纖維素制備乙醇

1、纖維素制備乙醇摘要：木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源，據(jù)測算年總產(chǎn)量高達1500億噸，蘊儲著巨大的生物質(zhì)能（6.9×1015千卡）。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，作物秸稈(如稻草、麥稈等)的年產(chǎn)量非常巨大(年產(chǎn)可達7億噸左右，相當于5億噸標煤)，據(jù)統(tǒng)計，目前的秸稈利用率33%，但經(jīng)過一定技術(shù)處理后利用的僅占2.6%，其余大部分只是作為燃料等直接利用，開發(fā)前景非常廣闊。關(guān)鍵字：纖維素 燃料乙醇纖維素原來生產(chǎn)乙醇的過程可以分為兩步。第一步，把纖維素水解為可發(fā)酵的糖，即糖化。第二步，將發(fā)酵液發(fā)酵為乙醇。通過發(fā)酵法制取乙醇的工藝流程圖。酸水解酶水解粉碎與混合纖維素發(fā)酵乙醇酸回收預(yù)處理1、木質(zhì)纖維素

2、的降解技術(shù)木質(zhì)纖維素降解可以采用酸水解和酶水解兩條不同的技術(shù)路線來實現(xiàn)。1.1酸水解技術(shù)纖維素的結(jié)構(gòu)單位的D-葡萄糖，是無分支的鏈狀分子，結(jié)構(gòu)單位之間以糖苷鍵結(jié)合而成長鏈。纖維素經(jīng)水解后可生成葡萄糖。纖維素分子中的化學鍵在酸性條件下是不穩(wěn)定的。在酸性水溶液中纖維素的化學鍵斷裂，聚合度下降，其完全水解產(chǎn)物是葡萄糖。纖維素酸水解的發(fā)展已經(jīng)歷了較長時間，水解中常用無機鹽，可分為濃酸水解和稀酸水解。1.2 酶水解技術(shù)同植物纖維酸法水解工藝相比,酶法水解具有反應(yīng)條件溫和、不生成有毒降解產(chǎn)物、糖得率高和設(shè)備投資低等優(yōu)點。而妨礙木質(zhì)纖維素資源酶法生物轉(zhuǎn)化技術(shù)實用化的主要障礙之一,是纖維素酶的生產(chǎn)效率低、成本

3、較高。目前使用的纖維素酶的比活力較低,單位原料用酶量很大,酶解效率低,產(chǎn)酶和酶解技術(shù)都需要改進。為了滿足競爭的需要，生產(chǎn)每加侖乙醇的纖維素酶的成本應(yīng)該不超過7 美分。但在目前產(chǎn)酶技術(shù)條件下,生產(chǎn)1加侖乙醇需用纖維素酶的生產(chǎn)費用約為3050 美分。要實現(xiàn)纖維素物質(zhì)到再生能源的轉(zhuǎn)化主要有兩點：首先可以尋找適合于工業(yè)生產(chǎn)的高比活力的纖維素酶。細菌和真菌產(chǎn)生的纖維素酶均可以水解木質(zhì)纖維素物質(zhì)，細菌和真菌中都存在有復(fù)雜的纖維素酶水解系統(tǒng)，雖然其水解微晶纖維素的能力非常強，但是由于其復(fù)合物的分子量十分巨大，并且單個組份又不具有水解微晶纖維素的能力，所以人們一直試圖從其他物種中尋找更符合工業(yè)應(yīng)用以及更具有應(yīng)

4、用前景的纖維素酶。日本一家實驗室從甲蟲中得到一種葡聚糖內(nèi)切酶水解羧甲基纖維素(CMC-Na)的比活力可高達150IU/mg。中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物所的研究人員從福壽螺中發(fā)現(xiàn)了一種纖維素酶EGX，它不僅具有很高的比活力，而且具有多種酶的活性，這些結(jié)果可能提示動物纖維素酶不但具有應(yīng)用前景，還具有理論研究意義。其次應(yīng)用微生物酶工程技術(shù)提高酶活性。2. 發(fā)酵技術(shù)利用木質(zhì)纖維素原料生物轉(zhuǎn)化酒精主要有幾種途徑:分步水解和發(fā)酵（SHF）、同時糖化和發(fā)酵（SSF）和直接微生物轉(zhuǎn)化（DMC）。2.1 分步水解和發(fā)酵（SHF）分步水解和發(fā)酵即纖維素酶法水解與乙醇發(fā)酵分步進行，這種方法最大的

5、優(yōu)點就是各步都可以在各自的最適溫度下進行，4550 酶解，3035 乙醇發(fā)酵。而其最大也是致命的缺點是在酶解過程中釋放出來的糖會反饋抑制酶的活性，因此纖維素的濃度無法提高，相應(yīng)的要求提高酶用量才能得到一定的乙醇產(chǎn)量。2.2 同時糖化和發(fā)酵（SSF）同時糖化和發(fā)酵即纖維素酶解與葡萄糖的乙醇發(fā)酵在同一個反應(yīng)器中進行，酶解過程中產(chǎn)生的葡萄搪被微生物所迅速利用，解除了葡萄糖對纖維素酶的反饋抑制作用，提高了酶解效率，SSF是目前典型的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，國內(nèi)外的中間試驗基本都采用的此法。一方面工廠大罐發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶，另一方面將原材料進行預(yù)處理后加入纖維素酶和酵母菌株進行同時糖化發(fā)酵，不水解的木質(zhì)

