玉米秸稈制取燃料乙醇的研究進(jìn)展

第1期總第187期農業(yè)科技與裝備N(xiāo)o. 1 Total No, 1872010年1月Agricultural Science& Technology and Equipmentan.2010玉米秸稈制取燃料乙醇的研究進(jìn)展馮麗敏(遼寧職業(yè)學(xué)院遼寧鐵嶺112001)摘要:針對玉米秸稈的組分成分特點(diǎn),探討以玉米秸稈為原料制取燃料乙醇的機理,以及玉米秸稈預處理、水解發(fā)酵工藝的最新研究進(jìn)展,并對各種T藝進(jìn)行比較,以便為玉米秸稈原料制取燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)研究和實(shí)現產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支持。關(guān)健詞:玉米桔稈;燃料乙醇;預處理;發(fā)酵中圖分類(lèi)號:TS2622文獻標識碼:A文章編號:1674-1161(201001-0029-03近年來(lái),生物質(zhì)能的研究已成為令人關(guān)注的研究為大量的五碳糖(木糖和阿拉伯糖)和六碳糖(葡萄糖課題,其中利用農業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇逐步成半乳糖和甘露糖)。木糖是木質(zhì)纖維素水解物中含量為研究熱點(diǎn)。玉米秸稈作為一種重要的農業(yè)廢棄物,僅次于葡萄糖的一種單糖,含量可達30%。分析表到了廣泛的關(guān)注。目前,我國玉米秸稈除了少部明,適宜的木糖發(fā)酵產(chǎn)率和乙醇濃度可以使整個(gè)生物分被利用外,大部分以堆積、荒燒等方式直接傾入環(huán)轉化工藝總成本降低25%。由此可見(jiàn),對已有菌株境,造成極大的環(huán)境污染和資源浪費,且這種直接燃進(jìn)行改造使其能高效利用木糖生產(chǎn)乙醇,是木質(zhì)纖維燒的方法熱效率很低,只有10%左右。如果將它們轉素資源得以廣泛利用的關(guān)鍵?；蓺怏w或液體燃料,如乙醇、氫氣、柴油等,其熱效普通酒精酵母無(wú)法利用五碳糖發(fā)酵產(chǎn)生乙醇η,率可達30%以上,而且可以緩解人類(lèi)所面臨的資源而產(chǎn)阮假絲酵母可以發(fā)酵五碳糖并產(chǎn)生乙醇。在產(chǎn)阮危機、食物短缺、環(huán)境污染問(wèn)題,從而為人類(lèi)可持續發(fā)假絲酵母和酒精酵母的共同作用下,可同時(shí)將五碳糖展提供保證。和六碳糖發(fā)酵生成乙醇,其化學(xué)反應方程式周為1玉米秸稈組分C6H12O%- 2C2HS OH + 2C0玉米精稈組分成分見(jiàn)表12C5HoOs-3CHsOH 4c0表1玉米秸稈的化學(xué)組成2制備燃料乙醇的原理Table 1 Chemical compositions of corn stalk /以木質(zhì)纖維素為原料制備燃料乙醇的原理如圖組成含量1所示。纖維素3733水解工藝半纖維素木質(zhì)纖維素的水解方法主要有稀酸水解濃酸水木質(zhì)素解、酶水解等?；曳?.1稀酸水解工藝醋酸鹽由于稀酸水解具有成本低、過(guò)程簡(jiǎn)單、水解率高、可溶出物13.0木聚糖轉化成木糖的轉化率高等特點(diǎn),因而被廣泛應其他用。木質(zhì)纖維素在稀酸水解過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的抑玉米秸稈結構復雜,纖維素、半纖維素被木質(zhì)素制因子阻礙生物質(zhì)轉化為乙醇"。這些抑制門(mén)子包裹,半纖維素部分共價(jià)和木質(zhì)素結合,而纖維素具包括呋喃衍生物、弱酸、酚類(lèi),其中糠醛5-羥甲基有高度有序的晶體結構,因此,必須經(jīng)過(guò)預處理使纖糠醛是酵母生長(cháng)和發(fā)酵的最主要抑制因子,可以減維素、半纖維素、木質(zhì)素分離開(kāi),切斷它們的氫鍵,破少酶的活性打斷DNA的復制抑制蛋白和RNA的壞晶體結構,降低聚合度。表達叫,甚至殺死酵母菌。為了促進(jìn)發(fā)酵,應先用傳統利用酸解或酶解的方法可以將木質(zhì)纖維素轉化方法共物筧哩里方法)對水解液進(jìn)中國煤化工行脫高發(fā)酵成本和增加收稿日期:200-12發(fā)酵」CNMHG部分碳源。