纖維素乙醇的研究現狀及其發(fā)展趨勢

1、纖維素乙醇的研究現狀及其開展趨勢摘要：隨著能源危機和環(huán)境污染問題日益突出，世界能源開展正步入一個嶄新的時期，即世界能源構造正在經歷由化石能源為主向可再生能源為主的變革。纖維素乙醇因被當作最正確液體替代燃料并具有生態(tài)效益而成為工業(yè)生物技術的研究熱點。針對國內外纖維素乙醇的研究現狀，分析了影響纖維素乙醇產業(yè)化開展的因素以及纖維乙醇產業(yè)化開展的趨勢。關鍵詞：纖維素乙醇；木質纖維素；產業(yè)化；生物精煉；乙醇聯產keyrds：ellulseethanl;lignellulse;industrializatin;bi-refining;-prdutinfethanl0引言能源問題是當今世界各國都面臨的關系國

2、家平安和經濟社會可持續(xù)開展的中心議題，已經成為全球關注的焦點。因此，人們開場把目光轉移到有利于社會可持續(xù)開展的可再生能源體系。專家認為，生物質資源轉化體系是引領第三次世界能源革命的技術平臺。在此背景下，燃料乙醇已經被視為替代和節(jié)約汽油的最正確燃料，其高效的轉換技術和干凈利用日益受到全世界的重視，已經被廣泛認為是21世紀開展循環(huán)經濟的有效途徑。在中國，燃料乙醇的主要原料是玉米和小麥。隨著燃料乙醇的快速開展，原料問題日益突出，成為制約燃料乙醇開展的瓶頸；另外，以糧食作物為原料的燃料乙醇產業(yè)開展還有可能引發(fā)國家糧食平安問題。因此，中國政府提出生物乙醇堅持非糧之路，即“不與人爭糧，不與糧爭地。經濟分析

3、顯示，中國開展纖維素乙醇有更大的優(yōu)勢。木質纖維素是地球上最豐富的可再生資源，也是當前利用率最低的資源，是各國新資源戰(zhàn)略的重點。中國可利用的木質纖維素每年在7億噸左右，這些豐富而廉價的自然資源主要來源于農林業(yè)廢棄物、工業(yè)廢棄物和城市廢棄物。所以，纖維素乙醇是將來開展的必然方向。1木質纖維素原料組成及性質木質纖維素是由纖維素、半纖維素、木質素和少量的可溶性固形物組成。纖維素大分子是由葡萄糖脫水，通過-1,4葡萄糖苷鍵連接而成的直鏈聚合體。在常溫下不發(fā)生水解，高溫下水解也很緩慢。只有在催化劑的作用下，纖維素的水解反響才顯著進展。常用的催化劑是無機酸或纖維素酶，由此分別形成了酸水解和酶水解工藝。半纖維

4、素是由不同的多聚糖構成的混合物，這些多聚糖由不同單糖聚合而成，有直鏈也有支鏈，上面連接有不同數量的乙酰基和甲基。半纖維素的水解產物主要有己糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、戊糖和阿拉伯糖等幾種不同的糖。半纖維素的聚合度較低，相比照擬容易降解成單糖。二者的水解機理可以用以下方程式簡單地表示：(6h105)n+nh2n6h106(5h804)n+nh2n5h1052國外纖維素乙醇的研究與應用現狀隨著現代工業(yè)的迅速開展，大規(guī)模開發(fā)利用作為清潔能源的可再生資源顯得日益重要。許多國家都制定了相應的開發(fā)研究方案，例如：美國的“能源農潮、巴西的“酒精能源方案、印度的“綠色能源工程和日本的“陽光方案等開展規(guī)劃。其它

5、諸如丹麥、荷蘭、德國等國，多年來一直在進展各自的研究與開發(fā)，并形成了各具特色的生物質能源研究與開發(fā)體系，擁有各自的技術優(yōu)勢。自1973年世界石油危機后，巴西就施行了“國家乙醇消費方案，主要依靠本國豐富的甘蔗資源，積極開展燃料乙醇產業(yè)，目前已經開展320多家燃料乙醇消費企業(yè)，1400萬噸/年的乙醇消費規(guī)模。大部分企業(yè)實行燃料乙醇和糖聯產。美國在燃料乙醇的消費上仍然是世界乙醇消費的領頭羊，在將纖維素轉化為燃料酒精的研究、消費和應用方面也走在世界的前列。美國加州大學berkeley分校采用的流程是纖維素水解與發(fā)酵同步進展，該工藝以粉碎的玉米芯為原料，再用稀酸水解，將半纖維素水解成木糖等產物。該流程的

