秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)研究

工藝與設備秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)研究侯玉潔',張建剛',夏晨1,侯小輝2(1.揚州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇揚州225009:2.新疆阿勒泰市畜牧獸醫站,新疆阿勒泰8365000摘要:文章就秸稈預處理方法、纖維素酶水解、菌種與發(fā)酵工藝3個(gè)過(guò)程的多種化學(xué)或生物技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析關(guān)鍵詞:秸稈;燃料乙醇;預處理;酶水解;發(fā)酵工藝中圖分類(lèi)號:S513;S816.8文獻標志碼:A文章編號:1001-0084(2011)12-002403Advancement of Research on Fuel Ethanol by StrawHOU Yujie, ZHANG Jiangang, XIA Chen, HOU Xiaohu1. Institute of Animal Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiang2. Institute of Animal Husbandry and Vet, Aletai 836500, Sinkiang China)Abstract: This article reviewed a variety of chemical or biological techniques about the process of raw materialpretreatment, enzymatic hydrolysis of cellulose, bacteria and fermentation technologyKey words: stalk; fuel alcohol; pretreatment; enzyme hydrolysis; fermentation石油是一種不可再生資源,隨著(zhù)石油資源的緊素的結晶結構,聚合度下降。實(shí)驗室中秸稈預處理缺,尋找和開(kāi)發(fā)新的燃料資源迫在眉睫,生物能源的方法主要包括物理法、化學(xué)法和生物法。因其儲存量大,作為可轉化為液體燃料的可再生資1.1物理法源,發(fā)展最快的是燃料乙醇,2004年巴西以甘蔗1.1.1機械粉碎為原料生產(chǎn)燃料乙醇1200萬(wàn)t;美國以玉米為原料機械粉碎主要是利用球磨將纖維素物質(zhì)粉碎生產(chǎn)燃料乙醇1000萬(wàn)t。糖蜜、糧食淀粉和木質(zhì)纖進(jìn)而促進(jìn)糖化。機械破碎后,木質(zhì)素仍被保留,但維素都可用來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇,但要依靠糖蜜和糧食木質(zhì)素和纖維素與半纖維素的結合層被破壞,降低淀粉作為原料來(lái)解決用量很大的燃料問(wèn)題顯然是不聚合度。機械粉碎可提高其后續反應的接觸面積,現實(shí)的。燃料乙醇是最現實(shí)的液體燃料替代用品之從而提高其反應性能和提高水解糖化率,有利于酶,大力發(fā)展燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程已經(jīng)成為處理解過(guò)程中纖維素酶或木質(zhì)素酶的進(jìn)攻。但是粉碎處秸稈有效方式。理的高糖化率的程度有限,耗能大,其能耗占工藝1預處理方法過(guò)程總能耗的50%~60%,而且有些材料還是不適秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗蛋合粉碎處理的。白和水構成,難溶于水和其他有機溶劑,化學(xué)性質(zhì)1.1.2聲波電子射線(xiàn)法相對穩定,充分的預處理能破壞細胞壁表明的包聲波電子射線(xiàn)法需要高能射線(xiàn)流發(fā)生裝置,用裹,使得纖維素酶能與作用底物充分接觸,原料預微波或超聲波對纖維素進(jìn)行預處理,將物料粉碎成處理技術(shù)可以部分破壞木質(zhì)素的包裹作用以及纖維極小的顆粒,可增大其表面積,提高纖維素的可接收稿日期:2011-11-03作者簡(jiǎn)介:侯玉潔(1988—),女,新疆阿勒泰人,碩土研究生,研究方向為動(dòng)物的微生態(tài)營(yíng)養與分子營(yíng)養24飼料博覽2011年第12期工藝與設備觸性;還可破壞其結晶性,提高纖維素的反應活加熱4h后,玉米秸稈的酶水解能力比預處理前有性,使其在以后的糖化階段更易于加快反應速率。了很大的提高2。