因此,尋作者簡(jiǎn)介:馮麗敏(1965-),女,副教授,高級工程師,從事機械找耐毒的高產(chǎn)酒精酵母菌,對燃料乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)工程方面的教學(xué)與研究工作。具有重要意義。農業(yè)科技與裝備2010年1月葡萄糖發(fā)酵直接發(fā)酵]發(fā)酵本質(zhì)纖維素預處理纖維系料乙醇直接發(fā)酵木質(zhì)素(不能轉化為可代謝糖源)圖1以木質(zhì)纖維素為原料制備原料乙醇的原理Figure 1 Mechanism of extracting raw ethanol with lignocellulose as the raw material32濃酸水解工藝表2玉米秸稈預處理方法濃酸水解的原理是:在較低溫度下,結晶纖維素Table 2 Pretreatments of corn stalk完全溶解在硫酸中,并轉化成含幾個(gè)葡萄糖單元的低方法聚糖,再把此溶液加水稀釋并加熱,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后物理法機械粉碎、高溫分解、聲波、電子射線(xiàn)蒸汽爆破法、氨纖維爆破(即AFEX)、CO2纖就可把低聚糖水解為葡萄糖。濃酸水解的優(yōu)點(diǎn)在于:物理化學(xué)法維爆破擠壓膨化是糖的回收率高,可達90%以上;二是水解相對迅酸水解{稀酸(HSO)濃酸(HSO4HCD速,只需10~12h;三是極少降解。其缺點(diǎn)是對設備要堿水解(NaOH、堿性過(guò)氧化氫氨水)求高,且酸必須回收?；瘜W(xué)法氧化脫木素(OO2NCO3)、有機溶劑(甲醇、Arkenol公司采用離子排斥法分離出水解液中的乙醇、丁醇、苯)酸和糖。生物法纖維素酶木質(zhì)素酶33酶水解工藝預處理方法。酶水解是一種生化反應,加入水解器的是微生物4發(fā)酵工藝產(chǎn)生的纖維素酶。酶水解的優(yōu)點(diǎn):1)在常溫下進(jìn)行,微典型的發(fā)酵工藝方法包括直接發(fā)酵法間接發(fā)酵生物的培養與維持僅需較少的原料,過(guò)程能耗低;2)法、同步糖化發(fā)酵法SSF法)和固定化細胞發(fā)酵法。酶有很高的選擇性,可生成單一產(chǎn)物,故糖的產(chǎn)率高41直接發(fā)酵法(大于95%);3)由于酶水解過(guò)程中基本不加化學(xué)藥直接發(fā)酵法是指用同一微生物完成纖維素的糖品,且僅生成很少的副產(chǎn)物,所以提純過(guò)程簡(jiǎn)單,可以化水解和發(fā)酵過(guò)程。這種發(fā)酵法的工藝設備簡(jiǎn)單成避免污染。酶水解的缺點(diǎn)是所需時(shí)間較長(cháng),一般需要本低,但發(fā)酵速度慢,副產(chǎn)物的抑制作用會(huì )使乙醇的幾天,且相應的反應器體積很大酶成本較高,水解原產(chǎn)率降低。實(shí)際生產(chǎn)中通常利用混合菌直接發(fā)酵,可料須經(jīng)預處理使乙醇產(chǎn)率提高到70%。采用酶水解工藝原料在糖化、發(fā)酵前必須進(jìn)行預42間接發(fā)酵法處理,一方面可以降低纖維素的結晶度,解除木質(zhì)素間接發(fā)酵法即糖化、發(fā)酵二段發(fā)酵法,是目前研障礙;另一方面能夠降低纖維素的聚合度,增加原料究最多的一種方法它是利用纖維素酶水解纖維的外表面積進(jìn)而提高纖維素與水解催化劑的可結合素,同時(shí)收集酶解后的糖液,作為酵母發(fā)酵的碳源。乙性。預處理必須滿(mǎn)足以下要求一是促進(jìn)糖的形成,醇產(chǎn)物由于受到末端產(chǎn)物的抑制因此必須不斷地將或提高后續酶水解成糖的能力;二是避免碳水化合物其從發(fā)酵罐中移出。采用減壓發(fā)酵法和快速發(fā)酵法可的降解或損失;三是避免副產(chǎn)物形成后阻礙后續水解以對細胞進(jìn)行循環(huán)使用,提高細胞濃度。還可篩選能和發(fā)酵過(guò)程;四是有成本效益。在高糖濃度下存活并利用高糖的微生物突變株,以使預處理的方法主要有物理法化學(xué)法物理化學(xué)菌體分階段逐步適應高基質(zhì)濃度,克服基質(zhì)抑制。該法、生物法等。各方法的具體內容見(jiàn)表2。法需中國煤化工而成本較高。物理化學(xué)法甚至可以去掉60%~80%的木質(zhì)素43使纖維素水解率大大提高。