6、酸水解是連續(xù)進展的，反響器中的纖維原料含量為5%，玉米芯水解率達40%，水解液中糖為2.6%，然后采用多效蒸發(fā)器濃縮至糖濃度為11%再進展發(fā)酵。美國維吉尼亞州立大學利用80%的濃磷酸循環(huán)使用進展木質纖維素“溶解性別離的研究，然后經纖維素酶水解，得到較純的葡萄糖，其得率到達35%。瑞典隆德大學karinhgren等研究了將蒸汽爆破預處理后的玉米秸稈進展同步糖化與發(fā)酵的工藝研究，試驗結果說明，發(fā)酵完畢后乙醇到達25g/l。近年，隨著纖維乙醇技術的快速開展，一些大公司開場方案建造較大規(guī)模的試驗性工廠。美國的gulfilheial公司建成了可處理1t/d纖維廢料的中試車間，年產純乙醇2億升，乙醇產率為

7、27.7%。加拿大的igen生物技術公司，在渥太華開設了以麥秸為原料的3.2萬加侖/年纖維素乙醇廠，采用稀酸結合蒸汽氣爆預處理半纖維素，隨后用纖維素酶水解，別離后的液體進展木糖和葡萄糖結合發(fā)酵。經評估，其消費本錢比谷物乙醇高出30%50%。3國內纖維素乙醇研究與應用現狀我國在纖維素乙醇技術開發(fā)上也獲得了一些重要進展。浙江大學主持的“利用農業(yè)纖維廢棄物代替糧食消費酒精的工程已在河北完成中試消費，以玉米芯為原料，乙醇產率為22.2%/。南京林業(yè)大學建立了玉米秸稈間歇蒸汽爆破預處理、纖維素酶水解和戊糖己糖同步發(fā)酵技術制取纖維乙醇的中試裝置。水解得率為71.3%，復原糖利用率和乙醇得率分別為87.17

8、%和0.43%。華東理工大學于2022年已建成了纖維乙醇600噸/年的示范性工廠，以廢木屑為原料，以稀鹽酸水解和氯化亞鐵為催化劑的水解工藝以及葡萄糖與木糖的發(fā)酵，轉化率到達了70%。河南農業(yè)大學利用黃胞原毛平革菌和雜色云芝的復合預處理，對選擇性降解木質素的才能和規(guī)律進展了試驗研究。生物降解后原料水解率到達了36.67%。山東大學微生物技術國家重點實驗室主要開展“纖維素原料轉化乙醇關鍵技術研究。對纖維素酶高產菌的挑選和誘變育種、用基因手段進步產酶量或改良酶系組成、纖維素酶消費技術等研究。吉林輕工業(yè)設計研究院“玉米秸稈濕氧化預處理消費乙醇在實驗室規(guī)模為10l發(fā)酵罐條件下，經濕氧化預處理和酶水解后酶

9、解率86.4%；糖轉化為乙醇產率48.2%。近年來，以河南天冠集團和中糧集團為代表的幾家大型燃料乙醇消費企業(yè)，與高校結合進展纖維素乙醇的工業(yè)化技術的探究性研發(fā)。目前，河南天冠集團將建成300噸/年的乙醇中試消費線，原料轉化率超過了16%。中糧集團于2022年在黑龍江肇東啟動建立500噸/年纖維素乙醇實驗裝置。吉林九新實業(yè)集團建立了3000噸/年的玉米秸稈消費纖維乙醇示范性工廠。迄今為止，全世界已經建有幾十套纖維質原料經纖維素酶水解成單糖的中試消費線或小試消費線。纖維燃料乙醇在國內外研究正步入一個新的時代，在一些關鍵技術上獲得了重要的進展，并建立了多個示范性工廠。但整體上，由于在纖維素酶消費技術

