（应用化学专业论文）稻草酸水解生物转化制取燃料乙醇的研究.pdf

摘要 随着能源危机的加剧，生物质能源的开发利用已成为当今的研究 热点。稻草作为一种重要的生物质，分布广、数量大，而且被大量焚 烧，造成极大的资源浪费和严重的环境污染。稻草木质素含量高，处 理后易产生多种抑制物，因此研究工作刚刚起步。综合开发生物质能 源有重要的战略意义。 本文采用稀酸对稻草进行酸水解，探讨了酸浓度、酸解温度和酸 解时间等因素对还原糖含量的影响。用稀h 2 s 0 4 直接酸解稻草省去了预 处理步骤，能获得较大的还原糖收率。稀h 2 s 0 4 酸解稻草的最适宜工艺 条件为：硫酸浓度2 0 ，水解温度6 0 ，水解时间3 6h ，稻草与硫酸 量比为1 ：1 0 ，得到最大还原糖含量3 0 4 1 ，还原糖浓度为2 3 8 3 5g l 。 盐酸和混和酸对比试验表明混和酸对稻草处理效率最高，能明显缩短 反应时间。关于稻草水解过程，认为前4h 主要为半纤维素水解，1 6h 至3 6h 主要为纤维素水解，3 6h 后水解基本完成。 对制得的酸解液进行脱毒，完善已有的脱毒方法，将稻草酸水解 液用c a ( o h ) 2 过中和至p h 值为8 9 ，用1 h 3 p 0 4 准确调节p h 值至7 0 ，加 入体积比为3 的活性炭，在6 0 下搅拌3 0 4 0m i n ，过滤后减压浓缩。 本文还对脱毒后的稻草酸水解液发酵制乙醇进行了研究，以还原 糖含量、p h 值、乙醇浓度为考察指标，得出稻草液发酵的最佳工艺条 件为：初糖浓度为7 5g l ，接种量1 2 ，发酵温度3 4 ，发酵时间8 4h ， 发酵得乙醇浓度为4 3 6 2g l 。比较稻草液发酵和同浓度的葡萄糖发酵 过程可知，稻草相对葡萄糖来说糖利用率低，p h 值下降少，发酵后力 不足，可能是因为稻草发酵液中可发酵糖较少，稻草酸水解液抑制物 脱毒尚未完全。 关键词：稻草，酸水解，脱毒，发酵，燃料乙醇，工艺条件 a b s t r a c t w i t ht h ea g g r a v a t i o no fe n e r g yc r i s i s ，t h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n o fb i o m a s sh a sb e c o m et h er e s e a r c hh o t s p o t s r i c es t r a wi sa l li m p o r t a n t b i o m a s s ，w i t hw i d ed i s t r i b u t i o na n de n o r n l o u sa m o u n t i tw a si n c i n e r a t e d u a u s a l l y ，r e s u l t i n g i ns e r i o u sw a s t eo fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n d u et oi t sh i g hc o n t e n to fl i g n i n ，w h i c hw o u l de a s i l yp r o d u c e i n h i b i t o r st of e r m e n t a t i o na f t e rt r e a t m e n t , t h er e s e a r c hw o r ko fr i c es t r a w h a sj u s t s t a r t e d c o m p r e h e n s i v ed e v e l o p m e n to fb i o m a s se n e r g yh a s s t r a t e g i cs i g n i f i c a n c e t h ee x p e r i m e n t so fh y d r o l y s i so fr i c es t r a wc a t a l y s e db yd i l u t e s u l f u r i ca c i dw e r ec o n d u c t e d t h ei n f l u e n c e so fc o n c e n t r a t i o no fa c i d , r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dr e a c t i o nt i m eo nh y d r o l y s i so fr i c es t r a w p r o d u c i n gr e d u c i n gs u g a rw e r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h er e s u l t ss h o w e d t h a th y d r o l y s i so fr i c es t r a wu s i n gd i l u t es u l f u r i ca c i dc a nl e a v