（材料学专业论文）木质纤维素原料预处理及酶解的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 木质纤维素原料预处理及酶解的研究 摘要 木质纤维素是自然界中分布最广，含量最丰富的有机物。木质纤维 素综合利用的一个有效途径是将其转化为糖，进而转化为其他附加值较 高的产物，如乙醇和有机酸物质。在这个过程中，纤维基质的预处理是 降低成本，增加木质纤维原料利用率的一个关键步骤。 本文首先概述了木质纤维素物质生产乙醇的发展与研究现状，并简单 介绍了利用木质纤维素生产乙醇的工艺。解释了木质纤维素预处理的原 理，并对各种预处理方法进行了分类和比较。 然后以甘蔗渣为原料，探讨了温和碱氧化法预处理的作用机理；研 究了反应时间、液固比、n a o h 质量分数和h 2 0 2 质量分数等各反应条件 对试验结果的影响，得出了各条件的影响规律；利用正交试验设计对甘 蔗渣预处理的试验条件进行了优化，得到最佳预处理条件为：时间2 0 h 、 液固比2 5 ：1 、n a o h 质量分数1 、i - 1 2 0 2 质量分数o 6 ，在此条件下甘 蔗渣半纤维素和木质素的去除率分别为2 7 2 和7 7 6 ；为降低预处理试 验的成本和减少环境污染对甘蔗渣预处理溶液进行了回收利用。 同时讨论了反应时间、反应温度、液固比以及酸浓度对甘蔗渣半纤 维素稀硫酸水解试验结果的影响。各因素对甘蔗渣半纤维素水解率的显 太原理工大学硕士研究生学位论文 著性依次为：温度 时间 硫酸浓度 液固比；通过响应面试验设计得 到了水解反应模型，预测甘蔗渣半纤维素水解率在稳定状态下的最大值 为5 9 3 ，与之相对应的最佳试验方案为：。硫酸浓度1 2 4 ，时间2 6 4 h ， 温度1 2 3 。验证所得最优条件的试验中甘蔗渣半纤维素水解率为 6 0 3 ，与预测的最大值非常接近；对甘蔗渣水解液进行了重复利用，发 现随着回用次数的增加，水解液中的木糖浓度增速变缓，回用三次，木 糖浓度可提高1 6 倍，其他水解产物的浓度变化与木糖有相同的趋势，都 是从第三次回用开始趋于饱和。 对甘蔗渣进行了一步水解与两步水解，并对经过各种方法预处理后 的甘蔗渣各组分的含量和得率进行了比较。结果表明两步水解可以提高 甘蔗渣半纤维水解率，并且水解液中不含有乙酸；各种预理方法处理后 纤维素的含量和得率最高，木质素去除率两步法与碱法相比差别不大。 为检验比较各种预处理方法的处理效果，以酶解率为指标，研究了 不同预处理方法对甘蔗渣酶解试验结果的影响，发现不同的预处理方法 对甘蔗渣的酶解率影响很大，经过温和碱氧化法预处理的甘蔗渣的酶解 率最高，其次为两步法处理过的甘蔗渣，经过稀硫酸水解过的甘蔗渣酶 解率最低；对温和碱氧化法预处理试验中不同滤液回用次数对酶解试验 结果的影响进行了初步研究，发现酶解率随着滤液回用次数的增加而逐 渐下降。四次回用后甘蔗渣酶解率的降低幅度较大，因此把回用次数确 定在四次比较合适。 关键词：甘蔗渣，碱氧化，预处理，回收利用，酶解 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho np r e t r e a t m e n ta n de n z y m o l y s i s o fl i g n o c e l l u l o s i cm a t e i u a l s a b s t r a c t l i g n o c e l l u l o s i cm a t e r i a l sa r et h em o s tw i d e l yd i s t r i b u t e da n da b u n d a n t o r g a n i cc o m p o u n d si nt h ew o r l d o n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a y st ob s et h e s e m a t e r i a l si st ot r a n s f e rt h e mi n t or e d u c i n gs u g a r sf o rf u r t h e rp r o d u c t i o no f s o m ev a l u a b l ec h e m i c a l s ，s u c ha se t h a n o la n do t h e ro r g a n i ca c i d s i nt h i s p r o c e s s ，p r e t r e a t m e n to ft h em a t e r i a l si sak e ys t e pt ol o w e rt h ec o s ta n d i n c r e a s et h ea v a i l a b i l i t yo f t h e s em a t e r i a l s f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h er e s e a r c hp r o g r e s so fe t h a n o l p r o d u c t i o nb yl i g n o c e l l u l o s i cm a t e r i a l sa n db r i e f l yi n t r o