但這種方法的成本高CNMHG素酶對纖維素的酶且同時(shí)產(chǎn)生對水解和發(fā)酵起抑制作用的副產(chǎn)品。實(shí)踐水解和發(fā)酵糖化過(guò)程是在同一裝置內連續進(jìn)行的,水證明,運用生物法降解木質(zhì)素是一種發(fā)展前景較好的解產(chǎn)生的葡萄糖由于菌體的不斷發(fā)酵而被利用,因2010年第1期馮麗:玉米秸稈制取燃料乙醇的研究進(jìn)展31此,可以消除葡萄糖因基質(zhì)濃度對纖維素酶的反饋抑璃等。固定化細胞的新動(dòng)向是混合固定細胞發(fā)酵,如制作用。在工藝上采用同步發(fā)酵法,既可簡(jiǎn)化設備和酵母與纖維二糖酶一起固定化后將纖維二糖基質(zhì)轉節約總生產(chǎn)時(shí)間,又可提高生產(chǎn)效率。但這種發(fā)酵法化成乙醇。這種發(fā)酵方法被看作是秸稈生產(chǎn)乙醇的重存在一些抑制因素,如木糖的抑制作用糖化和發(fā)酵要方法。溫度不協(xié)調等。實(shí)踐中常采用耐熱酵母(如假化酵母、5結語(yǔ)克勞林比酵母等)解決溫度不協(xié)調問(wèn)題。張繼泉等目前,玉米秸稈制取乙醇技術(shù)已基本成熟,但由作了有關(guān)玉米秸稈同時(shí)糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研于纖維素酶的成本太高、預處理過(guò)程化學(xué)試劑的應用究,并利用燃料乙醇的條件進(jìn)行了搖瓶試驗。投入過(guò)大等原因,致使纖維素乙醇的生產(chǎn)成本過(guò)高44固定化細胞發(fā)酵還無(wú)法與用糧食生產(chǎn)乙醇相競爭。以纖維素為原料制固定化細胞發(fā)酵能使發(fā)酵罐內細胞濃度提高,細取燃料乙醇距市場(chǎng)化要求尚有一定差距需要科技工胞可連續使用,并可提高最終發(fā)酵液乙醇濃度。固定作者進(jìn)一步研究?；毎l(fā)酵的常用載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻參考文獻)黃宇彤杜連祥世界燃料酒精發(fā)展形勢門(mén)食品與發(fā)酵T業(yè),200(l}12-14.2]張繼泉王瑞祥利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料酒精的研究進(jìn)展門(mén)釀酒科技0031):39-41[3] JEEWON LEE Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol[J Journal of Biotechnology, 1997(56): 1-24.4胡代澤我國農作物秸稈資源的利用現狀與前景資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)200016(1:19-205]竇克軍孫春寶玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的研究進(jìn)展小四川食品與發(fā)酵,2007(1)30-34[6JJEFFRIESTW, KURTMAN CP. Strain selection, taxonomy and genetics of xylose-fermentation yeasts[J]. Enzyme Microb Technol, 1994(16922-9327陳艷萍勇強戊糖發(fā)酵微生物及選育門(mén)纖維科學(xué)與技術(shù)2001(3):57-618]王瑞明賈士儒玉米秸稈水解與木糖酒精發(fā)酵的初步研究U釀酒,2002(1):579]文新亞李燕松張志鵬酶解木質(zhì)纖維素的預處理技術(shù)研究進(jìn)展釀酒科技,200(8:97-100.