eo u tt h e p r o g r e s so fp r e t r e a t m e n t ，丽t hg o o dy i e l do fr e d u c i n gs u g a r t h eo p t i m u m r e a c t i o nc o n d i t i o n so fh y d r o l y s i so ff i c es t r a wb yd i l u t es u l f u r i ca c i dw e r e a sf o l l o w s ：d i l u t es u l f u r i ca c i dm a s sf r a c t i o n2 0 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e6 0 ，r e a c t i o nt i m e3 6h ，a n dt h el a r g e s ty i e l do fr e d u c i n gs u g a rc a l lr e a c h 3 0 41 u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s w h e nt h er a t i oo fs o l i dt ol i q u i d ( w v ) w a s1 ：10 ，t h ec o n c e n t r a t i o no fr e d u c i n gs u g a rc a nr e a c h2 3 8 3 5 g l h y d r o c h l o r i ca c i da n dm i x e da c i dc o n t r a s tt e s ts h o w e dt h a tt h em i x e da c i d h a dt h e h i g h e s te f f i c i e n c y t o h y d r o l y s i s o fr i c e s t r a w ，a n dc o u l d s i g n i f i c a n t l ys h o r t e nt h er e a c t i o nt i m e f o rt h et o t a lp r o g r e s so fh y d r o l y s i s o ff i c es t r a w ，w ec o n s i d e r e dt h a tt h eh y d r o l y s i so fh e m i c e l l u l o s ew a st a k e n a tt h ef i r s t4h o u r s ，a n dc e l l u l o s ea t16h o u r st o3 6h o u r s ，t h ew h o l e p r o g r e s sf i n i s h e da f t e r36h o u r s t h ed e t o x i f i c a t i o no ft h eo b t a i n e da c i d h y d r o l y s i ss o l u t i o nw a s s t u d i e d ，a n dt h ee x i s t i n gd e t o x i f i c a t i o nm e t h o d sw e r ei m p r o v e d t h er i c e s t r a wa c i d - h y d r o l y s i ss o l u t i o nw a se x c e s s i v en e u t r a l i z e du s i n gc a l c i u m h y d r o x i d ew h i l ep hr e a c h e d8 - 9 ，a c c u r a t e l yr e g u l a t i n gt o7 0 u s i n g i i p h o s p h o r i ca c i d t h e n3 o fv o l u m er a t eo fa d da c t i v a t e dc a r b o nw e r e a d d e di n ，a f t e r s t i r r i n g f o r 3 0 4 0m i n u t e sa t6 0 ，f i l t e r e d ，a n d c o n c e n t r a t e d0 1 3v a c u u m ，r h 一一一 一 上h em t l u e n c et t m t o r so ff e r m e n t a t i o no fr i c es f f a wa c i d - b y d r o l y s i s s o l u t i o na f t e rd e t o x i f i c a t i o nt o p r o d u c ee t h a n o lw e r ed i s c u s s e di nt h i s t h e s i