木質(zhì)纖維生物質(zhì)煉制生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)進展

木質(zhì)纖維生物質(zhì)煉制生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)進展木質(zhì)纖維生物質(zhì)煉制燃料乙醇技術(shù)進展摘要：本文介紹了木質(zhì)纖維生物質(zhì)各成分的生物分解過程以及生物煉制技術(shù)，包括生物轉(zhuǎn)化燃料乙醇、木糖醇和副產(chǎn)物利用等的研究現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢，為木質(zhì)纖維生物質(zhì)的應(yīng)用研究提供理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：纖維生物質(zhì)，生物煉制，燃料乙醇木質(zhì)纖維生物質(zhì)是地球上最豐富、最廉價的可再生資源，指植物通過光合作用生成的有機資源，如樹木、農(nóng)作物秸稈等。燃料乙醇由于其成熟的生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)和豐富的原料來源成為世界各國首選的生物能源。燃料乙醇的發(fā)展應(yīng)立足于中國國情，走以非糧作物木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料的生產(chǎn)路線。每年全球光合作用產(chǎn)生的木質(zhì)纖維生物質(zhì)高達2000億噸，相當(dāng)于全世界每年消費能源的10倍，其中89％目前尚未被人類利用。我國的木質(zhì)纖維原料非常豐富，每年僅農(nóng)作物秸稈就有7億多噸。纖維素類物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，采用生物煉制技術(shù)將它們充分利用，對我國經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展具有十分重大的意義。以生物煉制為核心的生物技術(shù)第三次浪潮，將解決人類社會目前面臨的資源、能源與環(huán)境等諸多重要問題。木質(zhì)纖維生物質(zhì)簡介及生物煉制技術(shù)木質(zhì)生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，其中纖維素約占干重的35-45％，半纖維素約占20－40％，木質(zhì)素約占15－30％。纖維素是由D-吡喃葡萄糖基以β-1,4糖苷鍵連接而成天然鏈狀高分子化合物，完全水解后得到葡萄糖。半纖維素是一大類結(jié)構(gòu)不同的多聚糖的總稱，主要是由木糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等連接而成的高分枝非均一聚糖。各種糖所占比例隨原料不同而變化，一般木糖占一半以上。半纖維素排列松散，無晶體結(jié)構(gòu)，故比較容易被水解成單糖。木質(zhì)素是以苯基丙烷為基本結(jié)構(gòu)單元連接的高分枝多分散性高聚物。木質(zhì)素有一定的塑性，不溶于水，一定濃度的酸或堿可使其部分溶解。纖維素乙醇生產(chǎn)成本比糧食乙醇高的部分原因是，目前研究中的木質(zhì)纖維素類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的工藝加工過程復(fù)雜，但目標(biāo)產(chǎn)物單一。生物煉制是開發(fā)利用木質(zhì)纖維素物質(zhì)的基礎(chǔ)，是環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和提高經(jīng)濟效益的手段。生物煉制(biorefinery)概念：以生物質(zhì)為基礎(chǔ)的化學(xué)工業(yè)也必需打破原來用生物質(zhì)單純生產(chǎn)單一產(chǎn)品的傳統(tǒng)觀念，充分地利用原料中的每一種組分，將其分別轉(zhuǎn)化為不同的產(chǎn)品，實現(xiàn)原料充分利用、產(chǎn)品價值最大化和土地利用效率最大化。事實上谷物生產(chǎn)乙醇工業(yè)已經(jīng)在自覺或不自覺地采用了生物煉制技術(shù)。