[10] LUO C, BRINK D, BLANCH H Identification of potential fermentation inhibitors in conversion of hybrid poplar hydrolyzate to ethanolU] Biomass Bioenergy 2002(22): 125-138[11]KLINKE HB, THOMSEN AB, AHRING BK. Inhibition of ethanolproducing yeast and bacteria by degradation products produced during pre-treatment of biomass[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2004(66): 10-26[12]PALMQVIST E, ALMEIDA J, HAHN-HAGERDAL B. Influence of furfural on anaerobic glycolytic kinetics of Saccharomyceserevisiae in batch culture[J]. Biotechnol Bioeng, 1996(2): 447-454[13]TAHERZADEH M, GUSTAFSSON L, NIKLASSON C Physiological effects of 5-hydroxymethylfurfural on Saccharocerevisiae[] Appl Microbiol Biotechnol, 2000(53):701-708.[1] MODIG T, LIDEN G, TAHERZADEH M. Inhibition effects of furfural on alcohol dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase and pyruvate dehydrogenase[]. Biochem J, 2002(363): 769-776[15]FARONE W A,CUZENS J E:US,5 820 687[P] 1998[6許風(fēng)孫潤倉,詹懷宇木質(zhì)纖維原料生物轉化燃料乙醇的研究進(jìn)展纖維素科學(xué)技術(shù),200,12(145-54[7張慧周美化生物轉化植物纖維素產(chǎn)酒精的研究進(jìn)展江蘇化工,200533(1):21-218王丹林建強張蕭直接生物轉化纖維素資源生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展山東農業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)200234:525-52919張繼泉王瑞明關(guān)風(fēng)梅玉米秸稈同時(shí)糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精的研究門(mén)纖維素科學(xué)與技術(shù).2002-J0③:35-39[20劉翔何國慶利用木素纖維素生產(chǎn)嫩料乙醇的微生物代謝丁程糧油加T與食品機械,2003(8:67-69[21] INGRAM LONNIE. Genetic engineering of bacteria for lignocellulose conversion to ethanol[J]. Preprints-Division of Petroleum Chemistry, American Chemical Society, 1993, 38(2): 291-293Research progress of Extracting Fuel Ethanol from Corn Stalkliaoning Vocational College, Tieling LiaAbstract: In the paper, the author presents the characteristics of the compo中國煤化工fuel ethanol using eom stalk as raw materials, as well as the latest developC MH Hydrolysis,fermenttechnology, and makes comparisons on the various techniques so as to propport to the research on key technologies ofextracting fuel ethanol from com stalks and to promote the industrialization of the techniqueKey words: com stalk; fuel ethanol; pretreatment; fermentation