s ，s u c ha sc o n c e n t r a t i o no fr e d u c i n gs u g a r , p h ，a n dc o n c e n t r a t i o no f e t h a n 0 1 t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so ff e r m e n t a t i o nw e r ea sf o l l o w s ：t h e c o n c e n t r a t i o no fi n i t i a ls u g a rw a s7 5g l ，t h ei n o c u l a t i o nq u a n t i t yw a s 8 ， t h ef e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r ew a s3 4 ，r e a c t i o nt i m ew a s8 4h ，a n dt h e c o n c e n t r a t i o no fe t h a n o lc o u l dr e a c h4 36 2g lu n d e rt h ea b o v ec o n d i t i o n s c o m p a r i n gt h ef e r m e n t a t i o no fr i c es t r a wa c i d h y d r o l y s i ss o l u t i o na n d g l u c o s e ，t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h er i c es t r a wa c i d h y d r o l y s i ss o l u t i o nh a d l o wu t i l i z a t i o nr a t i oo fr e d u c i n gs u g a r ，l e s sd e c l i n eo fp h ，a n dd e f i c i e n c y o fp o s t e r i o ra b i l i t yo ff e r m e n t m i o n 。刀i ep o s s i b l er e a s o n sw e r et h a tt h e r e w e r el e s sf e r m e n t a b l es u g a r si nr i c es t r a wa c i d h y d r o l y s i ss o l u t i o na n dt h e d e t o x i f i c a t i o no fi tw a si n c o m p l e t e k e yw o r d s ：r i c es t r a w ，a c i dh y d r o l y s i s ，d e t o x i f i c a t i o n ，f e r m e n t a t i o n ，f u e l e t h a n o l ，p r o g r e s sc o n d i t i o n s i i i 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：在糙晰名月四日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密刚 ( 请在以上相应方框内打“、 ) 作者签名： 磐茁， 日期：卅年6 月心日 导师签名： 郭建手日期：2 阵6 月if 日 6 7 稻草酸水解生物转化制取燃料乙醇的研究 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 随着现代工业的发展以及能源危机的加剧，使得开发新能源已经 迫在眉睫。化石能源的逐渐耗竭要求人类必须逐步减少化石能源的使 用，增大可再生能源和新型能源份额，向建立可持续发展的能源体系 过渡【l 】。燃料乙醇是公认理想的可持续发展绿色能源，可由再生能源 生产。乙醇通常和无铅汽油掺混，这有利于减少燃料费用，增加燃料 的辛烷值，并减少了汽油的有害排放【2 捌。 传统的乙醇生产是由玉米、小麦、薯类、糖蜜等为原料，经液化 糖化、发酵、蒸馏而制成。这种乙醇生产的方法每年要浪费大量粮食， 不是长远发展之计，目前需要寻找一种能取代粮食的能源作物。普及 能源作物的种植，如大豆、蓖麻、麻风树等不仅与粮食作物抢地，而 且投资长，见效慢，亦不是长久之计m 。在此过程中，生物质因其低 排放、永不枯竭等自然特性得到了更为广泛的重视 7 1 。地球上每年大 约形成1 0 0 0 亿吨植物有机物，是自然界分布最广、含量最多、价格低 廉，而又未得到充分利用的可再生资源，因此木质纤维素是取代粮食 作物生产燃料乙醇的不二选择。生物质能是指利用生物质经过转换后 获得的可用能源，如电能与热能等。目前，生物质能是使用最广泛的 一种可再生能源，约占世界所有可再生能源的三分之二。