生物質(zhì)水解發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展

第43卷第2期生物質(zhì)化學(xué)工程Vol 43 No. 22009年3月Biomass Chemical EngineeringMar.2009生物質(zhì)水解發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展曾凡洲',蔣劍春",衛民!,陳育如2(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所;生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗室;國家林業(yè)林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗室;江蘇南京210042;2.南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江蘇南京210046)摘要:生物質(zhì)原料豐害多樣,用其發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇,能緩解當今世界日益凸顯的能源問(wèn)題。本文綜迷了這一領(lǐng)域國內外的研究概況,纖維素原料水解發(fā)酵制取燃料乙醇的生產(chǎn)工藝,重點(diǎn)介紹了水解液的脫毒,發(fā)酵有關(guān)的微生物,菌種選育和幾種典型的發(fā)酵工藝;對發(fā)酵乙醇的幾種典型微生物如釀酒酵母、管囊酵母、樹(shù)干畢赤酵母、休哈塔假絲酵母和運動(dòng)單胞菌等進(jìn)行了介紹,并對當今存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析和展望。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);水解;發(fā)酵;燃料乙醇中圖分類(lèi)號:TQ353.2文獻標識碼:A文章編號:1673-5854(2002-0043-06Research Progress of Fuel Ethanol Production byHydrolysis and Fermentation of BiomassZENG Fan-zhou', JIANG Jian-chun. WEI Min, CHEN Yu-ru(1. Institute of Chemical Industry of Forest Products, CAF; National Engineering Lab. for BiomassChemical Utilization; Key and Open Lab, on Forest Chemical Engineering, SFANanjing 210042, China; 2. College of Life Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China)increasingly prominent problem of energy. The domestic and foreign development situation of the field, the process of fuelethanol production by biomass hydrolysis and fermentation, as well as the analysis and prospect of the existing problems arereviewed. The hydrolysate detoxification, the microorganisms related to alcohol fermentation, strain breeding and several typicalfermentation techniques are especially introduced. The typical microorganisms for ethanol production such as Saccharomyces cerevisio, Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida shechatae and Zymomonas mobilis are also introduced. The present problems are analysed and prospectedKey words: biomass; hydrolysis; fermentation; fuel ethanol當今世界存在著(zhù)三大危機:人口爆炸,資源性,是汽油所不能比擬的;酒精的辛烷值比汽油枯竭與環(huán)境污染。據專(zhuān)家估計,可開(kāi)采石油儲高,既是抗爆劑,又是助燃劑,所以用燃料乙醇量?jì)H可供人類(lèi)使用大約50年,天然氣還可用65作燃料不用再添加四乙基鉛或甲基叔丁基醚年,而煤炭則為200年。于是,世界各國紛紛(MTBE)就可成為高標號燃料油,可減少空氣中展開(kāi)對新能源的研究和開(kāi)發(fā)。