d u c e dt h ee t h a n o l p r o d u c t i o nt e c h n i c sb yl i g n o c e l l u l o s i cm a t e r i a l s t h et h e o r yo fl i g n o c e l l u l o s e p r e t r e a t m e n tw a se x p l a i n e da n da l s ot h ep r e t r e a t m e n tm e t h o d sw e r ec l a s s i f i e d a n dc o m p a r e d 、i t l le a c ho t h e r a n dt h e n ，t h em e c h a n i s mo fm i l da l k a l i n e o x i d a t i v ep r e t r e a t m e n ti n w h i c hb a g a s s ea c t sa sr a wm a t e r i a lw a se x p l o r e d f a c t o r si n f l u e n c i n gt h e e x p e r i m e n tr e s u l t si n c l u d i n gt h er e a c t i o nt i m e ，r a t i oo fl i q u i dt os o l i d ，n a o h a n di - 1 2 0 2c o n c e n t r a t i o nw e r es t u d i e d ，a n dt h ei n f l u e n c el a wo fe v e r yf a c t o r w a sf o u n d t h e e x p e r i m e n tc o n d i t i o n so fb a g a s s ep r e t r e a t m e n t w e r e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 o p t i m i z e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n dt h eo p t i m a lp r e t r e a t m e n tc o n d i t i o n s w e r ea sf o l l o w s ：r e a c t i o nt i m ew a s2 0 h ，r a t i oo f l i q u i dt os o l i dw a s2 5 ：1 n a o hc o n c e n t r a t i o nw a sl a n dh 2 0 2c o n c e n t r a t i o nw a s0 6 u n d e rt h e a b o v ec o n d i t i o n s ，t h er a t e so fs o l u b i l i z a t i o no fh e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i nw e r e 2 7 2 a n d7 7 6 r e s p e c t i v e l y i no r d e rt ol o w e rt h ee x p e r i m e n tc o s ta n d e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，r e c y c l i n g o ft h e p r e t r e a t m e n t s o l u t i o nw a s p e r f o r m e d t h ee f f e c t so fr e a c t i o nt i m e ，t e m p e r a t u r e ，r a t i oo fl i q u i dt os o l i da n d s u l f u r i ca c i dc o n c e n t r a t i o no nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw e r ed i s c u s s e d v a r i o u s f a c t o r so f t h eb a g a s s eh e m i c e l l u l o s eh y d r o l y s i sw e r es i g n i f i c a n t l yh i g h , w h i c h o r d e ri sr e a c t i o nt i m e ，t e m p e r a t u r e ，r a t i oo f l i q u i dt os o l i da n ds u l f u r i ca c i d c o n c e n t r a t i o nf r o mb i gt os m a l l a c c o r d i n g t ot h ei m p o r h m c e r e s p o n s e s u r f a c em e