纖維素乙醇的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

1、纖維素乙醇的研究現(xiàn)狀及其開展趨勢摘要：隨著能源危機(jī)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(gòu)造正在經(jīng)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(dāng)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(shù)的研究熱點(diǎn)。針對國內(nèi)外纖維素乙醇的研究現(xiàn)狀，分析了影響纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化開展的因素以及纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化開展的趨勢。關(guān)鍵詞：纖維素乙醇；木質(zhì)纖維素；產(chǎn)業(yè)化；生物精煉；乙醇聯(lián)產(chǎn)keyrds：ellulseethanl;lignellulse;industrializatin;bi-refining;-prdutinfethanl0引言能源問題是當(dāng)今世界各國都面臨的關(guān)系國

2、家平安和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)開展的中心議題，已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，人們開場把目光轉(zhuǎn)移到有利于社會可持續(xù)開展的可再生能源體系。專家認(rèn)為，生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化體系是引領(lǐng)第三次世界能源革命的技術(shù)平臺。在此背景下，燃料乙醇已經(jīng)被視為替代和節(jié)約汽油的最正確燃料，其高效的轉(zhuǎn)換技術(shù)和干凈利用日益受到全世界的重視，已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是21世紀(jì)開展循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(chǎn)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(jīng)濟(jì)分析

3、顯示，中國開展纖維素乙醇有更大的優(yōu)勢。木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源，也是當(dāng)前利用率最低的資源，是各國新資源戰(zhàn)略的重點(diǎn)。中國可利用的木質(zhì)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(nóng)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(zhì)纖維素原料組成及性質(zhì)木質(zhì)纖維素是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)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(jìn)展。常用的催化劑是無機(jī)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(gòu)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(shù)量的乙?；图谆０肜w維素的水解產(chǎn)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(jī)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(yīng)用現(xiàn)狀隨著現(xiàn)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(yīng)的開發(fā)研究方案，例如：美國的“能源農(nóng)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(jìn)展各自的研究與開發(fā)，并形成了各具特色的生物質(zhì)能源研究與開發(fā)體系，擁有各自的技術(shù)優(yōu)勢。自1973年世界石油危機(jī)后，巴西就施行了“國家乙醇消費(fèi)方案，主要依靠本國豐富的甘蔗資源，積極開展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，目前已經(jīng)開展320多家燃料乙醇消費(fèi)企業(yè)，1400萬噸/年的乙醇消費(fèi)規(guī)模。大部分企業(yè)實(shí)行燃料乙醇和糖聯(lián)產(chǎn)。美國在燃料乙醇的消費(fèi)上仍然是世界乙醇消費(fèi)的領(lǐng)頭羊，在將纖維素轉(zhuǎn)化為燃料酒精的研究、消費(fèi)和應(yīng)用方面也走在世界的前列。美國加州大學(xué)berkeley分校采用的流程是纖維素水解與發(fā)酵同步進(jìn)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(chǎn)物。該流程的

6、酸水解是連續(xù)進(jìn)展的，反響器中的纖維原料含量為5%，玉米芯水解率達(dá)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(jìn)展發(fā)酵。美國維吉尼亞州立大學(xué)利用80%的濃磷酸循環(huán)使用進(jìn)展木質(zhì)纖維素“溶解性別離的研究，然后經(jīng)纖維素酶水解，得到較純的葡萄糖，其得率到達(dá)35%。瑞典隆德大學(xué)karinhgren等研究了將蒸汽爆破預(yù)處理后的玉米秸稈進(jìn)展同步糖化與發(fā)酵的工藝研究，試驗(yàn)結(jié)果說明，發(fā)酵完畢后乙醇到達(dá)25g/l。近年，隨著纖維乙醇技術(shù)的快速開展，一些大公司開場方案建造較大規(guī)模的試驗(yàn)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(chǎn)純乙醇2億升，乙醇產(chǎn)率為

7、27.7%。加拿大的igen生物技術(shù)公司，在渥太華開設(shè)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(jié)合蒸汽氣爆預(yù)處理半纖維素，隨后用纖維素酶水解，別離后的液體進(jìn)展木糖和葡萄糖結(jié)合發(fā)酵。經(jīng)評估，其消費(fèi)本錢比谷物乙醇高出30%50%。3國內(nèi)纖維素乙醇研究與應(yīng)用現(xiàn)狀我國在纖維素乙醇技術(shù)開發(fā)上也獲得了一些重要進(jìn)展。浙江大學(xué)主持的“利用農(nóng)業(yè)纖維廢棄物代替糧食消費(fèi)酒精的工程已在河北完成中試消費(fèi)，以玉米芯為原料，乙醇產(chǎn)率為22.2%/。南京林業(yè)大學(xué)建立了玉米秸稈間歇蒸汽爆破預(yù)處理、纖維素酶水解和戊糖己糖同步發(fā)酵技術(shù)制取纖維乙醇的中試裝置。水解得率為71.3%，復(fù)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(xué)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(zhuǎn)化率到達(dá)了70%。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)利用黃胞原毛平革菌和雜色云芝的復(fù)合預(yù)處理，對選擇性降解木質(zhì)素的才能和規(guī)律進(jìn)展了試驗(yàn)研究。生物降解后原料水解率到達(dá)了36.67%。山東大學(xué)微生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要開展“纖維素原料轉(zhuǎn)化乙醇關(guān)鍵技術(shù)研究。對纖維素酶高產(chǎn)菌的挑選和誘變育種、用基因手段進(jìn)步產(chǎn)酶量或改良酶系組成、纖維素酶消費(fèi)技術(shù)等研究。吉林輕工業(yè)設(shè)計研究院“玉米秸稈濕氧化預(yù)處理消費(fèi)乙醇在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模為10l發(fā)酵罐條件下，經(jīng)濕氧化預(yù)處理和酶水解后酶

