利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇

1、 利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料酒精姓名：張曉峰姓名：張曉峰專業(yè)：化學(xué)工程專業(yè)：化學(xué)工程學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：201331678201331678主要內(nèi)容 生物乙醇發(fā)展現(xiàn)狀生物乙醇發(fā)展現(xiàn)狀 木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理 木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝 存在問(wèn)題以及自己的看法存在問(wèn)題以及自己的看法生物乙醇發(fā)展現(xiàn)狀 經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以能源為重要?jiǎng)恿Γ?jīng)濟(jì)越發(fā)展，能源消耗越多。到2059年，也就是世界上第一口油井開(kāi)鉆200周年之際，世界石油資源大概所剩無(wú)幾。而生物質(zhì)能是由植物的光合作用固定于地球上的太陽(yáng)能，最有可能成為21世紀(jì)主要的新能源之一。 然而燃料乙醇的生產(chǎn)如

2、均以糖類或糧食為原料，其產(chǎn)量受到糧食資源的限制，難以長(zhǎng)期滿足能源需求。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮必須進(jìn)行科技創(chuàng)新，擴(kuò)大原料來(lái)源。含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)廢棄物是生產(chǎn)燃料乙醇的另一原料來(lái)源，它包括農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工廢料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的廢棄生物質(zhì)等。生物乙醇發(fā)展現(xiàn)狀 注:生物乙醇比重按照0. 79公斤/升折算, 1加侖=3. 785升 國(guó)家國(guó)家生物乙醇發(fā)展目標(biāo)生物乙醇發(fā)展目標(biāo)主要原料主要原料美國(guó)2012年 132億加侖；2022年 350億加侖玉米巴西2012年 95億加侖；2016年 115億加侖甘蔗歐盟2010年5.75%；2020年10%（生物柴油約占80%） 小麥，甜菜中國(guó)2010年 13億加侖；

3、2020年 33億加侖玉米，小麥，木薯加拿大2010年5%玉米，小麥泰國(guó)2007年10%糖蜜，木薯，甘蔗菲律賓2008年5%；2010年10%甘蔗，木薯木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇的步驟主要分為兩步：纖維素水解成糖，糖發(fā)酵成醇。由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，纖維素、半纖維素（半纖維素是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體，這些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。）不但被木質(zhì)素包裹，而且半纖維素部分共價(jià)和木質(zhì)素結(jié)合，纖維素具有高度有序晶體結(jié)構(gòu)。 因此必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理，使得纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分離開(kāi)，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結(jié)構(gòu)，降低聚合度，以提高水解效率。表2列出了

4、幾種木質(zhì)纖維素中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量。木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理 植物細(xì)胞壁構(gòu)成示意圖植物細(xì)胞壁構(gòu)成示意圖 木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理 表2 不同生物質(zhì)原料的組成原料原料纖維素（纖維素（%） 半纖維素（半纖維素（%）木質(zhì)素（木質(zhì)素（%）玉米秸稈43278麥秸305015高粱稈352425稻草352512蔗渣392624玉米芯453515豆稈352520木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理纖維素類物質(zhì)纖維素木糖木質(zhì)素水解纖維素酶葡萄糖木酮糖發(fā)酵直接發(fā)酵 異構(gòu)化發(fā)酵直接發(fā)酵木糖異構(gòu)酶（不能轉(zhuǎn)化為酒精）（不能轉(zhuǎn)化為酒精）乙醇木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的路線木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理 纖維素是一種

5、有100-1000個(gè)-D-吡喃型葡萄糖單體以-1,4-糖苷鍵連接的直鏈多糖，多個(gè)分子平行緊密排列成絲狀不溶性微小纖維。在工業(yè)上，纖維素經(jīng)酸解或酶解預(yù)處理后，釋放出的葡萄糖可進(jìn)入乙醇發(fā)酵途徑。半纖維素是由多種多糖分子組成的支鏈聚合物，不同來(lái)源的半纖維素其單糖的組成各異。經(jīng)測(cè)算，木質(zhì)纖維素原料中半纖維素組分的有效利用有可能使乙醇燃料的生產(chǎn)成本降低25%，這主要是木糖的作用。 利用產(chǎn)纖維素酶的微生物或纖維素酶先將纖維素水解成可發(fā)酵性糖，再利用酵母將其發(fā)酵成乙醇。木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理產(chǎn)纖維素酶的微生物真菌酵母菌細(xì)菌典型的真菌產(chǎn)纖維素酶是由葡聚糖內(nèi)切酶、葡聚糖外切酶、-葡萄糖苷酶3個(gè)主要成分組成

