同步糖化发酵在纤维乙醇生产中的研究进展

纤维素乙醇

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酿酒科技·2009年第7期（总第181期）LIQUOR－MAKINGSCIENCE＆TECHNOLOGY2009No．7(Tol．181)

同步糖化发酵在纤维乙醇生产中的研究进展

赖智乐，常

摘

春，马晓建

郑州

（郑州大学化工学院，河南450001）

要：介绍了发展燃料乙醇的必然性和我国发展燃料乙醇所处的阶段和重要意义；纤维乙醇的预处理、糖化和

发酵的几种方法，并做了简要的比较；纤维素酶的研究进展；分析和比较了几种分离方法；以及推进燃料乙醇工业化的几个亟待解决的问题和其发展前景。

关键词：纤维素；乙醇；预处理；糖化；发酵；分离；酶中图分类号：TS262.2；TS261.4；TS261.2

文献标识码：A

文章编号：1001－9286（2009）07－0086－05

ResearchProgressinSynchronousSaccharification&

FermentationinCelluloseEthanolProduction

LAIZhi-le,CHANGChunandMAXiao-jian

(ChemicalEngineeringCollegeofZhengzhouUniversity,Zhengzhou,He'nan450001,China)

Abstract:Thenecessityofdevelopingfuelethanolwasdiscussed.Thestatus&thesignificanceoffuelethanoldevelopmentinChinawereillus-trated.Inaddition,thepretreatment,severalsaccharificationmethods,andseveralfermentationmethodsofcelluloseethanolwereintroducedandcompared.Theseparationmethodsofcelluloseethanolwereanalyzedandcompared.Andtheresearchprogressincellulasewaselaborated.Fur-thermore,theunsettledproblemsinandthedevelopmentforegroundofindustrializedproductionoffuelethanolwerediscribedinthispaper.Keywords:cellulose;ethanol;pretreatment;saccharification;fermentation;separation;enzyme

1纤维乙醇的发展

随着世界经济的发展，特别是汽车工业的发展，石油

供不应求，各国政府开始考虑燃料的自给问题。燃料乙醇工业的出现，有效地缓解了石油资源短缺的问题，减轻对石油的依赖程度；缓解环境的压力，为保持经济社会的可持续发展开辟了新的途径。

燃料乙醇作为一种环保的可再生能源主要有以下4个特性[1]：第一，乙醇是燃油氧化处理的增氧剂，使汽油增加内氧燃烧充分，达到节能和环保的目的；第二，乙醇具有极好的抗爆性能，调合辛烷值一般都在120左右，作为汽油的高辛烷值组分，它可有效提高汽油的抗爆性

500亿t；纤维素资源还是最主要的生物质资源，它占地球生物总量60%～80%。我国的纤维素原料非常丰富，仅农作物秸秆、皮壳一项，每年产量就达7亿多t，其中玉米秸(35%)、小麦秸(21%)和稻草(19%)是我国的三大秸

秆资源[2]。纤维素类资源具有来源丰富、种类多、生产周期短等优点。据悉，纤维乙醇燃料燃烧时排放的温室气体不仅比汽油减少90%，而且远低于谷物类乙醇燃料[2]。由此可见，利用纤维素降解发酵生产乙醇潜力巨大[2]。

美国和巴西在纤维乙醇的研究与应用方面一直走在世界的前列，而欧盟和日本也在纤维乙醇的研究方面取得了不俗的成绩。我国也在“十五”规划中制定了发展燃料乙醇的规划。规划方案分三步走：第一步在吉林，河南等省以过剩玉米为原料生产燃料乙醇，并作为含氧添加剂在汽油中掺入10%；第二步在有条件的省区利用当地优势资源（如早籼稻、甘薯和甘蔗等）生产燃料乙醇；第三步就是利用植物秸秆、稻壳等纤维素生产燃料乙醇，并全面推广。现阶段我国已经走完了第一步、第二步，并在第三步的研究上取得了不少新的研究成果。

(辛烷值)；第三，在新标准汽油中，乙醇还可以经济有效

地降低烯烃、芳烃含量，降低炼油厂的改造费用；第四，乙醇是太阳能的一种表现形式，在整个自然界系统中，乙醇的整个生产和消费可形成洁净的闭路循环过程，永恒再生永不枯竭。

