微镜下酵母出芽生殖
图四：光学显微镜下酵母形态
图三
第21页，共30页。
迟滞期
对数生长期
稳定 期
死亡期
随着细胞生长，培养液中的营养物减少 ，代谢废物积累，导致细胞生长速率下 降，进入减速期和稳定期。最后当细胞 死亡速率大于生成速率，进入死亡期
(完整版)木质纤维素乙醇发酵及生物炼制
纤维素外切酶
纤维素内切酶
葡萄糖苷酶
木糖
半纤维素经碱性水 解或酶解为木糖。
木酮糖
木糖经过木糖异构 酶、木酮糖激酶等 形成木酮糖，这个 途径在很多微生物 中不存在。
基因供体菌：
XYL1--木糖还原酶(XR) Pichia stipitis XYL2--木糖醇脱氢酶(XDH)
能源部联合生物能源研究所 DOE Joint BioEnergy Institute
❖ 位于加利福尼亚州，属于能源部劳伦斯伯克利国家实 验室（DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory）
❖ 合作单位：桑地亚国家实验室（Sandia National Laboratories），能源部劳伦斯利物默国家实验室 （DOE’s Lawrence Livermore National Laboratory），加州大学伯克利分校（University of California - Berkeley），加州大学戴威斯分校 （University of California - Davis），斯坦福大学 （Stanford University）
木质纤维素资源的生物精练技术
可持续发展
可再生资源 清洁生产工艺 环境友好产品
生物质资源开发 木质纤维素
生物加工工艺 酶法有机转化
绿色生物产品 生物酒精
目前的工业生产模式不可持续
❖ 化石资源－不可再生资源→资源危机 ❖ 化石燃料－不可再生能源→能源危机 ❖ 三废排放－生态环境污染→环境危机
廉价石油时代终结了 ---人类必须戒除“油瘾”
长期：利用能源作物诸如经过转基因改造的快速 生长树木和草类植物。
纤维质发酵酒精综述
纤维素类生物质原料生产 燃料乙醇
用浓度70 %的硫酸50 ℃下在反应器中反应2~6 h, 半纤维素首先被降解, 溶解在水里的物质经过 几次浓缩沥干后得到糖。半纤维素水解后的固体 残渣经过脱水后, 在30 %~40 %的硫酸中浸泡1~4 h。溶液经脱水和干燥后, 再在浓度70 %的硫酸下 反应1~4 h, 回收的糖和酸溶液经过离子交换, 分离 出的酸在高效蒸发器中重新浓缩, 剩余的固体残渣 则再循环利用到下一次的水解中。浓酸水解过程 的主要优点是糖的回收率高, 大约有90 %的半纤 维素和纤维素转化的糖被回收。浓酸水解糖的回 收率高, 副产物较少, 从经济方面考虑必须回收浓
1.2合成途径及代谢调节机制
CO2 2乙酰-CoA O2 ⑤ 2CH3COCOOH 2乳酸 4ATP
③ ⑥
4CO2+4H2O
CO2
NADH+H+ 2ATP
②
2CH3CHO
④
NAD+ 2CO2H5OH
纤维素 C6H12O6
①
①-----水解
②-------- EMP途径
③----- 脱羧
①水解：纤维素
1.发酵机制
1.1 生产菌种 酿酒酵母（Saccharomy cerevisiae)又称面 包酵母戒者出芽酵母。酿酒酵母是不人类关系最 广泛的一种酵母，丌仅因为传统上它用于制作面 包和馒头等食品及酿酒，在现代分子和细胞生物 学中用作真核模式生物，其作用相当于原核的模 式生物大肠杆菌。酿酒酵母是发酵中最常用的生 物种类。酿酒酵母的细胞为球形戒者卵形，直径 5–10μm。其繁殖的方法为出芽生殖。其特点为： 1、耐渗透压性能强，选择吸收性能好，酵母细胞 质膜具有强的半渗透性
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诱变育种实例
• 樊梓鸾对热带假丝酵母2.402进行紫外诱变，通过初筛、复筛， 获得一株耐酸耐乙醇的酵母菌株UV2。在pH3.5和10％乙醇的培 养基中，表现出良好的发酵性能。在此条件下进行乙醇发酵试 验，乙醇转化率可达0.329g/g底物，同时诱变菌株与出发菌株相 比，乙醇转化率提高了28.57%。连续传代10次发酵性能无明显 变化，表明菌株具有一定的遗传稳定性。
第三，秸秆等纤维素类农业废弃物大量存在，比如中国每年 农业生产大约产生7亿吨秸秆，供给非常充足。
我国纤维素乙醇产业化发展现状
• 河南天冠集团2006年6月26日，河南天冠集团建成投产 了我国首条秸秆乙醇中试生产线，标志着我国在生物 质能源利用领域已跻身世界行列。目前，在河南天冠 集团，一条年产300t乙醇的中试生产线已建成投产， 6t麦秸可变成1t乙醇。
机械粉碎法
化学法
酸法 碱法 有机溶剂法
蒸汽爆破法
SO2爆破法 CO2爆破法
氨纤维爆破法
纤维素酶的生产和纤维素水解技术研究
纤维素酶高产菌种的筛选和诱变育种
• 目前，用于生产纤维素酶的微生物大多属于真菌。研究得较多 的有木霉属、曲霉属、青霉属等。其中木霉、青霉产生的纤维 素酶活力往往最高，酶组分最全。因而应用也最广泛。曲霉和 根霉产生的主要是内切型纤维素酶，多用于纺织和造纸等纤维 的表面加工。