含木质纤维 素的生物质废弃物包括农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃 圾中所含的废弃生物质【8 。9 1 。 我国是一个农业大国，随着农业科技的发展，农作物秸秆年产生 量随着粮食产量的增加逐年增加，目前我国农作物秸秆年产量已超过6 亿吨，其中稻草秸秆超过2 3 亿吨。随着我国能源结构的调整，农作物 秸秆已不再是农村一种传统的能源原料，而是演变成一种负担物。9 0 以上的秸秆被抛弃在田里，或直接焚烧，即造成资源的浪费，又严重 的污染了环境。焚烧导致可吸入颗粒物大量增加，给人们的身体健康 带来了严重的危害。同时秸秆大规模的焚烧会给汽车交通，飞机的起 飞和降落造成影响【m j l l 。目前政府已经出台了一些相关的法律、政策 硕士学位论文 来制止农作物秸秆的焚烧。从根本上有效地解决这一环境污染问题还 是需要寻找一种能够综合利用农作物秸秆的工艺，将这一资源优势转 化为经济优势。随着“生态农业”的概念和科学发展观逐渐被人们理解 及科学技术的发展，如果将秸秆通过工业流程生产乙醇，对解决石油 危机、秸秆焚烧带来的环境污染、农民的经济问题及生态农业的发展 具有重要的意义【1 2 】。 1 2 木质纤维素国内外发展概况及发展趋势 1 2 1 国内发展状况 秸秆等木质纤维素作为一种廉价的可再生资源，国内外从不同的 角度对其进行了研究。其中已经产业化的造纸工业、化纤工业等以“单 一组分 的物质为对象开发，浪费了资源，同时严重的污染了环境【1 3 1 。 秸秆资源的开发利用至今还没有获得技术经济和环境方面的突破。秸 秆在自然生态循环中能够自然降解，秸秆的自然降解是一个非常复杂 的过程，降解过程中有多种厌氧微生物和需氧微生物参与，外加土壤、 阳光、温度、湿度等条件，而且秸秆中纤维素、半纤维素、木质素形 成的高结晶聚合体系使微生物对木质纤维素的利用率非常低，速度缓 慢。所以工业上单纯考虑利用单一的或几种微生物来实现农作物秸秆 的充分降解和利用是比较困难的 1 2 , 1 4 - 1 5 】。 目前木质纤维素类研究得较多的是高粱秸秆、玉米秸秆等，因为 这几种作物秸秆中含有部分淀粉及大量纤维素和半纤维素，木质素含 量较低，处理后容易发酵生产燃料乙醇。水稻秸秆相对这些作物来说， 木质素、硅、灰分含量高，纤维素和半纤维素所占比例小，结晶度难 于打开，国内外都研究较少。我国针对秸秆先后开发了沼气发酵和秸 秆气化。在沼气发酵中，秸秆的利用率很低，而且产气率受季节气候 的影响很大，技术粗糙，从根本上主要是利用家畜和高浓度有机废弃 物生产沼气；而秸秆的气化所产生的燃气热值低、焦油量大、成本太 高、需要很大的投资，所以秸秆气化是种不经济的秸秆处理工艺【l 6 1 。 同时，国家针对秸秆新的研究是将秸秆经过预处理后再进行发酵生产 乙醇，主要沿用了木材处理和淀粉发酵乙醇的技术路线，侧重酸水解 或酶水解工艺。 2 稻草酸水解生物转化制取燃料乙醇的研究 1 2 2 国外发展状况 生物质的能源化具有强大的环境优势和广阔的应用前景，吸引了 众多国家开展技术研究并制定了相应的开发计划，如日本的阳光计划、 印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划 1 7 - 1 8 】。 其主要目标是把生物质转换为电力和运输燃料，以期在一定范围内减 少或代替矿物燃料的使用。乙醇是一种具有较高辛烷值的含氧化合物， 按合适的比例调入汽油中，会提高汽油的辛烷值，降低汽车尾气中一 氧化碳和碳氢化合物的排放。目前，国外的生物质能技术和装置多已 达到商业化应用程度，实现了规模化产业经营。在美国，政府积极鼓 励燃料酒精的生产和使用。在政府的大力倡导下，酒精燃料在美国的 燃料市场上的份额已达到8 。加利福尼亚和纽约用城市垃圾生产酒精 的建厂计划亦在进行中；在巴西，酒精工业是国民经济的支柱，他们 利用榨汁后的蔗渣发酵制取燃料酒精。到目前为止，巴西所产汽车9 0 采用酒精燃料发动机，全国一半多的交通工具使用的是酒精燃料【1 9 】。 美国、巴西等国家推广使用燃料乙醇给国家带来了巨大综合效益：如 在刺激农业生产、维护粮价、完善能源安全体系、减少对石油的依赖、 节约外汇、增加就业、增加财政收入、改善燃油品质及大气质量等方 面，均为世界所公认。目前，许多农业资源国如英国、荷兰、德国、 奥地利、印度、泰国、南非等国家均已制定规划，积极发展燃料乙醇 工业。 日本作为世界石油进口大国，也积极投入利用本国资源开发乙醇 燃料的研究，但受国内粮食生产不足的限制，故着重研究以纤维素为 主的生物质废弃物为原料生产燃料乙醇的技术。日本工业技术研究院 微生物工业研究所从1 9 7 9 年起，开始进行稻草、废木材能源化的研究， 目的是降低成本、进行工业化生产，至今酒精发酵技术已基本完善 【2 0 之1 1 。在工艺方面，日本开发采用了凝集性酵母连续发酵法，与固定 化连续发酵工艺相比，可以不用固化剂并可省去固化工序，但生产效 率却不变。英、法、印度等国也都在计划生产燃料酒精，欧洲的瑞典 和法国亦以小麦和甜萝卜为原料生产燃料乙醇，作为含氧添加剂加入 汽油和柴油中应用。综上所述，在国外，以纤维质为原料生产酒精正 逐步走向一个技术成熟的阶段【2 2 1 。 