6、素和纖維素殘渣分離開來燃燒提供能量，乙醇則通過傳統(tǒng)蒸餾工藝回收。這種方法相應(yīng)的要求纖維素酶生產(chǎn)成本和周期的降低，能同時發(fā)酵五碳糖和六碳糖的轉(zhuǎn)基因酵母，優(yōu)化的預(yù)處理手段以及連續(xù)工藝的開發(fā)和使用。在經(jīng)濟和技術(shù)可行性確定之前，示范性工廠的長期運行是必然的。SSF 工藝的主要問題是水解和發(fā)酵所需的最佳溫度不能匹配，4550 酶解，3035乙醇發(fā)酵。 SSF常在3538下操作，這一折中處理使酶的活性和發(fā)酵的效率都不能達到最大，Zbangwen等設(shè)計了非等溫的SSF工藝（NSSF），它包含一個水解塔和一個發(fā)酵罐，不含酵母細胞的流體在兩者之間循環(huán)。2.3 直接微生物轉(zhuǎn)化（DMC）直接微生物轉(zhuǎn)化即作物秸稈中的

7、纖維素成分通過某些微生物的直接發(fā)酵可以轉(zhuǎn)換為酒精。這些微生物既能產(chǎn)生纖維素酶系水解纖維素又能發(fā)酵糖產(chǎn)生乙醇。前兩種方法都要求有獨立的纖維素酶生產(chǎn)，而這種方法則一步包括了所有這三個步驟:纖維素酶生產(chǎn)、 纖維素水解和發(fā)酵糖為酒精。粗糙脈孢菌和尖鐮孢菌是直接轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素材料為乙醇研究較多的兩種真菌。這兩種菌都能同時具有產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶，發(fā)酵葡萄糖和木糖產(chǎn)生乙醇的能力，在有氧條件下產(chǎn)生纖維素酶水解底物，在半通氧條件下發(fā)酵糖產(chǎn)生乙醇。與目前的廣被接受的SSF相比，直接發(fā)酵產(chǎn)乙醇有著獨特的優(yōu)勢:首先，此舉似乎比基因工程菌更值得研究。一方面前者不需添加額外的酶，而后者需要酶基因的轉(zhuǎn)入；另一方面前者

8、既可發(fā)酵六碳糖又可利用五碳糖，后者則需重組質(zhì)粒，而基因工程菌共同的致命弱點是遺傳穩(wěn)定性差，目前還很難解決。其次，SSF依賴于對酵母的改造和生產(chǎn)纖維素酶的成本的進一步降低。在目前產(chǎn)酶技術(shù)條件下,生產(chǎn)1加侖乙醇需用纖維素酶的生產(chǎn)費用約為3050 美分,有更多研究致力于將之進一步降低。但從能量角度而言，似乎直接法是最終更節(jié)省能量的做法。再次，SSF發(fā)酵的過程中，乙醇對纖維素酶的非競爭性抑制是不容忽視的，而DMC菌種的纖維素酶活力在整個半通氧發(fā)酵過程中都保持穩(wěn)定的水平。雖然目前直接法的轉(zhuǎn)化率仍低于酵母，但由于原位的纖維素酶生產(chǎn)和纖維素發(fā)酵，天然的五碳糖發(fā)酵能力以及對糖和乙醇的耐受都使得能直接轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖

9、維素為乙醇的幾種微生物備受關(guān)注，尤其是粗糙脈孢菌和尖鐮孢菌對它們在不同預(yù)處理原料下的產(chǎn)酶和發(fā)酵能力的研究對于生物質(zhì)資源的全利用有很大意義。3.精餾和脫水技術(shù)精餾和脫水可以借鑒淀粉質(zhì)原料燃料乙醇生產(chǎn)工藝中已經(jīng)發(fā)展成熟的工業(yè)化技術(shù)，木質(zhì)纖維素類原料發(fā)酵液中乙醇濃度比較低，一般情況下均在5%（V）以下，致使精餾操作能耗高。有研究者建議，在木質(zhì)纖維素水解液乙醇發(fā)酵工藝中耦合滲透蒸發(fā)技術(shù)來提高進入精餾系統(tǒng)發(fā)酵液中乙醇濃度，但是滲透蒸發(fā)系統(tǒng)本身的動力消耗也比較大，而且滲透蒸發(fā)所用的透醇膜容易被發(fā)酵醪和菌體污染的問題也很突出。4，預(yù)處理由于纖維素被難以降解的木質(zhì)素所包裹，且纖維素本身也存在晶體結(jié)構(gòu)，阻止纖維素酶接近纖維素表面，使酶難以起作用，所以纖維素直接酶水解的效率很低。因此，需要采取預(yù)處理措施，出去木質(zhì)素，溶解半纖維素或破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)。預(yù)處理必須滿足以下的要求：促進糖的形成，或者提高續(xù)酶水解形成糖的能力；避免碳水化合物的降解或損失；避免副產(chǎn)物形成阻礙后續(xù)水解和發(fā)酵過程；具體成本效益。目前，纖維素原來預(yù)處理方法包括機械法，物理化學法，化學法和生物法。結(jié)束語在