6、的誘導(dǎo)型復(fù)合酶系。 嗜熱厭氧細(xì)菌在生長(zhǎng)速度和纖維素代謝速度上比其他菌株快，同時(shí)它所產(chǎn)生的纖維素酶的穩(wěn)定性也有很大的提高。 木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝木質(zhì)纖維素制木質(zhì)纖維素制備生物乙醇的備生物乙醇的基本工藝基本工藝預(yù)處理水解發(fā)酵純化預(yù)處理可以去除木質(zhì)素和半纖維素，降低纖維素的結(jié)晶性，從而增大原料的可接觸表面積，使得酶容易接近纖維素表面并進(jìn)行水解。 發(fā)酵過(guò)程是對(duì)水解產(chǎn)物(五碳糖 和六碳糖)進(jìn)行發(fā)酵，獲得乙醇。水解過(guò)程是利用酸或酶水解聚合物，使之成為可溶性的單糖。通過(guò)蒸餾、過(guò)濾等手段，獲得純凈的乙醇木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝1.1.木質(zhì)纖維素的預(yù)處理木質(zhì)纖維素的預(yù)處理 由于木質(zhì)纖維素的組成成分復(fù)

7、雜、穩(wěn)定，使得其生物降解難于迅速進(jìn)行。木質(zhì)素雖然對(duì)纖維素分解物質(zhì)（如酶等）反應(yīng)沒(méi)有阻礙作用，但它阻止纖維素分解物對(duì)纖維素的作用，因此人們不得不借助化學(xué)的、物理的方法進(jìn)行預(yù)處理，使纖維素與木質(zhì)素、半纖維素等分離開(kāi)；使纖維素內(nèi)部氫鍵打開(kāi)，使結(jié)晶纖維素成為無(wú)定型纖維素，以及進(jìn)一步打斷部分-1,4-糖苷鍵，降低聚合度；半纖維素被水解成木糖、阿拉伯糖等單糖。經(jīng)預(yù)處理后，有的纖維素的酶法降解速率甚至可以與淀粉水解相比。木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝方法方法例例 證證熱機(jī)械法碾磨，粉碎，抽提自動(dòng)水解法蒸汽爆破、超臨界CO2爆破酸處理法稀酸（H2SO4，HCl），濃酸（H2SO4，HCl），乙酸等堿處理法NaO

8、H，堿性過(guò)氧化氫，氨水有機(jī)溶劑處理法甲醇，乙醇，丁醇，苯生物法木素過(guò)氧化物酶，Mg依賴過(guò)氧化物酶木質(zhì)纖維素材料的預(yù)處理方法木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝2. 纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 纖維素是一種有100-1000個(gè)-D-吡喃型葡萄糖單體以-1,4-糖苷鍵連接的直鏈多糖，多個(gè)分子平行緊密排列成絲狀不溶性微小纖維。在工業(yè)上，纖維素經(jīng)酸解或酶解預(yù)處理后，釋放出的葡萄糖可進(jìn)入乙醇發(fā)酵途徑。木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝3. 3. 木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇木糖木酮糖木酮糖-5-磷酸細(xì)菌木糖異構(gòu)酶木酮糖激酶木糖醇酵母NADPHNADH木糖還原酶NADPNADNAD木糖醇脫氫酶NADH戊糖

9、磷酸途徑糖酵解途徑乙醇木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝4.4.發(fā)酵方式發(fā)酵方式發(fā)酵方法1 1）直接發(fā)酵法：）直接發(fā)酵法：基于纖維分解細(xì)菌直接發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇，不需要經(jīng)過(guò)酸解或酶解前處理過(guò)程。特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉；但乙醇產(chǎn)率不高，產(chǎn)生有機(jī)酸等副產(chǎn)物。2）間接發(fā)酵法：）間接發(fā)酵法：先用纖維素酶水解纖維素，酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源。乙醇產(chǎn)物的形成受末端產(chǎn)物抑制和低細(xì)胞濃度以及基質(zhì)抑制。為了克服乙醇產(chǎn)物的抑制，必須不斷的從發(fā)酵罐中移出。3）混合菌種發(fā)酵：）混合菌種發(fā)酵：采用氣升柱發(fā)酵木糖和溢流柱發(fā)酵葡萄糖的串聯(lián)發(fā)酵工藝。串聯(lián)發(fā)酵是首先經(jīng)P.s酵母的限氧發(fā)酵后，再經(jīng)S.c的厭氧過(guò)程而結(jié)束。4）同時(shí)糖化發(fā)酵法（）同時(shí)糖化發(fā)酵法（SSF法）：法）：在同一個(gè)反應(yīng)罐中進(jìn)行纖維素糖化和乙醇發(fā)酵的同步糖化發(fā)酵法。這樣水解產(chǎn)物葡萄糖由菌體的不斷發(fā)酵而被利用，消除了葡萄糖因基質(zhì)濃度對(duì)纖維素酶的反饋抑制作用。6）固定化細(xì)胞發(fā)酵：）固定化細(xì)胞發(fā)酵：固定化細(xì)胞發(fā)酵具有能使發(fā)酵器內(nèi)細(xì)胞濃度提高，細(xì)胞可連續(xù)使用，使最終發(fā)酵液乙醇濃度得以提高。5）非等溫同時(shí)糖化發(fā)酵（）非等溫同時(shí)糖化發(fā)酵（NSSF法）：法）：在纖維素酶糖化過(guò)程中，纖維素酶的最適溫度為50左右，而酵母發(fā)酵的控制溫度是31-38。利用NSSF法很好地解決了纖維素酶糖化與酵母發(fā)酵兩個(gè)