利用木质纤维素生产燃料乙醇..

木质纤维素发酵生产乙醇的原理
水解 发酵
葡萄糖
纤维素 纤维素酶 直接发酵 异构化 纤维素类 物质 木酮糖 木糖 木糖异构酶 直接发酵 发酵 乙醇
木质素 （不能转化为酒精）
木质纤维素发酵生产乙醇的路线
木质纤维素发酵生产乙醇的原理
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。
生物乙醇发展现状
国家 美国 巴西 欧盟 中国 加拿大 泰国 菲律宾 生物乙醇发展目标 2012年 132亿加仑；2022年 350亿加仑 2012年 95亿加仑；2016年 115亿加仑 主要原料 玉米 甘蔗
2010年5.75%；2020年10%（生物柴油约占80%） 小麦，甜菜 2010年 13亿加仑；2020年 33亿加仑 2010年5% 2007年10% 2008年5%；2010年10% 玉米，小麦， 木薯 玉米，小麦 糖蜜，木薯， 甘蔗 甘蔗，木薯
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
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。
木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
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。
木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
3. 木糖发酵生产乙醇
木糖异构酶 木糖
NADPH NADH
木酮糖激酶 木酮糖 木酮糖-5-磷酸
细菌 NADH 戊糖磷酸途径
木糖还原酶 酵母
NADP NAD
木糖醇脱氢酶 NAD 糖酵解途径
木糖醇乙醇木质纤维Fra bibliotek发酵生产乙醇的工艺
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。 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。
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。
木质纤维素发酵生产乙醇的原理
产纤维素酶的 微生物
真菌
典型的真菌产纤维素酶是 由葡聚糖内切酶、葡聚糖 外切酶、β-葡萄糖苷酶3 个主要成分组成的诱导 型复合酶系。
酵母菌
细菌
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。
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
木质纤维素材料的预处理方法 方法 例 证
热机械法
自动水解法 酸处理法 碱处理法 有机溶剂处 理法 生物法
碾磨，粉碎，抽提
蒸汽爆破、超临界CO2爆破 稀酸（H2SO4，HCl），浓酸（H2SO4，HCl），乙酸等 NaOH，碱性过氧化氢，氨水 甲醇，乙醇，丁醇，苯 木素过氧化物酶，Mg依赖过氧化物酶
利用木质纤维素生产燃料酒精
姓名：张晓峰 专业：化学工程 学号：201331678
主要内容
• 生物乙醇发展现状
• 木质纤维素发酵生产乙醇的原理 • 木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
• 存在问题以及自己的看法
生物乙醇发展现状
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。 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。
木质纤维素发酵生产乙醇的原理
植物细胞壁构成示意图
木质纤维素发酵生产乙醇的原理
表2 原料 玉米秸秆 麦秸 高粱秆 稻草 蔗渣 玉米芯 豆秆 不同生物质原料的组成 半纤维素（%） 27 50 24 25 26 35 25 木质素（%） 8 15 25 12 24 15 20 纤维素（%） 43 30 35 35 39 45 35
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。