3 硕士学位论文 1 3 木质纤维素的化学组成及结构 在所有维管植物中，由木质素、半纤维素和纤维素按不同的比例 混合形成的木质纤维结构构成了植物的支持系统，这类物质的相对分 子质量很大，是农业和木材工业中的常见废物，人类正努力消除它们 并将其转化为一种新的资源。目前的研究表明，木质纤维素经过物理、 化学或生物学处理后，可转化为各种各样的产品，其种类之多几乎囊 括了所有石油化工产品，因此它已成为很有前途的无污染的可替代化 石燃料的工业原料。下表列出了木质纤维素的一些基本结构单元【2 3 艺4 1 。 表1 1 植物细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素的结构和化学组成 t a b l el 1t h es t n l c t u r eo f c e l l u l o s e ，s e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i ni np l a n t 1 3 1 纤维素 植物纤维素的结构复杂，基本上是由原纤维构成的微纤维束集合 而成。原纤是由1 5 , - - , 4 0 根有结晶部和非结晶部构成的纤维分子长链。 纤维素的结晶部分是纤维素分子进行非常整齐规则地折叠排列而成 的。在结晶部分里，葡萄糖分子羟基或在分子内部或与分子外部的氢 离子相结合，没有游离的羟基存在，所以纤维素分子具有牢固的结晶 构造，酶分子及水分子难以侵入到内部中。因此，纤维素的结晶部分 比非结晶部分难分解得多【2 5 1 。木质纤维素中最简单的成分是纤维素， 它也是生物圈中最大的多聚体。纤维素是构成植物细胞壁的主要成分， 它是一种高分子多糖，可占植物干重的2 0 , - - 4 0 。纤维素是由葡萄糖 通过届1 ，4 糖苷键连接而成的直链多聚物，通常一条链中可含1 0 0 0 0 多 个葡萄糖分子【2 6 1 。 4 稻草酸水解生物转化制取燃料乙醇的研究 1 3 2 半纤维素 半纤维素是戊糖( 木糖、阿拉伯糖) 、己糖( 甘露糖、葡萄糖、半乳 糖) 和糖酸所组成的不均一聚糖，为异质多糖，结构与纤维素不同。半 纤维素主要可以分三类：木聚糖( 它的骨架由聚伊1 ，4 木糖构成，其侧 链由阿拉伯糖、葡糖酸、阿拉伯酸组成) ；甘露聚糖( 包括葡糖甘露聚糖、 半乳甘露聚糖) 和阿拉伯半乳聚糖【2 7 】。木糖的利用是开发利用半纤维素 的关键，从不同的植物组成可见，植物体中半纤维素含量略少或接近 纤维素，而半纤维素中一半以上是木糖。利用半纤维素生产乙醇，同 样先要水解半纤维素为单糖，然后进行发酵。半纤维素的成分较为复 杂，不同来源的半纤维素的主组成成分均不相同。例如针叶树木材中 的半纤维素己糖含量较高，而阔叶树木及农作物的秸秆中的半纤维素 中则戊糖含量较高【2 引。 1 3 3 木质素 木质素和纤维素、半纤维素是构成植物骨架的主要成分在陆地 植物中的含量仅次于纤维素，是第二大天然有机物，也是自然界惟一 可再生的芳香族化合物【2 9 】。木质素无毒、价廉，是工业生产中芳香族 化合物的丰富原料，目前国际上已开发的木质素产品达2 0 0 余种，如 复合缓释肥料、土壤改良剂、农药缓释剂、动物饲料添加剂、混凝土 外加剂、粘合剂等。木质素是由苯丙烷亚基组成的不规则的近似球状 的多聚体，它是不可溶的高分子物质( 相对分子质量 1 o 1 0 5 ) 【3 0 1 。木质 素没有任何规则的重复单元或易被水解的键。木质素中的苯丙烷单元 中芳香环之间由很多不同的化学键连接在一起。木质素的物理和化学 性质是由木质素合成过程中的最后一步决定的，该过程的最后一步是 非酶促的自由基的加合反应，这步反应在很大程度上是随机的，因而 造成了木质素分子的不规则性。在植物中，木质素通过化学键与半纤 维素连接，然后包裹在纤维之外，形成纤维素。正是由于木质素的存 在使得植物具有一定的硬度，能够抵抗机械压力和微生物侵染【3 。 受生物合成过程影响，木质素分子中不像纤维素那样有单一结合 形式，化学结构非常复杂。木质素的结构可以用红外光谱、紫外光谱、 质谱、核磁共振谱和液相色谱等分析手段进行测定。一般认为木质素 的基本结构单元是苯丙烷，共有3 种基本结构：愈创木基丙烷、紫丁 硕士学位论文 香基丙烷和对羟苯基丙烷， 。p h 3 c o c l c i c 审 o h ( i ) 愈创木基结构( ) 紫】香基结构( i ) 对羟苯基结构 图1 - 1 木质素的3 种基本结构单元 f i g u r e1 - 1t h eb a s i cs 虮l c t u r ec e l l so f l i g n i n 木质纤维素中研究较多的是稻草秸秆、玉米秸秆及小麦秸秆等， 纤维素水解为葡萄糖，半纤维素则生成多种单糖，主要是木糖和少量 阿拉伯糖以及甘露糖等。木质素的市场较少，主要作为燃料燃烧，但 它在造纸、农业、能源、石油工业等领域具有广泛的应用潜力。下面 表1 2 列出常见的几种生物质的纤维成分组成【3 3 - 3 4 1 。 表1 - 2 几种常见的纤维素物质的组成2 刀 t a b l e1 - 2c o n t e n to f c e l l u l o s e ，s e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i ni ns o m ec o m m o n6 b r e 1 4 稻草的预处理方法 由于其有机质纤维素易于结晶和形成原纤结构，加上与半纤维 素，木质素的缠绕及粘结作用，使得纤维素对试剂的可及度低、溶 解困难、反应性能及化学反应的均一性能较差，因此要想充分利用 木质纤维素，必须首先对其进行预处理。