9、解率86.4%；糖轉(zhuǎn)化為乙醇產(chǎn)率48.2%。近年來，以河南天冠集團(tuán)和中糧集團(tuán)為代表的幾家大型燃料乙醇消費(fèi)企業(yè)，與高校結(jié)合進(jìn)展纖維素乙醇的工業(yè)化技術(shù)的探究性研發(fā)。目前，河南天冠集團(tuán)將建成300噸/年的乙醇中試消費(fèi)線，原料轉(zhuǎn)化率超過了16%。中糧集團(tuán)于2022年在黑龍江肇東啟動建立500噸/年纖維素乙醇實(shí)驗(yàn)裝置。吉林九新實(shí)業(yè)集團(tuán)建立了3000噸/年的玉米秸稈消費(fèi)纖維乙醇示范性工廠。迄今為止，全世界已經(jīng)建有幾十套纖維質(zhì)原料經(jīng)纖維素酶水解成單糖的中試消費(fèi)線或小試消費(fèi)線。纖維燃料乙醇在國內(nèi)外研究正步入一個新的時代，在一些關(guān)鍵技術(shù)上獲得了重要的進(jìn)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(fèi)技術(shù)

10、、戊糖己糖發(fā)酵菌株構(gòu)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(chǎn)業(yè)化還有一定的間隔 。4影響纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化的主要因素近年來，國內(nèi)外對利用木質(zhì)纖維轉(zhuǎn)化乙醇進(jìn)展了大量的研究，工藝道路已經(jīng)打通，但當(dāng)前要想實(shí)現(xiàn)工業(yè)化消費(fèi)，在原料搜集、預(yù)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(fèi)的問題，主要表現(xiàn)為以下四個方面1木質(zhì)纖維素原料分散，季節(jié)性強(qiáng)，尤其是農(nóng)作物秸稈。2木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化和進(jìn)步。由于天然纖維素原料的構(gòu)造復(fù)雜的特性，使得其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三者不能有效別離；另外伴隨產(chǎn)生一些中間副產(chǎn)物，實(shí)驗(yàn)說明，這些物質(zhì)抑制酵母的生長和代謝，最終影響乙醇產(chǎn)率。3缺乏

11、高效的纖維酶菌株，現(xiàn)有的纖維素酶制劑效果較低，使得酶解糖化經(jīng)濟(jì)本錢較高，當(dāng)前消費(fèi)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(zhì)纖維水解中，其中有相當(dāng)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(guān)鍵一項。5將來纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化開展趨勢目前，國外纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化的研究已經(jīng)成為了熱潮，正步入一個關(guān)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，除了以上幾項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步解決好外，還應(yīng)當(dāng)借鑒石油化工的經(jīng)歷，堅持走生物精煉和乙醇聯(lián)產(chǎn)的形式，盡可能地最大提升和拓展底物的各組分的經(jīng)濟(jì)價值，也許是促使纖維素乙醇產(chǎn)

12、業(yè)化的重要途徑。盡管木質(zhì)纖維素原料本身非常廉價，但是將其轉(zhuǎn)化成乙醇的工藝過程非常復(fù)雜，需要大量的能耗。這主要是由木質(zhì)纖維素自身的構(gòu)造特性決定的，而得到的目的產(chǎn)物是經(jīng)濟(jì)附加值并不很高的乙醇，致使單位乙醇的經(jīng)濟(jì)效益并不具備較強(qiáng)的市場優(yōu)勢。而生物精煉和乙醇聯(lián)產(chǎn)形式就打破了原來由生物質(zhì)消費(fèi)單一產(chǎn)品的觀念，實(shí)現(xiàn)原料充分利用和產(chǎn)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(fèi)乙醇一樣。例如，利用玉米同時消費(fèi)燃料乙醇、玉米油、蛋白粉、高果糖漿、蛋白飼料和其他系列產(chǎn)品，這樣提升了整個工藝產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)附加值，同時獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同樣利用木質(zhì)纖維素的三大類組分也可以衍生出多種產(chǎn)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(fèi)木糖醇，結(jié)果剩下大量的木糖渣主要是纖維素和木質(zhì)素，假如進(jìn)展聯(lián)產(chǎn)形式，將剩下的纖維素與木質(zhì)素進(jìn)展組分別離，分別消費(fèi)纖維乙醇和優(yōu)質(zhì)燃料或木素磺酸鹽，就有可能進(jìn)一步提升產(chǎn)品的綜合效益。綜上所述，中國應(yīng)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(shù)開發(fā)，盡早實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化開展的目的。相信經(jīng)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(jìn)展，為緩解液體燃料短缺、促進(jìn)環(huán)境保護(hù)和社會可持續(xù)開展等方面發(fā)揮重要作用。參考文獻(xiàn)1杜風(fēng)光，史吉平，張龍等.纖維質(zhì)消費(fèi)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化研究進(jìn)展.j中國麻業(yè)科學(xué).2022，297

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