t h o d o l o g yw a sp e r f o r m e da n do b t a i n e dt h er e a c t i o nm o d e l t h e m a x i m u mo fh e m i c e l l u l o s eh y d r o l y s i sr a t ef o r e c a s t e da tt h es t a b l ec o n d i t i o n w a s5 9 3 a n dt h eo p t i m a le x p e r i m e n tc o n d i t i o n sw e r ea sf o l l o w s ：s u l f u r i c a c i dc o n c e n t r a t i o nw a s1 2 4 ，t i m ew a s2 6 4 ha n dt e m p e r a t u r ew a s1 2 3 c t h eh y d r o l y s i sr a t eo fh e m i c e l l u l o s ei n b a g a s s e w a s6 0 3 i nt h e e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，w h i c hw a sv e r yc l o s et ot h ef o r e c a s t t h eb a g a s s e h y d r o l y s i ss o l u t i o nw a su s e dr e p e a t e d l y , a n dt h ei n c r e a s er a t eo ft h ex y l o s e c o n c e n t r a t i o ns l o w e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h er e c y c l i n gt i m e t h ex y l o s e c o n c e n t r a t i o nc o u l di n c r e a s e dt o1 6 t i m e sa f t e rt h es o l u t i o nw a su s e d r e p e a t e d l yt h r e et i m e s o t h e rh y d r o l y s i sp r o d u c th a dt h es a m et r e n dw i t ht h e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 x y l o s et h a tt h ec o n c e n t r a t i o nw o u l db e c o m es a t u r a t e dw h e nt h es o l u t i o nw a s u s e dr e p e a t e d l yt h r e et i m e s o n e s t e pa n dt w o - s t e ph y d r o l y s i so ft h eb a g a s s ew e r ep e r f o r m e da n dt h e c o n t e n ta n dr e c o v e r yo fe a c hc o m p o n e n to ft h e b a g a s s e a f t e re a c h p r e t r e a t m e n tw e r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e t w o s t e ph y d r o l y s i sc o u l dr a i s et h eh e m i c e l l u l o s eh y d r o l y s i sr a t eo fb a g a s s e ， a n da c e t i ca c i dw a sn o tf o u n di nt h eh y d r o l y s i sp r o d u c t s i no r d e rt ot e s tt h er e s u l t so fe a c hp r e t r e a t m e n t ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n t p r e t r e a t m e n to nt h eb a g a s s ee n z y m o l y s i sw a si n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a t d i f f e r e n t p r e t r e a t m e n t e f f e c t e dt h eb a g a s s ee n z y m o l y s i sr a t eg r e a t l y , t h e b a g a s s ee n z y m o l y s i s r a t ea f t e rm i l da l k a l i n e o