堿性過(guò)氧化法與傳統的堿處理法Xiong等硏究了微波對纖維素I超分子結構的影響,的水解產(chǎn)物有所不同,利用10%濃度的KOH萃取發(fā)現微波作用沒(méi)有引起纖維素化學(xué)結構和結晶形成麥稈然后堿性漂白,得到的半纖維素成分中木糖的的變化,但使得結晶度和晶區尺寸增大b含量較高,利用2%HO2在堿性條件下萃取麥稈,1.13蒸汽爆破法得到的半纖維素成分中阿拉伯糖和葡萄糖的含量較蒸汽爆破法作為一種物理方法,使纖維素結合高層受到破壞,提高對酶作用的敏感性,可以有效地1.2.3氧化法分離出活性纖維,并且不用或少用化學(xué)藥品,對環(huán)氧化預處理是指利用臭氧、氧氣、過(guò)氧化氫、境無(wú)污染且能耗較低,是近年來(lái)發(fā)展快、成本低、過(guò)氧酸等多種氧化劑對原料進(jìn)行處理,氧化去木質(zhì)比較有效的木質(zhì)纖維高效分離技術(shù)。在高溫、高壓素,在HO2的存在下,過(guò)氧化物酶可以催化氧化蒸汽中,植物原料經(jīng)過(guò)蒸煮產(chǎn)生一些酸性物質(zhì),使木質(zhì)素。脫除原料中的木質(zhì)素,并使原料本身發(fā)生半纖維素降解成可溶性糖,同時(shí)復合胞間層的木質(zhì)物理和化學(xué)變化,以有利于后續纖維素的水解。目素軟化和部分降解,從而削弱了纖維間的黏結,為前常用的為濕氧化法,即在較高的溫度和壓力下爆破過(guò)程提供選擇性的機械分離,同時(shí)在蒸汽爆破利用水和氧氣,氧化降解植物纖維原料。Vaga等用瞬間完成的絕熱膨脹過(guò)程對外做功,使物料從細胞濕氧化法在195℃、1.2x10°kPa條件下,對60g·L間層解離成單個(gè)纖維細胞。但蒸汽爆破法的高溫高的玉米秸稈預處理15min,其中60%的半纖維素壓蒸汽使部分半纖維素的乙?；?生成的乙30%的木質(zhì)纖維素被溶解,90%的纖維素呈固態(tài)分酸、糠醛酸等能夠催化半纖維素繼續水解生成槺醛離出來(lái),纖維素酶解轉化率達85%3。纖維素遇堿等物質(zhì),易導致木糖損失>50%?？傊?經(jīng)過(guò)物理后膨脹,加入NaCO作用在于防止纖維素被破方法處理過(guò)的秸桿,既能增加酶對纖維素的親和壞,半纖維素與木質(zhì)素大部分溶解于堿液中,進(jìn)而性,還使得還原糖產(chǎn)出率提高。有效的與纖維素進(jìn)行分離,得到高純度的纖維素。12化學(xué)法13生物法1.2.1酸處理法生物法是利用棕腐真菌、白腐真菌和軟腐真菌般用來(lái)處理纖維素原料的酸可以用強酸(硫對半纖維素和木質(zhì)素進(jìn)行處理,能有效降解纖維素酸),也可以用烯酸,由于生產(chǎn)設備的限制,烯酸和木質(zhì)素。生物預處理方法較物理、化學(xué)預處理方法以其對設備耐酸性要求較低,較之強酸也能有效法更好,原因在于需要環(huán)境條件緩和,但是就提高水解纖維素,越來(lái)越受到青睞。強酸預處理方法是轉化率還有待進(jìn)一步研究。Song等利用白腐菌降將粉碎顆粒送入預處理反應器,蒸汽溫度為200~解秸稈中的木質(zhì)素。經(jīng)過(guò)微生物預處理后,秸稈中250℃時(shí),高壓蒸汽和硫酸對原料進(jìn)行處理,持續的木質(zhì)素降低,且木質(zhì)素降解率越高,乙醇產(chǎn)量越時(shí)間160℃C)、連續反應和低溫批次方15.8%4。法。稀酸預處理方法在后期需要用大量的堿液來(lái)中2纖維素酶水解和殘留的酸,對環(huán)境也有很大影響。在經(jīng)過(guò)預處理的秸稈原料基礎之上,需要經(jīng)過(guò)1.2.2堿處理法進(jìn)一步的糖化水解才能成為可以被微生物利用的單堿處理的作用機理是通過(guò)堿的作用來(lái)減弱纖維糖。實(shí)驗室中常用的水解方法主要為酸水解和酶水素和半纖維素之間的氫鍵,其效果取決于原料中木解。酸水解對工藝條件要求苛刻,其回收困難,后質(zhì)素的含量。稀NaOH溶液處理原料可以使得物料期處理不方便,會(huì )對造成環(huán)境污染;酶解法條件溫的孔隙率和滲透性不斷增大,聚合度和結晶度減和,利于環(huán)境保護。因此,在纖維素乙醇發(fā)酵過(guò)程小,使木質(zhì)素和糖之間的結合鍵分離,分裂木質(zhì)素中所應用的纖維素酶包括葡聚糖內切酶(ED)、纖結構。Kar等對玉米秸稈進(jìn)行了石灰預處理,每g維二糖水解酶(CBH)和B-葡萄糖苷酶(CL)。這3生物質(zhì)加入Ca(OH)20.075g和水5mL,在120℃下種酶協(xié)同作用,缺一不可。酶水解纖維素歷程分3工藝與設備步進(jìn)行,內切葡聚糖酶雜亂地水解纖維素底物分3.2.4同步糖化發(fā)酵法子的糖苷鍵,生成小的葡聚糖;外切葡聚糖酶從同步糖化發(fā)酵法(SSF法)先用纖維素酶水解纖其鏈端將其水解生成纖維二糖和其他更小分子的維素,酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源。由于酒精產(chǎn)低聚糖;β-葡萄糖苷酶水解纖維二糖成為葡萄量受末端產(chǎn)物抑制,主要受低細胞濃度以及底物糖。