种新酶，配制成新的复合酶制剂，提高了酶系的降解能力，结 合NREL预处理技术的进步，使玉米秸产乙醇用酶的成本降至原 来的1／30，从2001年的每加仑5美元到2005年的每加仑10—18美 分。通过技术进步，杰能科的酶成本也降至原成本的1／30。美 国能源部认为酶处理成本已不再是产业化的主要障碍。
乙醇发酵菌种选育及发酵过程调控——汪吴
纤维素酶生产技术 • 纤维素酶的生产可采用液体培养和固体培养两类方法。
• 我国采用的固体培养方法包括薄层的曲盘培养、帘子培养和厚 层的通风培养等。生产上常用的是厚层通风培养，亦称厚层通 风曲或箱曲，设备比较简单，易于推广，但容易污染杂菌，温 度和湿度不易控制，大规模生产难于稳定。
• 在美国能源部的支持下，杰能科(Genencor International)和诺维信 (Novozymes A／S)两家酶制剂公司加大了研究力度，努力增加酶 活和降低生产成本，取得了引人注目的结果。诺维信鉴定出多
CANADA Iogen 使用麦秆和其他废弃物为原料，稀酸结合蒸
汽气爆预处理技术，年产32万升乙醇 SunOpta公司采用稻草、 玉米秸秆、甘蔗渣等为原料生产各种生物转化产品，如纤维质乙 醇、纤维质丁醇、木糖醇和膳食纤维等。技术是高压下连续气爆 处理生物质，每小时处理原料500kg
日本 全国每年有1000万t废木屑，不少企业利用自行开发的技术
自然筛选
• 优点：简单易行，可以达到纯化菌种、防止菌种衰退、稳定生 产、提高产量等目的。
• 缺点：效率低、进展慢，很难使生产水平大幅度提高。
诱变育种
化学诱变剂:硫酸二乙酯(DES)、亚硝基胍 (NTG)、亚硝酸(NA)、 氮芥(NM)、羟胺等
物理诱变剂:如紫外线、X-射线、-射线、快中子、超声波等
纤维素乙醇发酵
汪吴 邓玲玲 张欣 张忆雪
2010001265 2010001289 2010001290 2010001291
研究背景
• 随着化石能源的渐趋枯竭 • 粮食危机的不断出现 • 能源需求不断加大和油价持续上升等因素的影响 • 人们越来越认识到寻求清洁、可再生能源的迫切性。因此，越
来越多的国家已将生物质能源产业作为一项重大的国家战略推 进，纷纷投入巨资进行生物质能源的研发。
• 上海华东理工大学能源化工系，承担国家863项目的 “农林废弃物制取燃料乙醇技术”研究，近年已进入 工业性试验阶段。已建成年产燃料乙醇600t的示范工 厂，接下来的问题就是如何产业化。
国家科技支撑计划
• 秸秆乙醇关键技术研究及产业化示范项目已于2008年6月上旬获 得科技部批复，列入“十一五”国家科技支撑计划组织实施。
第二代生物燃料
• 第二代生物燃料以秸秆、草和碎木等农业废弃物或非粮作物为 主要原料，又被称为纤维素乙醇，或非粮生物燃料。
与第一代生物燃料对比
首先，汽车发动机不需要改造就可以直接使用掺入了生物乙 醇的汽油或柴油；
其次，生产第二代生物乙醇的催化酶技术未来几年成本还将 快速下降，大规模工业生产的可行性非常强；
或引进美国技术开展了以废木屑为原料生产燃料乙醇的工业试验。 2003年5月投资5亿日元建成工试，目前日产乙醇2.50t。试成后拟建 200t/d的商用装置，成本目标为25日元/L，将低于美国现有水平。
EUROPE Abengoa 是欧洲最大的乙醇生产厂，同时也是世界排名第
二的生产厂家，是以小麦秸秆为原料生产乙醇的瑞典生产商。目前， Abengoa 正努力建两个生物质乙醇厂，一个在西班牙，一个在美国， 两个都在施工过程中，他们的目标是在2011年前使该技术商业化。 瑞典Etek中试乙醇厂日产量400～500升乙醇，每日需要消耗锯末或其 他纤维质原料2t(以干物质计)。
纤维素乙醇产业化亟待解决的关键技术
• 原料分散，季节性强，难以收集、运输，增加了成本
1
• 原料需进行复杂的预处理
2
• 纤维素酶的生产效率低、成本较高
3
• 构建能高效利用五碳糖和六碳糖的菌种
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Байду номын сангаас
国内外预处理方法的研究动态
生物法
物理法
化学法
物理化学结 合法
物理法
液态热水法
微波和超声波 处理
冷冻粉碎
• 中国科学院于2007 年12月中旬启动“纤维素乙醇的高温发酵和 生物炼制”重大项目。
国外纤维素乙醇产业化发展现状
USA 世界的前列 1998.10第一家商业性转化纤维质酒精的
工厂由BC International开始，以蔗渣和稻壳为原料，年产酒 精20×106加仑，成本为0.24-0.34.此外加利福尼亚和纽约城市 垃圾生产酒精正在建设中
一、纤维素乙醇发酵菌种选育
• 理想的生物质乙醇发酵菌应能发酵所有生物质来源的糖，具有 对木素单体、乙酸和其它抑制性副产物的良好抗性，并同纤维 素完全水解所需的纤维素酶有协同作用。
木糖发酵菌株选育方法
• 从自然界中筛选戊糖发酵菌种 • 诱变育种 • 采用原生质体融合技术 • 基因工程在菌种选育上的应用