作為一種清潔能鉛的污染12。因此,以農產(chǎn)物、農林廢棄物等生源,有“綠色石油”和“液體黃金”之稱(chēng)的乙醇有物質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇,越來(lái)越受到各國政府及科其獨特的優(yōu)越性。雖然乙醇燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能學(xué)家們的重視。以生物質(zhì)原料制乙醇有許多制比汽油低(乙醇為22.1M/L,汽油為取工藝,尤其以生物質(zhì)水解液發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙34.3MJ/L),但它是可再生的能源,具有環(huán)保特醇國內外研究得較多。收稿日期:2008-10-22中國煤化工基金項目:引進(jìn)國際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)創(chuàng )新項目(20064-006)TYHCNMHG通訊作者蔣劍春(1955-)男,江蘇溧陽(yáng)人研究員博士生導師從事林產(chǎn)化學(xué)加工和生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)技術(shù)研究;E2ec作者簡(jiǎn)介:曾凡洲(1984-),男,山東濟寧人,碩士生,主要從事生物質(zhì)發(fā)生物質(zhì)化學(xué)工程第43卷1生物質(zhì)原料成分分析合度小于200)高度分支的雜多糖鏈組成。常見(jiàn)的有木聚糖、阿拉伯糖-木聚糖、葡萄糖-甘露聚生物質(zhì)是由光合作用產(chǎn)生的所有生物有機體糖、半乳糖-葡萄糖-甘露聚糖等,多通過(guò)B-1,4·的總稱(chēng),包括植物、農作物、林產(chǎn)物、海產(chǎn)物(各種糖苷鍵連接8。各種植物纖維原料的半纖維素鏈海草)、農林廢棄物和城市廢棄物(報紙、天然纖上連接著(zhù)數量不等的甲?；鸵阴；?其分支結維)等。生物質(zhì)資源不僅儲量豐富,而且可再構使半纖維素無(wú)定形化,比較容易被水解。木質(zhì)生。全球每年生物質(zhì)的產(chǎn)量2000億噸左右,素是自然界最豐富的芳香族多聚物,它是由苯丙其中90%是木質(zhì)纖維素,并且80~200億噸的烷單元通過(guò)醚鍵和碳-碳鍵連接的復雜的無(wú)定形原始生物質(zhì)仍然有開(kāi)發(fā)的潛力4。我國每年有7高聚物。木質(zhì)素雖然對纖維素的酶解反應沒(méi)有損億噸農作物秸稈,2億多噸林地廢棄物和木材加害作用,但它和半纖維素以共價(jià)鍵形式結合,將纖剩余物,1,2億噸的畜禽糞便,數百萬(wàn)噸的樹(shù)木維素分子包埋在其中,阻礙其與酶的接觸,從而降果實(shí)和天然樹(shù)脂,以及數百萬(wàn)噸的廢棄生物油脂低反應速率。未被利用。木質(zhì)纖維素原料主要是由纖維素半纖維素2生產(chǎn)工藝和木質(zhì)素構成。三類(lèi)主要組分的一般組成比例為由生物質(zhì)原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,首先要對原料4:3:3,但不同來(lái)源的原料其比例存在差異,針葉進(jìn)行前處理,再用酶或酸水解聚合物成可發(fā)酵的林、闊葉林、草本會(huì )有所不同。纖維素是由吡單糖然后再經(jīng)發(fā)酵將六碳糖或五碳糖轉化成乙喃型葡萄糖單體以β-1,4-糖苷鍵連接而成的線(xiàn)醇最后就是乙醇的凈化(蒸餾或過(guò)濾),殘余固型結晶高聚物,完全水解后得到葡萄糖。半纖體物質(zhì)的氣化和廢水處理。圖1是生物質(zhì)水維素在結構和組成上變化很大,一般由較短(聚解制燃料乙醇的一般流程。生物質(zhì)—前處理酒精發(fā)酵蒸汽固體殘渣發(fā)電圖1生物質(zhì)水解制燃料乙醇的一般流程Fig. 1 a general process for fuel ethanol production by the biomass hydrolysis2.1前處理生物質(zhì)的水解工藝主要有濃酸水解、稀酸水主要包括原料的清洗和機械粉碎。原料的粒解和酶水解。 Hamelinck等比較了這3種度越小,比表面積就越大,越有利于催化劑和蒸汽水解工藝的特點(diǎn),見(jiàn)表1。的傳遞。其它的前處理方法有:熱磨法、擠壓2.3水解液的脫毒膨化法、高能輻射(y射線(xiàn)、電子輻射)法、冷凍處植物水解液中含有對后續乙醇發(fā)酵起抑制作理法2、石灰預處理法、蒸汽爆破法、氨纖用的抑制劑,主要有糠醛羥甲基糖醛、乙酸、酚類(lèi)維爆破法((AFEX)和生物方法等?；衔?、丁香酸羥基苯甲酸、香草醛及其它有毒2.2水解化合物。表13種纖維素水解工藝的比較Table 1 The comparison of three cellulose hydrolysis processes水解工溫度^C葡萄糖得率/%可用時(shí)間catalysttemperatureavailable time稀酸水解acid hydrolyse