雖然酶的作用條件適宜且實(shí)用性較強,但是基質(zhì)抑制,為了克服反饋抑制作用,有研究指確保酶達到一定的利用率是關(guān)鍵問(wèn)題。出,在同一個(gè)反應罐中進(jìn)行纖維素水解(糖化)和3菌種與發(fā)酵工藝酒精發(fā)酵的同步糖化發(fā)酵法。纖維素的水解和發(fā)31茵種酵是在同一個(gè)發(fā)生裝置中進(jìn)行,水解得到的葡萄要以秸稈水解液為底物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,必須糖在菌體的分解作用下及時(shí)分解,減少了對纖維選育或者構建能夠同時(shí)代謝五碳糖和六碳糖的微素酶的抑制作用。生物,同時(shí)要求微生物對抑制物具有一定的抵抗32.5非等溫同步糖化發(fā)酵法能力。國內外很多研究人員致力于同步代謝五碳非等溫同步糖化發(fā)酵法(NSSF)是由SSF法衍糖和六碳糖的微生物菌株的構建工作,并對重組生而來(lái)。實(shí)驗室研究表明,糖類(lèi)發(fā)酵最適溫度為菌株的發(fā)酵工藝進(jìn)行了探索,其中研究最多的菌35℃,然而水解糖化適宜溫度約為50℃。協(xié)調這株是釀酒酵母和運動(dòng)芽孢桿菌。兩個(gè)溫度指標,實(shí)現盡可能一致,對于提高乙醇3.2發(fā)酵工藝生產(chǎn)效率至關(guān)重要。NSSF法通過(guò)熱量交換“暢通由于秸稈中纖維素含量較多,水解得到一定能量傳遞,在確保水解和發(fā)酵溫度最佳的條件下濃度的木糖,然后木糖對纖維素酶水解有一定的減少能量損失。抑制作用,如何減少木糖的累積作用,將其及時(shí)4小結轉化為酒精是值得探討的問(wèn)題以作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇成為當今世界研究3.2.1直接發(fā)酵法的熱點(diǎn),全世界很多國家早已開(kāi)始了探索能源之直接發(fā)酵法是基于纖維分解細菌直接發(fā)酵纖路,而用秸稈生產(chǎn)燃料乙醇還未能大規模的步入工維素生產(chǎn)乙醇,不需要經(jīng)過(guò)酸水解或酶解前處理業(yè)化進(jìn)程,在預處理方面應該嘗試結合物理和化過(guò)程?？芍苯影l(fā)酵的細菌有嗜熱菌(40-65℃)和極學(xué)處理方法進(jìn)行深入探索;在纖維素水解過(guò)程中端嗜熱菌(65℃),研究最多的是熱纖梭菌,其是提高酶的產(chǎn)量和纖維素活性以及提高酶的利用嗜熱產(chǎn)芽孢的嚴格厭氧菌,革蘭氏染色呈陽(yáng)性,率;纖維素酶、半纖維素酶研究過(guò)程中對微生物能夠分解纖維素,并能使纖維二糖、葡萄糖、果的選擇和培養等進(jìn)行更加深入細致的研究糖等發(fā)酵。目前看來(lái),熱纖梭菌是將纖維素直接轉化為乙醇的最有效菌種。在分解過(guò)程中,處理參考文獻工藝簡(jiǎn)單,但是乙醇產(chǎn)率還有待于提高。3.2.2間接發(fā)酵法[1]熊犍,葉君,梁文芷,等.纖維素醚/Eu(Ⅲ)羧酸配合物的結構間接發(fā)酵法是利用纖維素酶水解纖維素,得及熒光性能華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,200028(3)到的葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生乙醇,由于末端生成產(chǎn)物的積累,必須持續的從發(fā)酵罐中移除乙醇,目前實(shí)[21 Kaar WE, Holtzapple M T. Using lime pretreatment to facilitate驗室中通常采用的方法主要有減壓發(fā)酵法、快速the enzymic hydrolysis of corn stover. Biomass and Bioenergy發(fā)酵法等。2000,18(3):189-1993.23固定化細胞發(fā)酵法[3 Large E, Schmidt固定化細胞發(fā)酵法可以使得細胞連續使用ing wet oxidation to enhance enzymatic digestibility[J]. Applied反應器細胞濃度升高,進(jìn)而提高發(fā)酵液乙醇濃hemistry and Biotechnology, 2003, 104(1): 37-50度,常用的載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻璃「41 Song a,WuK, Zhang b l. Biodegradation of strawstalk and exper-等。目前研究最多的是酵母和運動(dòng)發(fā)酵單孢菌的iment of ethanol ferm entation[J]. Wuhan University Journal of固定化。Natural Sciences, 2007, 12(2): 343-34826飼料博覽2011年第12期