x i d a t i v ew a st h eh i g h e s ta n dt h e t w o - s t e pm e t h o df o l l o w e d ，t h ee n z y m o l y s i sr a t ea f t e rd i l u t es u l f u r i ca c i dw a s t h el o w e s t a n dt h ee f f e c to f t h er e c y c l i n gt i m e so f t h ep r e t r e a t m e n tf i l t r a t eo i l t h ee n z y m o l y s i sw a si n v e s t i g a t e dp r i m a r i l yt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e e n z y m o l y s i s r a t ed e c l i n e dg r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef i l t r a t er e c y c l i n g t i m e s t h ee n z y m o l y s i sr a t eo f t h eb a g a s s ew a sl o w e r e ds i g n i f i c a n t l ya f t e rt h e f i l t r a t ew a sr e c y c l e df o u rt i m e sa n di tw a sm o r ea p p r o p r i a t et or e c y c l et h e f i l t r a t ef o u rt i m e s k e y w o r d s ：b a g a s s e ，a l k a l i n e o x i d a t i v e ，p r e t r e a t m e n t ，c y c l i n g ， e n z y m o l y s i s v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：壑堑型 日期：圣盟刍墨围窆望一一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：垫查型 导师签名：日期：三翌叠! 困篁旦 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 乙醇俗称酒精，作为汽车燃料最早是在1 9 0 3 年，在两次世界大战期间，乙醇曾 发挥过重要的作用。到了2 0 世纪5 0 年代，随着石油的大规模、低成本开发，乙醇因 其经济性较差而被淘汰。因为石油是不可再生的能源，石油枯竭迟早要到来，近年来 汽油醇的生产又成为炼油工业的一个方向。汽油醇即车用乙醇汽油( 又称燃料乙醇) ， 是在汽油中加入适量变性乙醇形成的新型混合燃料，可以替代部分汽油以缓解石油短 缺的矛盾。使用这种汽油不但不影响汽车的行驶性能，而且还可减少有害气体的排放， 是一种环境友好的清洁能源。 随着现代工业的发展，石油资源将消耗殆尽，能源危机日益加剧，各国纷纷展开 新能源的研究和开发，其中燃料乙醇的生产最受关注。纤维素( c e l l u l o s e ) 是地球上最 丰富的有机物之一，它是一种可再生资源。据资料表明，植物每年通过光合作用能产 生高达1 5 5 x1 0 1 1 t 的纤维素类物质，其中纤维素、半纤维素的总量为8 5 1 0 1 0 t 。而 每年用于工业过程或燃烧的纤维素仅占2 左右，还有很大一部分未被利用。因此研 究开发纤维素类物质的转化技术，将秸秆、蔗渣、废纸、垃圾纤维等纤维素类物质高 效地转化为糖，进一步发酵成乙醇及其他有机酸，对开发新能源、保护环境具有非常 重要的现实意义1 1 1 。 1 2 乙醇工业现状 乙醇是一种重要的工业原料，广泛应用于化工、食品饮料工业、军工、日用化 工和医药卫生等领域，同时又是最有希望全部或部分代替石油的可再生能源，因此具 有十分广泛的发展前景【2 】。 1 2 1 国内乙醇工业现状 到目前为止，我国的乙醇生产企业( 包括生产车间) 已达1 0 0 0 多个，遍及各省 市自治区( 西藏除外) ，其中以山东、四川最多。据不完全统计，2 0 0 1 年销售收入5 0 0 万元以上的企业( 行业初步统计) 乙醇产量为2 0 1 万吨，销售收入6 6 亿元即。2 0 0 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 年4 月，我国河南天冠集团公司和黑龙江华润金玉实业有限公司变性燃料乙醇改扩建 项目已相继投产，分别具有2 0 万吨和l o 万吨生产能力生产规模预计还会扩大，主要 以陈粮小麦、玉米等淀粉质原料生产燃料乙醇；吉林省6 0 万吨变性燃料乙醇新建项 目也已经进入投产期，主要以玉米为原料；其他省市的燃料乙醇项目也在积极的筹备 之 4 1 。 1 2 2 国外乙醇工业现状 国际上4 大发酵乙醇生产国是巴西、美国、中国、俄罗斯，主要乙醇出口国是美 国、巴西、欧盟、南非、沙特阿拉伯和加勒比海诸国。1 9 7 9 年，美国国会为减少进 口原油的依赖，制定了联邦政府的“乙醇发展计划”，开始倡导燃料乙醇生产。