木质纤维素的预处理方法 6 2 p 一不 所c ，c c i l 图 丌h 由， 稻草酸水解生物转化制取燃料乙醇的研究 有物理法、化学法和生物法，以及以上几种方法的联合作用【3 5 1 。 秸秆的预处理方法： 秸秆的预处理方法一般分为物理【3 6 。3 引、化学【3 9 枷】、生物和物理 化学预处理法【4 卜4 2 1 ，其优缺点及反应原理见表1 3 、1 4 、1 5 。 1 4 1 物理预处理法 表1 3 物理预处理法 t a b1 - 3p h y s i c a lp r e t r e a t m e n t 1 4 2 化学预处理法 表1 4 化学预处理法 t a b1 - 4c h e m i c a lp r e t r e a t m e n t 1 4 3 生物预处理法 生物预处理法是利用分解木质素的微生物除去木质素，以解除其 对纤维素的包裹作用。很多微生物都能产生木质素分解酶，但酶活性 较低，很难应用于工业生产。在生物预处理中，白腐菌、褐腐菌和软 腐菌等微生物常被用来降解木质素和半纤维素，其中最有效的白腐菌 是担子菌类【4 3 彤】。从成本和设备角度出发，生物预处理显示了独特的 优势，可用专一的木质酶处理原料，分解木质素和提高木质素消化率。 硕士学位论文 但是生物预处理后水解得率很低，此种方法虽然取得了一定的成功， 但多停留在试验阶段，采用基因工程技术对白腐菌进行改良，将有助 于拓展生物预处理的应用m 6 1 。随着现代生物技术的发展，生物方法预 处理木质纤维素的优势会逐渐显现出来。 1 4 4 物理化学预处理法 表1 5 物理化学预处理法 t a bi - 5p h y s i c sc h e m i s t r yp r e t r e a 缸n e n t 1 5 纤维素的水解糖化 1 5 1 纤维素的酸法水解 酸水解是一种比较常见的水解方法，其分为浓酸水解和稀酸水解。 浓酸水解优点是所需温度和压力稍低，比稀酸水解乙醇产率高，但是 使用的酸必须回收，对设备要求较高。稀酸水解可以使半纤维素很快 被水解分离去，但是对纤维素的水解能力不够，需要在较强烈的条件 下进行反应。一般来说，稀酸水解的得糖率较低，能量消耗较大f 7 1 。 在以木质纤维素为原料生产乙醇的研究开发领域中，稀酸水解被认为 是最容易实现商业化生产的预处理工艺。用稀酸在较低的温度下处理 木质纤维，可以只降解其中的半纤维素，而且提高了纤维素的可降解 性。由于其水解条件相对温和，使木质素与纤维素、半纤维素分离， 从而可进一步用酶水解【4 9 1 。国外在这方面研究较多，但仍存在着技 术、成本问题和污染问题，不过许多专家坚持认为此法是最接近实用 化的预处理技术。 稀酸水解一般用无机酸，常用的是硫酸和盐酸。其中效果最好， 应用最广泛的是稀硫酸。稀硫酸法预处理木质纤维原料，不仅使半纤 维素水解，同时破坏纤维素的结晶结构，使原料结构疏松，从而提高 稻草酸水解生物转化制取燃料乙醇的研究 了纤维素的可发酵性【5 0 1 。半纤维素糖的得率较高，达到7 5 9 0 。大 多数木质生物资源适合以稀硫酸法来处理，特别是玉米芯和玉米秸秆， 适合使半纤维素水解来进行预处理。盐酸的水解效率优于硫酸，但价 格较高，且腐蚀性大，对设备要求高。近年来随着新型抗腐蚀材料的 开发，材料问题已可以解决，在有廉价盐酸来源时，可考虑用于水解【5 1 1 。 人们还研究了助催化剂的作用，即用某些无机盐( ! t l z n c l 2 ，f e c l 2 等) 来进一步促进酸的催化作用。颜涌捷【5 2 】等进行了以f e c l 2 催化生物质 酸水解的研究，并进行了中试，研究发现f e c l 2 有较好的助催化能力， 而且价格低廉，用废盐酸和铁屑就能方便地生产。在稀酸水解中添加 金属离子可以提高糖化收率。金属离子的作用主要是加快水解速度， 减少水解副产物产生。我国华东理工大学采用稀盐酸添加氯化亚铁催 化水解，进行了反应机理及设备等一系列研究改进。该项技术利用廉 价低压蒸汽、废盐酸水解工艺，在技术上可行，在经济上也可行，目 前正在推广【5 孓5 4 1 。 1 5 2 纤维素的酶法水解 纤维素酶在生物质转化过程中的重要作用与地位无庸置疑。但纤 维素酶制剂的使用成本却占据了生物转化总成本的5 0 , - 6 0 ，是秸秆 原料的5 0 倍左右。目前普遍采用液体深层发酵工艺生产纤维素酶，但 由于液体发酵培养通常采用纯的纤维素粉、无机盐等，致使生产成本 居高不下，使得液体深层发酵生产纤维素酶应用于纤维素酶解糖化， 在经济上尚有一定距离。在这种条件下，固态发酵以其对培养物料要 求简单、操作费用低等特点，近年来在纤维素酶的生产方面已经引起 了广泛的重视。 高度专一的纤维素酶的出现使纤维素酶法水解得以实现。水解产 物通常是包括葡萄糖在内的还原糖。酶法水解一般在温和条件下进行 q h 值4 8 ，温度4 5 - - 5 0 ) ，且没有腐蚀问题，所以水解成本相对酸法 和碱法水解要低【5 5 】。