纤维乙醇以纤维质为原料。纤维素是地球上最丰富的可再生资源，每年陆生植物就可以产生纤维素大约

基金项目：国家科技支撑计划（2007BAD66B04）。收稿日期：2009－03－19

赖智乐(1984-),男，硕士研究生，主要从事生化设备与发酵工程方面的研究。作者简介：

马晓建(1953-)，男,硕士，教授,博士生导师，主要从事生化工程设备的研究开发。通讯作者：

纤维素乙醇

赖智乐，常春，马晓建·同步糖化发酵在纤维乙醇生产中的研究进展87

发展燃料乙醇对我国经济和社会的可持续发展有着重要的作用。第一是可缓解石油紧缺的矛盾。目前，我国为石油净进口国，今年进口石油接近2亿t，如果我国用燃料乙醇替代10%的石油，可节省大量外汇；二是可有效解决玉米等粮食和农林废弃物的转化，促进农业生产的良性循环和“三农”问题的解决；三是有利于环境的改善。使用车用乙醇汽油，可使汽车尾气污染水平平均降低

微波处理：优点为对纤维物料处理能明显改善纤维素的酶水解；缺点为目前还停留在实验室阶段。

2.2.2化学法

2.2.2.1酸预处理

浓酸法：优点为浓酸可作为有效预处理木质纤维素原料的试剂；缺点为浓酸对反应器的抗腐蚀能力有较高要求；同时,为使生产过程具有经济可行性,处理后的浓酸必须进行回收。

稀酸法：优点为稀酸法是研究最广泛、最有效的木质纤维素预处理方法之一。稀酸法不仅可以破坏原料中纤维素的晶体结构,使原料变得疏松;而且可以有效地水解半纤维素,节省了半纤维素酶的使用,从而使生物质原料得到充分利用；缺点为稀酸法的木素脱除效果差,能耗大、酸用量大,腐蚀设备和对环境污染严重,非长远之计。

30%以上；清洁汽车引擎，减少机油替换；还可以避免对

地下水造成污染[1]。因而燃料乙醇是一种“绿色能源”；四是可以确保国家的能源安全。

22.1

木质纤维素的预处理纤维原料的结构

植物纤维原料由纤维素、半纤维素和木质素3部分

组成。木质素具有网络结构，作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素；而半纤维素作为黏合剂在纤维素和木质素之间。纤维素是一种以很多的葡萄糖单体以β-

2.2.2.2碱预处理

优点为处理过的木质纤维素更具多孔性,适合于后续的糖化和发酵；缺点为处理后的原料在产酶或酶解前需用酸中和，产酶时间较长，影响生产效率[4]。

1，4糖苷键连接的直链多糖，多个分子平行紧密排列成

丝状不溶性微小纤维，其基本组成单位是纤维二糖[3]，是多组分物料。纤维素与半纤维素和木质素等物质常以嵌入的形式存在。在常温下不会发生水解作用，温度的提高对其水解程度的影响很小。同时具有较强的结晶性，需经适当预处理后才能使用。

2.2.2.3蒸汽爆破法

优点为可使纤维发生一定的机械断裂，同时高温、高压加剧纤维素内部氢键的破坏，游离出新的羟基，纤维素内的有序结构发生变化，增加了纤维素的吸附能力。该法对环境无污染，能耗较低，是一种有效的、低成本的木质纤维高效分离技术[5]；缺点为对设备的要求较高，能耗较大，在高温条件下部分木糖会进一步降解生成糠醛等有害物。

2.2纤维素预处理的目的及方法

预处理的目的是打破纤维素分子的结晶结构和保护

层，使材料变蓬松，使酶制剂和纤维素充分接触，易于被纤维素酶作用。未经预处理的原料，其水解率低于理论值的20%，而经预处理后的水解率可达理论值的90%以上。理想的预处理应能满足下列要求：①产生活性较高的纤维，其中戊糖较少降解；②反应产物对发酵无明显抑制作用；③ …… 此处隐藏：12312字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……