利用木质纤维素生产燃料乙醇

1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。2一．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362829小麦秸秆362822稻草371910稻壳362019高粱秸秆321914云杉432629松木442629桦木403921柳木512916杨木512916新闻纸6216213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，4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。5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CO2爆破酸处理法稀酸（H2SO4，HCl），浓酸（H2SO4，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62）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。