1 9 9 9 年7 月，由于汽油增氧剂m t b e 不能降解，严重污染了环境及水资源，因此美国环 保局与国会合作，建立并推行了一个新的国家清洁替代燃料计划，并在4 年内全面禁 止使用m t b e ，这对燃料乙醇的发展起到进一步的推进作用。巴西是世界上最大的产 糖国和蔗糖出口国，乙醇的生产成本非常低。巴西的“乙醇汽油计划”对2 0 世纪8 0 年代中期世界燃料乙醇的发展起到了巨大的推动作用。目前，巴西乙醇的年产量达 1 0 0 0 万吨，几乎全部用来代替汽油，作为汽车燃料使用f 5 】o 1 3 木质纤维素物质生产乙醇工艺 1 3 1 糖化过程 木质纤维素原料具有较复杂的结构特点，需要将其水解成单糖，才能被微生物发 酵利用生产乙醇。针对不同木质纤维素原料特性，需要采用不同的水解工艺，一般分 为酸水解工艺和酶水解工艺。具体生产路线见图1 1 嘲。 ， a ) 酸水解工艺 在目前的工艺中，酸水解法又分为浓酸水解法和稀酸水解法。 ， 浓酸水解在1 9 世纪即己提出，它的原理是结晶纤维素在较低的温度下可完全溶解 于7 2 的硫酸、4 2 的盐酸和7 7 8 3 的磷酸中，导致纤维素的均相水解。浓硫酸水 解为最常用方法，其主要优点是糖的回收率高，大约有9 0 的半纤维素和纤维素转化 的糖被回收。浓酸对水解反应器的腐蚀作用是一个重要问题。近年来在浓酸水解反应 器中利用加衬耐酸的高分子材料或陶瓷材料解决了浓酸对设备的腐蚀问题【6 】。 稀酸水解工艺较简单，是木质纤维素原料生产乙醇的最古老的方法，也是较为成 熟的方法。革新的稀酸水解工艺采用两步法。第一步稀酸水解在较低的温度下进行， 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 半纤维素非常容易被水解得到五碳糖产物，分离出液体( 酸液和糖液) 。第二步酸水 解是在较高的温度下进行，重新加酸水解残留固体( 主要为纤维素结晶结构) ，得到 水解产物葡萄糖。稀酸水解工艺糖的产率较低，一般为5 0 左右，而且水解过程中会 生成对发酵有害的副产物嘲。 图1 1 木质纤维素原料发酵生产乙醇工艺示意图旧 f i g 1 - 1t e c h n i c so f e t h a n o lp r o d u c t i o nf r o mf e r m e n t a t i o no fl i g n o c e l l u l o s e ”酶水解工艺 植物纤维素的高聚合度、毛细管结构、木质素和半纤维素所形成的保护层及其超 分子结构中具有高结晶度的结晶区存有大量氢键( 包括分子链内、链问及分子链于表 面分子之间形成的氢键) 是造成纤维素难以被利用的根本原因。从高效和环保的角度 出发，纤维素被彻底分解而无污染的一条有效途径便是利用纤维素酶的水解作用【刀。 应用酶催化可以高效水解木质纤维素，生成单糖。酶水解工艺的优点在于：可在 常温下反应，水解副产物少，糖化得率高，不产生有害发酵物质，可以和发酵过程耦 厶【6 】 口 1 3 2 发酵过程 在以纤维素类物质为原料的乙醇生产技术中，其发酵工艺也是一个重要的环节， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 研究者在这方面做了大量的研究工作。总结起来，有如下几种工艺方法。 a ) 直接发酵法 直接法是指用同一微生物完成纤维素的糖化水解和乙醇发酵的生产过程。直接法 中常用的微生物是热纤维梭菌。这种细菌能分解纤维素，并使产生的纤维二糖、葡萄 糖、果糖等发酵，水解和发酵的最适温度为5 6 “，最适p h 为6 4 7 4 。该过程 主要产物除乙醇外，还有醋酸和乳酸。经过诱变改造的重组热纤维梭菌用于发酵，其 乙醇产率可达9 9 l ，醋酸产量也能达到9 9 几。热纤维梭菌若与热硫化氢梭菌共同作 用，还可使产量大大提高。这种工艺方法设备简单，成本低廉，但乙醇产率不高，产 生有机酸等副产物。 利用混合菌发酵，可以部分解决产率不高的问题。如热纤维梭菌能分解纤维素， 但乙醇的产率低( 5 0 ) ，而热硫化氢梭菌则不能利用纤维素，但乙醇产率相当高， 将二者进行混合发酵，产率可达7 0 ，提高乙醇乙酸比值1 0 倍以上。 ”糖化、发酵二段发酵法 这种工艺方法是先用纤维素酶水解纤维素，酶解后的糖液作为发酵碳源。乙醇产 物的形成受以下因素的限制：末端产物抑制，低细胞浓度以及基质抑制。为了克服乙 醇产物的抑制，必须不断地将其从发酵罐中移出，采取的方法有：减压发酵法、快速 发酵法、阿尔法拉伐公司的b i o s t i l e 法。对细胞进行循环使用，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弘】。 此法中常用木霉的纤维素酶来水解纤维素，产生的糖液再进予于发酵，其乙醇产量 可达9 7 9 l 。但这种方法中纤维素需先用氢氧化钠进行预处理，因而成本较高。 c ) 同时糖化发酵法( s s f 法) 纤维素酶对纤维素的酶水解和发酵糖化产生乙醇在同一装置内连续进行。这样酶 水解产物葡萄糖由菌体的不断地发酵而被利用，消除了葡萄糖因浓度高对纤维素酶的 反馈抑制。在工艺方面采用一步发酵法，简化了设备节约了能源，缩短了总生产时 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、糖化和发酵的温 度不协调等【9 】。 