细菌和霉菌都能产生水解木质纤维原料的纤维素 酶。这些微生物可以是好氧的或厌氧的、嗜温的或嗜热的。属于梭状 芽孢杆菌属、纤维杆菌属、杆菌属、耐热单孢菌属、细菌属、欧文菌 属、小双孢菌属和链霉菌属的细菌可以产生纤维素酶【5 6 ，7 1 。纤维杆菌 属和耐热单孢菌属的某些菌已经广泛用于纤维素酶生产。尽管许多可 9 硕士学位论文 分解纤维素的细菌，特别是能分解纤维素的厌氧性生物产生的纤维素 酶具有高度专一性，但是它们生长速度慢，需要厌氧的生长条件，所 以工业上多数主要使用霉菌生产纤维素酶【5 引。所有这些霉菌产生体中， 木霉属被广泛地用于生产纤维素酶。 目前，对于能代谢五碳糖和六碳糖产乙醇的基因重组菌已经有了 很大的进展，基因重组菌开发的成功，对于生产生物乙醇具有显赫的 意义。尽管对酶水解的研究已开展多年，其效率仍然较低，对经预处 理后的纤维素进行水解所需纤维素酶量，是对淀粉进行水解所需淀粉 酶的1 0 0 倍。酶用量低则需较长的反应时间，较短的反应时间则需较 高的酶用量【5 9 侧。要使酶水解时间和酶用量之间达到平衡，可采取如 下方法：优化预处理系统；循环使用未消耗的底物和溶液中的酶以降 低酶的成本；间歇补充原料和添加酶，使整个过程维持较高浓度的纤 维素；开发具有高活性的纤维素酶；开发新型水解反应器；研究酶与 底物相互作用以及半纤维素和木质素对酶水解的影响机理【6 1 1 。 1 6 发酵 纤维素酶水解酒精生产工艺可以分为分别水解发酵工艺，同步水 解发酵工艺以及复合水解发酵工艺。 1 6 1 分别水解发酵工艺 分别水解发酵工艺( s e p a r a t eh y d r o l y s i sa n df e m e n t a t i o n , s h e ) 法的 工艺特点是纤维素水解和水解液酒精发酵是分别在不同的容器内进行 的，早期的纤维素酶水解生产酒精都是采用这种工艺，其流程比较简 单。但是，此法中乙醇产物的形成受末端产物、低浓度细胞以及基质 的抑制。为了克服乙醇产物的抑制，必须不断地从发酵罐中移出乙醇， 采取的方法有减压发酵法、快速发酵法等。对细胞进行循环利用，可 以克服细胞浓度低的问题。筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微 生物突变株，以及使菌体分阶段逐步适应高基质浓度，可以克服基质 抑制 6 2 6 3 1 。 1 6 。2 同步水解发酵工艺 同步水解发酵工艺( s i m u l t a n e o u ss a c c h a r f i c a t i o na n df e r m e n t a t i o n ， s e p a r a t ep e n t o s ef e r m e n t a t i o n s s f ) 法。由于纤维素水解和乙醇发酵所需 1 0 稻草酸水解生物转化制取燃料乙醇的研究 的酶系通常来自不同的微生物，最适反应条件各不相同。所以，最初 的水解和发酵过程一般是分开进行的。在水解系统中，为了克服可溶 性糖的反馈抑制作用，要么增加纤维素酶的用量，要么扩大容积降低 反应液中可溶性糖的浓度。这都要增加酶解过程的生产成本酬。为了 克服反馈抑制作用，有人提出了在同一个反应罐中进行纤维素糖化和 乙醇发酵的同步糖化发酵法。这样纤维素酶对纤维素的酶水解和发酵 糖化过程在同一装置内连续进行，水解产物葡萄糖由菌体的不断发酵 而被利用，消除了葡萄糖因基质浓度对纤维素酶的反馈抑制作用。在 工艺上采用一步发酵法，简化了设备，节约了总生产时间，提高了生 产效率，但也存在一些抑制因素，如木糖的抑制作用、糖化和发酵温 度不协调等【6 5 1 。 s s f 法中常用的微生物是木霉霉菌和酵母& c e r e v i s i a e 。最佳反应 温度为3 8 左右，是水解温度( 4 s 5 0 ) 和发酵温度( 3 0 ) 的折衷选择 【6 6 刀。与两步水解一发酵法相比，s s f 法具有下列优点，通过转化抑 制纤维素酶活的糖，提高了水解速度；需要较少的酶；较高的产率； 葡萄糖很快被除去，生产出乙醇，对无菌条件要求较低；较短的反应 时间；反应容器体积较小【6 蹦9 】。同时乙醇也会对纤维素酶活产生抑制 作用。需要改进的缺点是水解和发酵温度之间的矛盾；细菌的耐乙醇 能力；乙醇对酶的抑制作用。 现在由同步糖化发酵分离法衍生出了很多类似的发酵新工艺，如 同时糖化共发酵法( s i m u l t a n e o u ss a c c h a r i f i c a t i o na n dc o f e r m e n t a t i o n ， s s c f ) 与s s f 不同，后者是纤维素水解与发酵过程同时进行，而前者 是纤维素水解与己糖发酵同时完成分离出的戊糖单独发酵f 7 0 1 。固定化 酶糖化发酵法( c o n s o l i d a t e db i o p r o c e s s i n g ，c b p ) 与前2 种区别是使用 同种微生物完成纤维素酶的分泌、纤维素的糖化和发酵过程r 7 1 】。非 等温同步糖化发酵科s s f ) 法【7 2 】，纤维素酶糖化的最适温度为5 0 左 右，而酵母发酵控制温度是3 l 3 8 。通过热交换器的热量传递， 使纤维素酶糖化阶段与酵母发酵阶段能够保持各自的最适反应温度， 很好地解决了纤维素酶糖化与酵母发酵2 个过程中温度不协调的矛 盾。 1 6 3 复合水解发酵工艺 硕士学位论文 复合水解发酵工艺是将纤维素原料进行预处理后，半纤维素和纤 维素分别进行发酵，所用的发酵方法是多种方法的结合，如糖化时可 以是酸处理和酶处理结合来完成，发酵时根据纤维素和半纤维素的性 质也可采用不同的发酵方法相结合，比较典型的是美国宾州大学和通 用电气公司研制的一种叫p e n n g e 流程，纤维素原料通过这种流程， 可以全部转化成液体燃料和其他有价值的产品【7 3 1 。 同水解与发酵分段法( s h f ) 相比，同时糖化戊糖单独发酵法( s s f ) 和同时糖化共发酵法( s s c f ) 可消除酶解时产物对酶解作用的抑制，缩 短发酵时间，但仍需两种微生物的分别作用；而固定化酶糖化发酵法 ( c b p ) 仅利用一种微生物产生的纤维素酶和半纤维素酶，酶解产生的糖 仍由同一株菌来完成发酵的过程 5 9 , 7 4 。固定化酶比游离酶有较好的稳 定性，可以重复使用和回收，又便于连续操作，且能提高发酵器内细 胞浓度和乙醇浓度。目前研究最多的是酵母和运动发酵单胞菌的固定 化，常用载体有海藻酸钙、卡拉胶、多孔玻璃等【| 7 5 】。此方法工艺简单， 历时短，得到国内外同行的重视。固定化酶是生物工程的一个重要方 面，m a s s a y u k i 和k u m a k u r a 以肠溶衣聚合物为载体固定化纤维素酶， 可保留酶活力6 0 以上，回收率可达1 0 0 ，并且对微晶纤维素的水解 率明显高于游离酶。利用固定化纤维素酶技术，对促进纤维素糖化发 酵实现工业化生产有十分重要的意义。 1 7 脱毒( 反抑制) 问题 1 7 1 抑制物主要作用及成分 纤维素水解产物对乙醇的抑制作用表现在：抑制菌体生长；降低 微生物对营养物质的利用率；抑制乙醇的生成，降低乙醇的产率。其 抑制物主要有醛类、有机酸、呋喃、木素的降解产物、盐类等【7 6 1 。木 质纤维素水解产物的解毒方法除了增大接种量、调节发酵液p h 值等一 般方法外，还有如c a ( o h ) 2 、n a o h 或活性炭吸附、离子交换、有机溶 剂抽提、电解、分子筛过滤等方法。乙醛是一种低成本的有机物，加 入少量的乙醛可以减少乙醇对s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e 酵母和 z y m o m o n a sm o d i l i s 酵母的生长，而且还能减轻木质纤维素水解产物呋 喃、木素芳香产物和醋酸等对酵母的抑制作用，缩短滞后时间，降低 1 2 稻草酸水解生物转化制取燃料乙醇的研究 菌体死亡速率，提高乙醇产量【7 7 1 。尤其在因培养基的循环造成抑制物 浓度较高时，这是一种有潜力的低成本解毒产品。 k l i n k e ( 7 8 】等在较高的氧压( 11 2m p a ) 条件下，于1 9 5 加入n a 2 c 0 3 预处理麦草，用s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e 和t h e r m o a n a e r o b a c t e r m a t h r a n i i 发酵生产乙醇，研究了该过程的潜在抑制物。结果表明：预 处理麦草原料时，在木素的降解产物中，酚酮和酚醛比酚酸的抑制作 用更强，甲氧基取代数量越少，苯酚的抑制作用减弱。但水解产物中， 羧酸是主要的抑制物，它比苯酚的抑制作用更强。另外，当应用 t h e r m o a n a e r o b a c t e rm a t h r a n i i 发酵菌种时，按抑制作用由大到小排序 的抑制物为：酚醛 酚酮 酚酸 2 糠醛酸。并且当水解产物浓度提 高3 6 倍时，由于水解产物以及木素降解产物的协同作用，菌体生长 速率和乙醇得率严重下降。z a l d i v a r l 7 9 等以e s c h e r i c h i ac o l i 为发酵菌 种，研究来自半纤维素水解产物以及木素降解产物( 如儿茶酚、邻甲氧 基苯酚、对苯二酚、愈创木酚、香草醇等) 的抑制作用，发现这些化合 物的毒性与其疏水性有直接联系，愈创木酚的毒性最强，而这些化合 物与糠醇和糠醛的毒性不仅具有简单的叠加性，而且存在某种协同作 用。 1 7 2 主要的脱毒方法 寻求一个既经济又方便适用的脱毒方式是人们长期以来的研究热 点。现在较常用的脱毒方式主要有以下几种【8 0 1 。 1 7 2 1 使用高接种量达到脱毒目的 研究发现水解液的这种抑制发酵作用主要存在于发酵初期，随着 发酵的进行，抑制作用逐渐减弱。通过增大接种量，依靠细胞的繁殖 弥补死亡或受抑制的细胞，从而使细胞浓度维持在一定范围。一旦这 些有毒物被消耗，毒性被解除，则活性细胞大量增殖，使发酵恢复正 常。这就是高接种量脱毒的基本原理。 1 7 2 2 用过量的固体c a ( o h ) 2 预处理酸解液 通过用过量的固体c a ( o h ) 2 处理过的水解液，其发酵能力明显增 强。这种脱毒的机理可能是利用c a ( o h ) 2 或c a o 处理除去了水解液 中存在的一些无机离子，而这些离子可能对发酵有抑制作用