河南天冠集團利用小麥生產(chǎn)乙醇時，通過聯(lián)產(chǎn)麩皮、小麥蛋白(谷元粉)、高蛋白飼料，以及用廢水發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，用二氧化碳生產(chǎn)可降解塑料等，將全部原料都轉(zhuǎn)化成不同的產(chǎn)品。木質(zhì)生物質(zhì)生物煉制主要以玉米秸稈或麥稈為原料，通過化學(xué)消解或酶水解分解成三種組分：半纖維素、纖維素和木質(zhì)素。從3類主要組分衍生出不同的化學(xué)品：纖維素斷開為葡萄糖，葡萄糖發(fā)酵制乙醇、有機酸或溶劑；半纖維素可水解成木糖，木糖及其衍生物可以生產(chǎn)各種功能食品，也是糠醛和呋喃樹脂的前體；木質(zhì)素是苯丙烷衍生物的聚合物，可以用于生產(chǎn)高值的芳香族化合物，也可用于制備生物肥料。木質(zhì)纖維素物質(zhì)煉制燃料乙醇過程中的副產(chǎn)物有CO2、預(yù)處理廢液、酒精廢糟液等。每生產(chǎn)1t乙醇要消耗約5.188t秸稈，產(chǎn)生1tCO2、10t預(yù)處理廢液、10～15t酒精廢糟液。木質(zhì)纖維生物質(zhì)煉制生產(chǎn)燃料乙醇的多產(chǎn)品共生。木質(zhì)纖維物質(zhì)生物煉制的核心技術(shù)是纖維素水解和木糖等五碳糖的利用。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，就是纖維素酶的生產(chǎn)效率低和成本高。木糖由半纖維素水解生成，含量可達植物纖維水解糖類的35％以上。木糖的充分利用，由其生產(chǎn)衍生物產(chǎn)品或發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇被人們視為木質(zhì)纖維原料生物煉制是否經(jīng)濟可行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2.1纖維素降解為葡萄糖，發(fā)酵生成燃料乙醇。纖維素經(jīng)過預(yù)處理、水解、微生物發(fā)酵生成燃料乙醇。常用的預(yù)處理方法包括稀酸處理、蒸汽爆破法、熱水處理法(hydrothermal)、有機溶劑法、氨爆破的生長。木質(zhì)素也可制備貴重香料—香蘭素。2.4副產(chǎn)物CO2、預(yù)處理廢液、酒精廢糟液的利用。乙醇發(fā)酵產(chǎn)生的CO2純度較高，一般可達到99%以上，所含雜質(zhì)數(shù)量較少，只需對這些雜質(zhì)進行簡單的提純處理便可獲得高純度的CO2。二氧化碳和環(huán)氧丙烷在催化劑的作用下發(fā)生共聚反應(yīng)生成可降解塑料PPC。蒸汽爆破過程生成的副產(chǎn)物會阻礙后續(xù)水解和發(fā)酵，因此要用水洗掉這些副產(chǎn)物，同時也洗去了大部分可溶于水的半纖維素及其水解產(chǎn)物木糖、阿拉伯糖,這些物質(zhì)與水洗副產(chǎn)物混合在一起難于分離，利用它們作碳源進行單細(xì)胞蛋白(SCP)的生產(chǎn)是簡便有效的預(yù)處理廢液處理途徑。酒精廢糟液可厭氧發(fā)酵抽取沼氣發(fā)電。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展和世界人口的激增，人類正面臨著能源和石油危機的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。能源與資源安全、經(jīng)濟增長及環(huán)境質(zhì)量等方面存在的威脅，嚴(yán)重影響了中國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。發(fā)展高效的生物煉制既是中國戰(zhàn)略安全的需要，也符合世界的發(fā)展潮流。構(gòu)建木質(zhì)纖維生物質(zhì)資源的生物煉制模式，打破用生物質(zhì)單純生產(chǎn)單一產(chǎn)品的傳統(tǒng)觀念，充分利用原料中的每一組分，將其分別轉(zhuǎn)化為不同產(chǎn)品，以此解決木質(zhì)纖維素物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)經(jīng)濟效益不過關(guān)的問題。建立木質(zhì)纖維生物質(zhì)煉制技術(shù)示范企業(yè)，在原料豐富的農(nóng)村地建立生物煉制中心，使農(nóng)作物全株收獲，經(jīng)過分級分離和精細(xì)加工，最終實現(xiàn)全部利用。50年后生物質(zhì)的生物煉