纤维素类物质大多含有木质素和半纤维素。木质素在原料预处理过程中绝大部分 已被除去，但半纤维素产生的木糖存留在反应液中，当浓度达到5 时，木糖对纤维 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 素酶的抑制率可达1 0 。消除木糖抑制的方法是利用能转化木糖为乙醇的菌株，如假 丝酵母、管囊酵母等。现在研究较多的是用能利用葡萄糖与能利用木糖的菌株混合发 酵，与单纯用葡萄糖发酵菌和单纯利用戊糖发酵菌相比，乙醇的产量可分别提高3 0 3 8 和1 0 3 0 。在纤维素酶糖化的过程中，纤维素酶的最适温度为5 0 左右，而 酵母发酵的控制温度是3 7 4 0 c ，解决这两个过程温度不协调的方法有：采用耐热 酵母( 如假丝酵母、克劳森氏酵母) ；进一步选育耐热酵母：耐热酵母与普通酵母混 合发酵。 d ) 固定化细胞发酵工艺 固定化细胞发酵具有能使发酵器内细胞浓度提高，细胞可连续使用，使最终发酵 液乙醇浓度得以提高等优点。研究最多的是酵母和运动酵母单胞菌的固定化。常用载 体有：海藻酸钙、卡拉胶、多孔玻璃等。研究结果表明，固定化云空发酵单胞菌比酵 母更具优越性。最近又有将微生物固定在汽液界面上进行发酵的研究报道，微生物活 性比固定在固体介质上高。固定化细胞的新动向是混合固定化细胞发酵，如酵母与纤 维二糖酶一起固定化，可以将纤维二糖基质转换成乙醇，此法引人注目，被看作是纤 维素原料生产乙醇的重要阶梯。 1 4 木质纤维素物质生产乙醇的发展与现状 采用燃料乙醇替代燃料汽油始于1 9 7 3 年世界第一次石油危机以后的巴西。当时 巴西政府为代替价格暴涨的进口石油，利用该国丰富的甘蔗资源开始大量生产燃料乙 醇，并采用在汽油中掺入2 2 乙醇或全部代用汽油推广到5 0 0 万辆汽车，约占该国在 用汽车总量的1 3 。1 9 9 9 年巴西燃料乙醇的产量约1 3 0 0 万k l ，除自用外还有少量出 口。 美国从上世纪9 0 年代初开始利用该国过剩的玉米为原料生产燃料乙醇，并以 1 0 的比例作为含氧添加剂掺入汽油中，代替有致癌作用的m t b e ，1 9 9 9 年产量达到 6 0 0 万k l 。与此同时，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。到1 9 9 9 年，全世界生产的3 3 0 0 万k l 乙醇中， 供汽车燃料用的占5 8 ，大于工业用和饮料用的总和。 除了粮食外，纤维素经发酵后也可作为乙醇原料，而且更具有潜力。克林顿总统 在1 9 9 9 年白皮书中提出，到2 0 1 0 年全美能源中生物质能所占的比重要提高3 倍达到 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 0 。为此，美国能源部又开始组织以纤维素为原料生产燃料乙醇的技术开发，希望 通过酵母菌转基因技术的研发，到2 0 1 5 年，成本由每升2 8 美分降到1 8 美分，为扩 大应用创造条件。 日本作为世界第二石油进口大国，也希望利用本国资源开发乙醇燃料，但由于国 内粮食不足。故对以纤维素为主的生物质废物为原料生产燃料乙醇的技术十分重视。 日本全国每年产有1 0 0 0 万吨废木屑，不少企业利用自行开发的技术或引进美国技术 开展了以废木屑为原料生产燃料乙醇的工业试验。特别是该国的乙醇协会，在借鉴美 国技术基础上提出了系统的开发方案，希望快速发展燃料乙醇，减少对石油进口的依 赖，同时减少c 0 2 的排放。 我国在“十五”计划中也制定了发展燃料乙醇的规划。规划的方案分三步：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1 0 ，这一目标己初步实现；第二步在有条件的省区利用当地的优势资源( 如早灿 稻、甘薯和甘蔗等) 生产燃料乙醇：第三步就是利用植物秸杆、稻壳等纤维素生产燃 料乙醇，并全面推广。 1 5 本文的选题目的 由于木质纤维素的结构特点，其酶解是很困难的，必须进行某种形式的预处理 来提高其酶解性能。木质纤维素原料由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，木 质素和半纤维素形成牢固的结合层，紧紧地包围着纤维素，阻碍了酶与纤维素的接触。 因此，要提高糖化效率，必须破坏由木质素、半纤维素组成的结合层，使纤维素的孔 隙变大，增加纤维素与酶接触的有效比表面积，从而提高糖化速度。预处理是酶解前 的重要环节，是酶解经济性的重要制约因素之一。 甘蔗是人类迄今所栽培的生物量最高的大田作物，主要用于生产白砂糖。制糖 生产中，甘蔗经破碎和提取蔗汁中的蔗糖后，留下的大量纤维性废渣( 蔗渣) 是甘蔗 制糖工业的主要副产品，属于农业固体废弃物的一种，也是一种可再生资源，一般湿 蔗渣产率为榨蔗量的i 5 i 4 。我国每年甘蔗的种植面积约为l1 3 h r n 2 ，除生产8 0 0 多万t 蔗糖外，还生产8 0 0 多万t 蔗渣纤维。目前在我国，糖厂的蔗渣除部分用于造 纸外，大部分直接用作锅炉燃料烧掉，没有得到充分的利用。因而，利用糖厂的这些 纤维质副产品制造高附加值的产品( 如生产酒精、功能性低聚糖、膳食纤维等) 有诱 人的发展前景。用生物技术将这些纤维废弃物转化为能源和化工产品，利用了通过光 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 合作用转化了的二氧化碳和储存于植物中的太阳能，从而具有降低温室效应气体的巨 大潜力，而且能促进农村及其它相关行业的经济发展，具有广阔的应用前景。 本论文以甘蔗渣为原料，应用温和碱氧化法和稀酸水解以及两种方法的结合对 木质纤维原料的预处理过程进行了探讨，希望通过对本课题的研究为木质纤维原料的 预处理提供理论依据。 1 6 本章小结 随着现代工业的发展。石油资源将消耗殆尽，能源危机加剧。寻找可替代的可 再生能源，已成为维持人类社会可持续发展的迫切任务。利用木质纤维素生产燃料乙 醇是解决能源问题的重要途径，具有广阔的前景，受到了各国的广泛关注。本章概述 了木质纤维素物质生产乙醇的发展与现状，介绍了利用木质纤维素生产乙醇的工艺， 展望了由木质纤维素制备燃料乙醇的前景。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章木质纤维素预处理概述 植物纤维原料由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，其中木质素不能作为 发酵底物。预处理的目的是改变天然纤维素的结构，破坏纤维素一木质素一半纤维素之 间的连接，降低纤维素的结晶度，脱去木质素，增加原料的疏松性以增加纤维素酶系 与纤维素的有效接触，从而提高酶效率。预处理是水解前的重要环节，是酶解经济性 的重要制约因素i 1 0 1 。 纤维素的结晶度、有效接触面积、木质素的阻碍和半纤维素对纤维素的笼罩程度 均对生物质的酶解造成了影响 1 1 o 半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之 间，而木质素包围并加固纤维素和半纤维素骨架1 1 2 】。在固态发酵生产纤维素酶过程中， 为使微生物更易于利用纤维素，必须对基质进行预处理。同时，木质素的存在会阻碍 纤维素的水解过程【l3 1 ，丽且木质素及其衍生物对微生物具有毒性，木质素含量低的基 质可以提高微生物的活性以及酶的效率【1 4 1 ，所以对于固体基质进行预处理是很有必要 甚至是必须的。木质纤维素预处理的原理如下图所示。 预处理影响 图2 1 木质纤维素原料预处理示意图 f i g 2 - 1p r e t z e a t m e n to f l i g n o c e l l u l o s e 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 木质纤维素物质的组成 含有大量纤维素、半纤维素的物质统称为木质纤维素。用来制备燃料乙醇的木质 纤维素原料包括农作物收获后的残渣和木屑，纸张和经过分类的固体垃圾，造纸业的 工业废料，草本类植物和木材。这些原料主要由三种成分组成：纤维素，约占干重的 3 5 5 0 ；半纤维素，约占干重的2 0 3 5 ：木质素，约含干重的1 5 2 5 。此外，还有 少量的蛋白质、灰分、淀粉等成分【4 】。 2 1 1 木质纤维素物质的化学组成 木质纤维素的资源量非常丰富。木质纤维素构成了植物的细胞壁，对细胞起着保 护作用。它主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成，约占生物质干重的 7 0 0 0 - 7 5 ( 见表2 1 ) 。 表2 1 几种重要生物质的组成脯 成分 纤维素半纤维素 木质素 种类 硬木 4 0 2 41 8 软木 4 52 5 2 5 玉米秸秆 4 1 2 41 7 麦秸秆 4 02 52 3 稻秸秆 3 5 2 51 2 甘蔗渣 4 0 2 42 5 纤维素是由重复的纤维二糖单元以b 一糖苷键构成的线性分子。纤维素分子折叠 成微纤维，微纤维又构成原纤维，最终形成纤维素纤维。两条线性分子间形成氢键， 从而形成很强的微晶体结构。 半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的统称。它围绕在纤维素纤维周围，并通过 纤维素中的孔部位伸入到纤维素内部。木糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖、葡萄糖醛 和半乳糖是主要的糖残基。半纤维素的分子结构是一种类型的糖重复形成长的线性分 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 子骨架，周围有较短的醋酸酯和糖组成的分支链。半纤维素的组成随着木材种类不同 而有所差异，特别是软木和硬木之间差别更大。 木质素是由苯丙烷结构组成的复杂化合物，它包围并加固纤维素和半纤维素骨 架。人们认为半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间【6 】。 2 1 2 木质纤维素物质的物理组成 木质纤维素的结构较复杂。细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键联结成网络 结构，纤维素镶嵌其中木质纤维素的结构示意图如图2 - 2 所示。 图2 2 木质纤维素结构示意图1 1 6 1 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f l i g n o c e l l u l o s e l l 6 l 纤维素大约由5 0 0 到1 0 0 0 0 个葡萄糖单元组成。纤维素分子中的羟基易于和分子 内或相邻的纤维素分子上的含氧基团之间形成氢键，这些氢键使很多纤维素分子共同 组成结晶结构，并进而组成复杂的微纤维、结晶区和无定形区等纤维素聚合物。x 射线衍射的试验结果显示，纤维素大分子的聚集，一部分排列比较整齐、有规则，呈 现清晰的x 射线衍射图，这部分称之为结晶区；另一部分的分子链排列不整齐、较 松弛，但其取向大致与纤维主轴平行，这部分称之为无定形区。结晶结构使纤维素聚 合物显示出刚性和高度水不溶性。因此高效利用纤维素的关键在于破坏纤维素的结晶 结构，使纤维素结构松散，使得酶水解或化学水解更容易进行。 半纤维素在结构和组成上变化很大，一般由较短高度分枝的杂多糖链组成。各种 糖所占比例随原料而变化，一般木糖占一半以上。半纤维素排列松散。无晶体结构， 故比较容易被稀酸水解成单糖。 太原理工大学硕士研究生学位论文 木质素不能水解为单糖，在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解。木质素中 氧含量低，碳含量较高，其能量密度( 2 7 m j k g ) 较高，水解中留下的木质素残渣可 作为燃料 7 1 木质纤维素在作为底物生产乙醇之前，必须经过预处理使其从半纤维素 和木质素的“包裹”中分离出来，以增加纤维素酶接触的有效面积。预处理的主要目 的是脱除木质纤维素生物质中的木质素，降低纤维素的结晶度以及提高基质的孔隙 率。 2 2 木质纤维素预处理的分类 预处理的目的是除去木质素和半纤维素，降低纤维素的结晶度以及提高基质的孔 隙率。一般来讲，预处理必须满足以下几个必要条件：一、提高酶水解的结合率；二、 避免碳水化合物的降解和损失；三、避免产生对水解及发酵过程起抑制作用的副产品； 四、性价比高堋。预处理方法主要有物理法、化学法和生物法等。 2 2 1 物理法 a ) 机械粉碎 用球磨、振动磨、辊筒等将纤维素原料进行粉碎处理，木质素仍然保留，但木质 素和半纤维素与纤维素的结合层被破坏，半纤维素、纤维素和木质素的聚合度降低， 纤维素的结晶构造改变。粉碎处理可提高反应性能和水解糖化率，有利于酶解过程中 纤维素酶或木质素酶的进攻。经粉碎物料各成分的量没有变化，但粉碎的物料没有膨 胀性，体积小，可以提高基质浓度，水解可得到较高浓度的糖液。但粉碎处理提高糖 化率的程度有限，耗能较多，其能耗占工艺过程总耗能的5 0 - 6 0 ，对有些材料，粉 碎处理不一定适合1 8 】。 b ) 高能辐射 高能辐射( y 射线、电子辐射等) 可使纤维素物质的聚合度( d p ) 降低，结晶性减 少，吸湿性增加，这些都有利于纤维素的酶水解。s a e m a n 等1 9 5 2 年报道，辐射剂量 大于1 0 6 r a d 就能提高纤维物料的水解速度和转化率。当辐射剂量达1 0 8 r a d 时，水解 处于最佳状态，此时糖的 导率是对照的3 倍，而水解速度则提高了1 7 倍。但是辐射 处理的成本达每吨1 3 8 1 5 6 美元，比研磨成本还高，目前还很难用于大规模生产“7 1 。 c ) 高温分解 当纤维质原料在高于3 0 0 c 的温度下处理时，纤维素会迅速分解产生气体产物和 焦状残渣，而在较低的温度下，纤维素分解较慢且产生挥发性较弱的物质。用强酸水 12 太原理工大学硕士研究生学位论文 解( 1 n h 2 s 0 4 ，9 7 ，2 5 h ) 高温处理后的残渣可将8 0 一8 5 的纤维素转化为还原糖， 其中5 0 以上是葡萄糖。高温分解过程中，有氧气存在时可提高分解效率。当有氯化 锌或者碳酸钠催化时，纤维素的分解可在较低的温度下进行。 一般来讲，物理法处理木质纤维素材料的优点在于对环境污染较小且过程较为简 单，但物理法处理需要较高的能量和动力。因此会增加生产的成本。 2 2 2 化学法 a ) 臭氧分解 臭氧可降解木质素和半纤维素，所以可用于处理木质纤维素材科，例如麦杆、甘 蔗渣、花生壳、松木等。在臭氧预处理过程中，除去6 0 的木质素可使纤维素基质 的酶解速率提高5 倍。当通过臭氧分解预处理后，木质素的含量从2 9 降至8 时， 酶解产量可从o 提高到5 7 。臭氧分解的优点是：( 1 ) 能有效去除木质素；( 2 ) 不产生有毒物质；( 3 ) 可在室温和常压下进行。然而，处理过程中需要大量的臭氧， 因而成本较高”9 1 。 酸处理 h 2 s 0 4 和h c i 等浓酸均可用于处理木质纤维素原料，而且是一种有效的预处理 试剂，然而浓酸一般具有毒性、腐蚀性，因此要求反应器要具有抗腐蚀能力。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。除此之外，稀酸也可用 于预处理木质纤维素 2 0 l 。将纤维素原料用1 左右的酸液在1 0 6 - 11 0 c 的高温下经几 个小时的处理是人们较常采用稀酸处理方法。稀酸处理效率较高，在温度高时所需时 闯较短，处理后半纤维素水解成单耱进入水解液，木质素量不变，纤维素的平均聚合 度下降，反应能力增大【l s 】。稀酸预处理在实质上与汽爆处理类似，都是采用酸作为催 化剂来加速自水解反应，二者的不同之处是用稀酸预水解过程中纤维质微悬浮在液体 酸性溶液中，而且微粒尺寸小的多。酸预处理中的甘蔗渣质量损失是由于半纤维素的 水解，半纤维素的水解使得甘蔗渣变得多孔，有利于增加纤维素与纤维素酶的接触面 积，但由于包裹纤维素的主要聚合物一木质素在酸处理过程中未能有效脱除，使得 基质结构仍然较为紧密。虽然稀酸预处理可以有效提高纤维素的水解特性