10、、戊糖己糖發(fā)酵菌株構建等方面還沒有獲得根本性的打破，所以間隔 纖維素乙醇的產業(yè)化還有一定的間隔 。4影響纖維乙醇產業(yè)化的主要因素近年來，國內外對利用木質纖維轉化乙醇進展了大量的研究，工藝道路已經打通，但當前要想實現工業(yè)化消費，在原料搜集、預處理、糖化、發(fā)酵和精餾各工藝過程中還存在著制約纖維素乙醇消費的問題，主要表現為以下四個方面1木質纖維素原料分散，季節(jié)性強，尤其是農作物秸稈。2木質纖維素預處理技術有待進一步優(yōu)化和進步。由于天然纖維素原料的構造復雜的特性，使得其纖維素、半纖維素和木質素三者不能有效別離；另外伴隨產生一些中間副產物，實驗說明，這些物質抑制酵母的生長和代謝，最終影響乙醇產率。3缺乏

11、高效的纖維酶菌株，現有的纖維素酶制劑效果較低，使得酶解糖化經濟本錢較高，當前消費一噸纖維乙醇需要酶制劑本錢在22002600元。4缺乏可以同時高效利用戊糖和己糖的發(fā)酵菌株。在木質纖維水解中，其中有相當比重的木糖葡萄糖/木糖約為2。因此，戊糖的利用是影響纖維乙醇綜合本錢的關鍵一項。5將來纖維素乙醇產業(yè)化開展趨勢目前，國外纖維素乙醇產業(yè)化的研究已經成為了熱潮，正步入一個關鍵時期，中國在這方面也有良好的基矗為了使纖維素乙醇盡早地實現產業(yè)化，除了以上幾項關鍵技術進一步解決好外，還應當借鑒石油化工的經歷，堅持走生物精煉和乙醇聯產的形式，盡可能地最大提升和拓展底物的各組分的經濟價值，也許是促使纖維素乙醇產

12、業(yè)化的重要途徑。盡管木質纖維素原料本身非常廉價，但是將其轉化成乙醇的工藝過程非常復雜，需要大量的能耗。這主要是由木質纖維素自身的構造特性決定的，而得到的目的產物是經濟附加值并不很高的乙醇，致使單位乙醇的經濟效益并不具備較強的市場優(yōu)勢。而生物精煉和乙醇聯產形式就打破了原來由生物質消費單一產品的觀念，實現原料充分利用和產品價值最大化，就是所謂的“吃干榨凈，正如目前的利用糧食消費乙醇一樣。例如，利用玉米同時消費燃料乙醇、玉米油、蛋白粉、高果糖漿、蛋白飼料和其他系列產品，這樣提升了整個工藝產品的經濟附加值，同時獲得良好的經濟效益和社會效益。同樣利用木質纖維素的三大類組分也可以衍生出多種產品。例如：目前

13、，大多的木糖醇廠主要是利用玉米芯中的半纖維素消費木糖醇，結果剩下大量的木糖渣主要是纖維素和木質素，假如進展聯產形式，將剩下的纖維素與木質素進展組分別離，分別消費纖維乙醇和優(yōu)質燃料或木素磺酸鹽，就有可能進一步提升產品的綜合效益。綜上所述，中國應該利用纖維素乙醇作為主要的生物能源，加快以纖維素乙醇為核心的綜合技術開發(fā)，盡早實現其產業(yè)化開展的目的。相信經過“十一五方案的施行，中國在利用纖維素廢棄物制取燃料乙醇方面，必將獲得更大的進展，為緩解液體燃料短缺、促進環(huán)境保護和社會可持續(xù)開展等方面發(fā)揮重要作用。參考文獻1杜風光，史吉平，張龍等.纖維質消費燃料乙醇產業(yè)化研究進展.j中國麻業(yè)科學.2022，297

14、2-74.2孫智謀，蔣磊，張俊博，等.世界各國木質纖維素原料生物轉化燃料乙醇的工業(yè)化進程j.釀酒科技，20221，91-94.3suny,hengj.hydrlysisflingellulsiaterialsfrethanlprdutinj.biasstehnlgy.2002,83:3-9.4keikhsrkarii,haadj,taherzadeh.nversin?friestratsugarsbydilute-aidhydrlysisj.biassandbienergy,2022,30:247-253.5heungs,andersnb.labratryinvestigatinfethanlprdutinfruniipalpriaryasteraterslidsjbireuretehnlgy，2022.59：81-96.7宋安東.生物質秸稈纖維燃料乙醇消費工藝試驗研究d.鄭州: