（环境工程专业论文）纤维素物质同时糖化法制备燃料乙醇的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 木质纤维素发酵制各乙醇包括原料的预处理、纤维素的糖化、纤维素发酵三个 步骤。本论文以较成熟的微生物发酵理论为指导，以国内外学者的研究成果为参考， 采用基础应用研究的手段，从单一组分的纤维素原料稻草秸秆入手，采用同时糖化 法，针对发酵过程中各制约因素发酵温度、发酵时间、接种量、接种比例以及 纤维素酶用量进行了一系列的研究，确定了木质纤维素物质发酵生产燃料酒精的最 佳工艺条件，并利用该条件，对其他纤维素物质玉米秸秆，小豆秸秆等的发酵进行 了初步的研究。 实验表明，稻草秸秆同时糖化法制造燃料酒精的最佳工艺条件为：发酵温度 3 8 ，发酵周期7 2 h ，接种量1 0 ，纤维素酶用量4 0 1 u g ，管囊酵母与酿酒酵母的 接种比例2 ：l 。该条件下，酒精产率为0 1 9 9 9 g 。 对于其他纤维素原料以及混合成分的纤维素原料，在本实验确定的最佳实验条 件下，所选用的总质量相同的纤维素原料中酒精产率由高到低依次为：玉米秸秆 稻草秸秆 玉米+ 稻草秸秆 稻草+ 玉米+ 小豆秸秆 玉米+ 小豆秸秆 稻草+ 小豆秸 秆 小豆秸秆。其l o g 原料酒精产率分别为：0 2 0 1 9 9 g ，0 1 9 8 9 9 g ，0 1 9 5 9 9 g ， o 1 9 0 0 9 g ，o 1 7 2 1 9 g ，0 1 6 6 1 9 g ，o 1 4 8 2 9 g 。由于小豆秸秆的最佳发酵时间介于7 2 h 到9 6 h 之间，可以推测，部分纤维素原料的最佳发酵时间将大于7 2 h 。 关键词：燃料酒精，木质纤维素，发酵，同时糖化，农业固废 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ep r e p a r a t i o np r o c e d u r eo fe t h a n o lw i t hl i n g o c e l l u l o s ef e r m e n t a t i o nc o n t a i n s3 s t e p s ，i e ，p r e t r e a t m e n to fr a wm a t e r i a l , s a e e h a r i f i c a t i o no fc e l l u l o s ea n df e r m e n t a t i o no f c e l l u l o s e i nt h i sp a p e r , g u i d e dw i t ht h em i c r o b ef e r m e n tt h e o r ya n du e s e dt h er e p o r t e d r e s e a r e l af i n d i n g s ，t h ee f f e c tf a c t o r so f f e r m e n t a t i o n p r o c e s sf o rs i i a wh a sb e e nr e s e a r c h e d b yt h em e t h o do fs i m u l t a n e o u ss a e e h a r i f i e a t i o na n df e r m e n t a t i o n ( s s n t h ef a c t o r s i n c l u d ef e r m e n t a t i o n t e m p e r a t u r e ，f e r m e n t a t i o nt i m e ，c o n c e n t r a t i o no fi n o e u l u m , i n o c u l a t i o nr a t i o 勰w e l la st h ed o s a g eo fc e l l u l o s ee n z y m e t h eo p t i m a lp r o c e s s i n g c o n d i t i o no f e t h a n o lp r e p a r a t i o nw i t hl i n g o c e l l u l o s ef e r m e n t a t i o nw a so b t a i n e d u n d e rt h e c o n d i t i o n , t h ep r e l i m i n a r ys t u d i e so l lo t h e rc e l l u l o s es t u f f s u e ha st o ma n db e a nh a v eb e e n d o n e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e st h a tt h eo p l j i n a lt e e h r t i e a lp a r a m e t e r so fe t h a n o l p l q 删o nw i t hs i a we u l m sb ys s fm e t h o da 托f o u w i n g t h ef e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e i s3 8 ( 2 ，f e r m e n t a t i o nt i m ei s7 2 h , s c a l eo fi n o c u l u mi s1 0 ，d o s a g eo fe e l l u l o s ee l l z y m c i s4 0 i u g , a n dt h ei n o c u l a t i o nr a t i oo fl e a v e na n ds a e e l l a r o m y c e sc e n ：v i s i a ei s2 ：1 u n d e rt h i sc o n d i t i o n , t h ep r o d u c t i o nr a t i oo f e t h a n o li so 1 9 9 9 g u n d e rt h es a m eo p t i m a lc o n d i t i o nf o rs i i a w ，t h eo r d e rf r o mh i g l lt ol o w0 1 1t h e p r o d u c t i o nr a t i oo f e t h a n o lf o rt h es a m cm a s so f e e l l u l o s er a w m a t e r i a li sc o r n , s l l a w ，t o m p l u ss t l d w , s i i 8 wp l u sc o mp l u sb 成i n ，c 嘲p l u sb 睨i n ，s i i l l wp l u sb e a n , a n db e a n t h e p r o c l u e t i o nr a t i oo f v a r i o u sl a wm a t e r i a li sr e s p e c t i v e l y0 2 0 1 9 9 g ，o 1 9 8 9 9 g ，o 1 9 5 9 9 g , o 1 9 0 0 9 g ，0 1 7 2 g g , 0 1 6 6 1 9 佗a n d0 4 8 2 以b e c a u s et h eb e s t t i m eo ft o n i f e r m e n t a t i o ni sb e t w e e - n7 2 ht o9 6 h , i tc a nb ei n f e r r e dt h a tt h eo n m a lf e r m e n t a t i o nt i m e f o rp a r to f e e u u l o s er a wm a t e r i a l si sl o n g e rt h a n7 2 1 1 k e y w o r d s ：f u e la l c o h o l , l i n g o e e l l u l o s e , a g r i c i l l t u r es o l i dw l i s t c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：锄埘t 镰 签字日期：。_ ) 年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废盔堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：初姊3 豁 签字日期： 0 年j 月f 日 导师签名：磊 签字日期：彦彩7 年月e 1 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 随着现代工业的发展和世界人口的激增，能源危机日趋加剧。专家估计，可开 采石油储量仅还可供人类使用大约5 0 年，天然气还可用7 5 年，而煤炭则为2 0 0 3 0 0 年l l j 。目前，世界各国纷纷展开对新能源，特别是可再生生物能源的研究与开发。 生物能源主要有生物乙醇、生物柴油、沼气、氢气和燃料电池等，其中以生物乙醇的 研究与生产最引人注目。生物法生产的乙醇在一些国家和地区正广泛使用。巴西每 年以甘蔗作为原料，生产11 0 0 万吨燃料乙醇。美国则每年大约生产5 5 0 万吨以上的燃 料乙醇。目前我国乙醇年产量为3 0 0 多万吨，仅次于巴西、美国，位列世界第_ - - 【2 1 ，其 中用发酵法生产乙醇占绝对优势，8 0 0 , 4 左右的乙醇用淀粉质原料，1 0 的乙醇用废 糖蜜生产，而以纤维素原料生产的乙醇仅仅约占2 左右。 纤维素是地球上最丰富的有机物之一，它是一种可以再生的资源，每年仅陆生 植物就可以产生纤维素约5 0 0 亿吨；纤维素资源还是最主要的生物质资源，它占地球 生物总量的6 0 e 一8 0 。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 亿多吨，其中玉米秸3 5 、小麦秸2 1 和稻草4 9 0 , 4 是我国的三大秸秆， 林业副产品、城市垃圾和工业废物数量也很可观。我国大部分地区依靠秸秆和林副 产品作燃料，或将秸秆在田间直接焚烧，不仅破坏了开展纤维素类再生资源转化生 产酒精等产品的生态平衡，污染了环境，而且由于秸秆燃烧的能量利用率低，造成 资源严重浪费p j 尽管酒精燃烧时产生的热能比汽油低( 酒精为2 2 i m j l 、汽油为3 4 3 m j 几) ， 但它是可再生的能源，具有环保特性，是汽油所不能比拟的；酒精的辛烷值比汽油 高许多，既是抗爆剂，又是助燃剂，所以用乙醇作燃料不用再添加4 - 乙基铅或m t b e ， 就可成为高标号燃料油，可减少大气中铅的污染。用酒精作燃料不会增加大气中二 氧化碳含量，可显著缓解地球温室效应以及改善地球气候环境。 自上个世纪以来，随着世界人口的增加及更多国家的工业化，能源消耗也日趋 增加。面对即将到来的能源危机，世界许多国家的研究机构，已深入开展纤维素类 再生资源转化生产酒精等产品的研究工作美国、日本等国都己进行了万吨以上纤 维素物料生产酒精工厂的初步工程设计。经济分析结果显示，纤维素物料生产酒精 的成本已接近以粮食为原料生产酒精的成本，但至今尚未有工业化装置的建成。 我国政府也已将纤维素发酵生产酒精引入国家发展计划，2 0 0 0 年9 b 国务院正式 批准了在国内发展燃料酒精试点利用废弃纤维素物质代替粮食生产酒精的研究工 作方兴未艾，前景广阔。 重庆大学硕士学位论文i 绪论 本课题主要针对“木质纤维素原料制备燃料乙醇的工艺研究”的问题进行研究。 根据国内外相关研究资料，提出发酵工艺的方案和实验方法，并通过实验进行论证， 从而找到系统处理的最优方法。此次实验不仅对单一木质纤维素原料发酵生产燃料 乙醇进行研究，并且尝试对二种甚至多种木质纤维素原料的混合发酵进行初步的研 究。因此，具有一定的创新性和学术研究价值。 1 2 纤维素原料制备乙醇的研究现状 1 2 1 概述 美国以纤维素制乙醇的技术开发较早。美国能源部1 9 9 9 年提出计划，至u 2 0 1 5 年 把燃料乙醇的成本降低3 6 ，并拟定了开发方向：研发转基因技术，使产纤维素酶 酵母的活性比现有水平提高1 0 倍以上；完善同步糖化发酵法( s s f ) 和并行糖化共发酵 法( s s c f ，即糖化和五碳糖、六碳糖的共同发酵) 的技术；选育纤维素直接发酵菌的 菌种，用以开发直接发酵法( d m c ) 。1 9 9 9 年，美国可再生能源研究所和有关开发企 业的关键的发酵技术已达到相当高的水平，但尚存在一些问题。当时，用纤维素降 解的糖化液中糖的浓度可达1 2 2 0 ，发酵液中乙醇的浓度可达6 1 0 ，其中 用酵母对糖蜜发酵，间歇式工艺所产的乙醇的浓度为1 2 1 3 ，而连续式工艺仅 8 l1 。乙醇发酵微生物的耐反应性十分重要，特别是在乙醇的长期连续发酵过 程中，控制不好，容易发生由乳酸菌引起的杂菌污染，并导致发酵液的p h 值下降、 乙醇的回收率下降。美国政府曾规划在2 0 0 1 2 0 0 3 年期间利用稻壳、甘蔗渣、生活 有机垃圾、林业废物等以纤维素为主的生物质为原料，建设6 个年产5 7 6 万k l 的 燃料乙醇工厂但以纤维素制乙醇的工业规模技术一直未达到成熟，而以玉米生产 燃料乙醇的技术已充分成熟、原料充裕，增产较容易，故美国有关纤维素发酵生产 燃料乙醇的工艺研发有所停顿。 日本政府积极促进纤维素制乙醇技术的发展，制定的原则措施包括：通过新能 源产业技术综合开发机构f n e d c ) 委托，以日本酒精协会为主的各有关企业进行为期 5 年的开发，经费全部由政府补助，开发成果可用于建设商业化生产项目，以适应乙 醇代油和减排c 0 2 的需要；采取以企业为主，有关大学积极参与的方针，即大学等 科研单位接受企业的再委托，对专业性强的基础技术进行研究开发：选择在某项技 术方面有优势的单位，吸引日本国内外相关优势企业参与研发。日本建立了较完善 的与纤维素燃料乙醇相关的研发体系：日本酒精协会负责项目的综合调整和工艺系 统的最优化研究；曰辉公司负责前处理、糖化和发酵技术开发，其中有关发酵技术 和纤维素酶育种委托大阪府大学、长冈科技大学、京都大学、神户大学工学院、熊 本大学工学院和鸟取大学等大学进行专题研究；关西油漆公司进行凝集性酵母滴虫 的技术开发；n r i 公司开发乙醇膜脱水技术，由静冈大学评价脱水膜的特性；由德 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 国产业技术综合研究所进行发酵液中乙醇的膜分离技术的开发。在民间开发方面， 日本有不少企业开展了利用废木屑制燃料乙醇的技术开发。日本粮食公司发明的方 法颇具特色，该法先将废木材破碎为数毫米的碎片，再用臭氧处理，然后放入自行 开发的酶将木材中的纤维索和半纤维素加水分解为葡萄糖，最后经酵母菌发酵成乙 醇。该项目投资5 亿日元已于2 0 0 3 年5 月建成进行工业试生产，目前日产乙醇2 5 吨。 试生产成功后拟建2 0 0 f f d 的商用纤维素乙醇装置，成本目标定在2 5 日元几，将低于美 国现有水平 4 1 。 我国在“十五”规划中也制定了发展燃料乙醇的规划。规划方案分为三步：第 一步先在吉林、河南、黑龙江等省以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 ，这一目标已初步实现；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。 从国内外的有关文献资料来看，木质纤维素发酵制备乙醇主要包括原料的预处 理拌纤维素及半纤维素的糖化# 五碳糖及六碳糖发酵生产乙醇三个阶段。 1 2 2 原料的预处理 木质纤维素1 5 j 主要有3 种成分组成：纤维素，大约占干重的4 5 ：半纤维素，占 干重的3 0 ；木素，占干重的2 5 。纤维素是地球上最丰富的聚合物，由许多葡萄 糖通过b ( 1 ，4 ) 糖苷键连接而成，其基本组成单位是纤维二糖。它的二、三级结构与 木素、半纤维素、淀粉、蛋白质和矿物质紧密相连，使它成为难以降解的高分子物 质。半纤维素是一类高度分支的杂多糖，糖残基有己糖( 如d 半乳糖、l 半乳糖、 d 甘露糖、l 鼠李糖、l 果糖) 、戊糖( d 木糖、l 阿拉伯糖) 、糖醛酸( d 葡萄糖 醛酸) 。半纤维素比纤维素易降解，半纤维素的组成依原料的不同而有所差别。木素： 自然界最丰富的芳香族多聚物，具有酚类物质的性质。 木质纤维原料具有较大的结晶性，需经适当预处理后才能使用。预处理的目的 是打破纤维素分子的结晶结构和保护层，使材料变得蓬松，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2 0 ，而经预处理后的水解率可达理论 值的9 0 以上。预处理方法的选择主要从提高效率、降低成本、缩短处理时间和简 化工序等方面考虑。理想的预处理应能满足下列要求：产生活性较高的纤维，其 中戊糖较少降解；反应产物对发酵无明显抑制作用；设备尺寸不宜过大，成本 较低；固体残余物较少，容易纯化：分离出的木素和半纤维素纯度较高，可以 制备相应的其他化学品，实现生物质的全利用嘲。 物理预处理 物理预处理法包括机械粉碎、热解、微波处理用，超声波处理阿等方法，这些方 法均可使纤维素粉化、软化，提高纤维素酶的水解转化率。纤维素原料通过切碎、 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 粉碎、碾磨等物理方法可降低其结晶性，经切碎处理后的原料大小通常为1 0 3 0 n m ， 而经粉碎、碾磨之后的原料颗粒大小一般为0 2 2 n m 。用新闻报纸实验，其磨粉细 度在7 5um 以下时，酶水解率可由2 5 提高到8 4 以上，用其他磨( 如胶体磨、双辊 磨、锤击磨等) 碾磨效果也较理想。 熟解预处理，当加热至l j 3 0 0 以上时，纤维素迅速分解为气体和残留固体唧。如 果温度低一点的话，分解速度就会减慢，还会产生低挥发性的副产品【l 川。在热解过 程中，加入q 将会加快反应的进程，在反应过程中加入氯化锌和碳酸钠作催化剂， 可以在较低温度下实现对纯纤维素的分解。 声波电子射线法需要高能射线流发生装置，设备成本高，能耗大，但这种方法 有以下优点：处理后的粉末纤维素类物质没有胀润性，而且体积小可以提高基质浓 度，得到较高浓度的糖化液；将物料粉碎成极小的颗粒，一方面使其表面积大大增 加，另一方面破坏了其结晶性，使其在以后的糖化阶段更易于反应。 化学预处理 化学预处理方法，包括酸水解、碱水解、氨水解和各种氧化剂0 1 2 0 2 、臭氧) 氧 化处理等。 臭氧分解：臭氧可以用来降解麦草、甘蔗渣、干草、花生、松木、棉杆和杨木 锯末等许多木质纤维原料的木素和半纤维素。该法中木素受到很大程度的降解，而 半纤维素只受到轻微攻击，纤维素几乎不受影响。臭氧预处理的杨木锯末酶法水解 得率为0 5 7 ，木素含量从2 9 降低为8 。臭氧分解有下列优点： 1 ) 高效脱除木素； 2 ) 不产生有毒的阻碍生物过程的化合物； 3 ) 反应在室温、常压下进行。 缺点是预处理需要大量的臭氧，生产成本昂贵。 酸水解：高浓酸，比如硫酸和盐酸可用来处理木质纤维原料。它们是强烈水解 纤维素的试剂，但是强酸有毒、具有腐蚀性，需要耐酸反应器。另外，强酸预处理 后必须回收，增加了生产成本【l “。稀酸水解已经成功地用于木质纤维原料预处理。 稀硫酸预处理可以获得较高的得率，显著地促进纤维素水解【1 2 】。在中等温度下进行 直接糖化作用，由于糖的分解会使得率降低；而高温条件下稀酸预处理对纤维素水 解效果较好。因为木聚糖占木质纤维原料中碳水化合物的三分之一，稀酸水解中木 聚糖到木糖的转化率必须达到很高，这样才能使整个生产经济可行【1 3 1 。稀酸预处理 方法主要有两种：低固体载荷( 5 1 0 ，底物重量反应混合物重量) 、高温( 温 度超过1 6 0 ) 、持续流动；高固体载荷( 1 0 4 0 ) 、低温( 温度低于1 6 0 ) ， 间歇流动。尽管稀酸预处理可以高效地促进纤维素水解，但是其成本比物理化学法 比如蒸汽爆破法n = 戈a f e x 法要高，而且预处理后必须将p h 值调到中性以便于后续酶 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 法水解或发酵。 碱水解：某些碱可以用来预处理木质纤维原料，处理效果主要取决于原料中的 木素含量。碱水解的机理是基于连接木聚糖半纤维素和其他组分内部分子之间( 比 如木素和其他半纤维素之间) 酯键的皂化作用。连接键的脱除增加了木质纤维原料 的多孔性。稀氢氧化钠处理引起木质纤维原料润胀，结果导致内部表面积增加，聚 合度降低，结晶度下降，木素和碳水化合物之间化学键断裂，木素结构受到破坏。 随着木素含量从2 4 5 5 降低到2 0 ，氢氧化钠处理的阔叶木消化性从1 4 增加到 5 5 。但是稀氢氧化钠预处理对于木素含量超过2 6 的针叶木没有效果。对于木素 含量低( 1 0 1 8 ) 的草类原料，稀氢氧化钠预处理是有效的。c h o s d u 0 4 等人采 用光照和2 氢氧化钠相结合的方法对玉米秸秆等原料进行预处理，发现未经预处理 的玉米秸秆葡萄糖得率为2 0 ，而电子束照射和2 氢氧化钠处理后得率为4 3 氨 也被用来脱除木素，l y c r 【”】等人阐述了氨回收过滤法( 温度1 7 0 ( 2 ，氨用量2 5 2 0 ，反应时间l h ) 处理玉米穗轴杆混合物及柳枝稷木质原料，脱木素率分别为8 0 和6 5 8 5 。 氧化脱木素：在过氧化氢存在的情况下木素可被过氧化物酶催化降解。采用过 氧化氢预处理甘蔗渣能增强其对酶水解的敏感度。在2 过氧化氢、3 0 c 条件下预处 理8 h ，后续糖化作用中( 4 5 条件下经过纤维素酶水解2 4 h ) 大约5 0 的木素和大 部分半纤维素溶解，纤维素转化成葡萄糖的转化率为9 5 。劭e n _ e 【嘲等人研究发现 ( 2 0 9 几麦草，1 7 0 c ，5 1 0 m i n ) 经氧化和碱预处理后水解，麦草纤维素转化成葡 萄糖的转化率可达8 5 。 有机溶剂法：在有机溶剂法中，有机溶剂或水性有机溶剂和无机酸催化剂混合 物可用来断裂木素和半纤维素内在的化学键。使用的有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙 酮、乙烯基乙二醇、三甘醇及四氢化糠基乙醇。有机酸比如草酸、乙酰水杨酸和水 杨酸可作为有机溶剂法的催化剂。在高温条件下无需添加催化剂即可获得满意的脱 木素度。使用的溶剂经过排放、蒸发、浓缩和回收处理，既可降低成本又避免了阻 碍微生物生长、酶法水解和发酵的化合物生成 物理化学预处理 蒸汽爆破法( 自动水解) ：蒸汽爆破法是常用的木质纤维原料预处理方法i l h 。 在此方法中，木片通过高压饱和蒸汽处理，然后压力骤减，使原料经受爆破性减压 而碎裂。蒸汽爆破法的典型反应条件为：1 6 0 2 6 0 ( 相应的压力为0 6 9 4 8 3 m p a ) ， 作用时间为几秒或几分钟。该方法由于高温引起半纤维素降解，木素转化，使纤维 素溶解性增加。蒸汽爆破法预处理的杨木木片酶法水解效率可达9 0 ，而未经预处 理的木片水解效率仅为1 5 。影响蒸汽爆破预处理的因素有停留时间、温度、原料 大小及水分含量。在高温条件下较短的处理时问( 2 7 0 ，lm i n ) 或者低温条件下 重庆大学硕士学位论文1 绪论 较长的处理时间( 1 9 0 ，1 0m i n ) ，均可得到优化的半纤维素的增溶以及水解效果 l l 硼。最近的研究表明低温和较长的停留时间更加有利于水解【1 9 1 。在蒸汽爆破过程中 添加h 2 s 0 4 ( 或s 0 2 ) 或c 0 2 可以有效地促进酶法水解，降低阻碍水解的化合物生成， 使半纤维素脱除更加完全。爆破法预处理的优点是：比机械磨碎法能耗低、无环保 或回收费用。在相同的木片长度减少量下，机械法比蒸汽爆破法消耗的能量高 7 0 1 2 0 j 。对阔叶木和农业废弃物的预处理来说，蒸汽爆破法是低成本的方法之一， 而对针叶木则不然【2 1 1 。木聚糖的部分破坏、木素碳水化合物复合体的不完全破坏及 阻碍微生物活性的化合物的产生都限制了蒸汽爆破法的发展瞄l 。预处理后木质纤维 原料要经过洗涤以除去抑制物和水溶性半纤维素，一般情况下洗涤会脱除2 0 e 0 2 5 的绝干物质，导致整个多糖得率降低圆。 氨法纤维爆破( a f e x ) ：a f e x 是另一种物理化学法，概念和蒸汽爆破法相似。 在这种方法中木质纤维原料在高温高压下暴露在液氨中一段时间，然后压力骤减。 在典型的a f e x 法中，液氨的使用量为1 2 9 g ( 氨，绝干原料) ，温度9 0 ，停留时 间3 0 m i n 。a f e x 预处理可以显著地提高各种草本农作物和草的多糖得率。可以用来 处理许多木质纤维原料包括苜蓿、麦草、麦糠团】、大麦草、玉米秸秆、稻草、地方 固体废料、针叶木新闻纸和红麻新闻纸、杨木片和甘蔗渣。与蒸汽爆破法预处理相 比，a f e x 法不能显著地溶解半纤维素。m e s - h a r r t r e e l 2 3 等人比较了蒸汽爆破法与 a f e x 法预处理酶法水解的白杨、麦草、麦糠和苜蓿原料，发现蒸汽爆破法使半纤 维素溶解，而删法则没有。a f e x 法预处理后的原料成分和初始原料几乎相同。 百慕大草( 大约5 的木素) 、甘蔗渣( 1 5 的木素) 预处理后可以获得超过9 0 的 纤维素和半纤维素。但是创陋x 法对木素含量高的原料效果不明显，如新闻纸( 1 8 3 0 木素) 和白杨木片( 2 5 木素) 相应的预处理水解得率为4 0 0 0 ，低于5 0 。 为了降低成本，减少对环境的污染，a e x 法预处理后必须回收剩余的氨。可 采用2 0 0 1 2 过热氨蒸发法汽提剩余的氨，然后控制压力使蒸发出来的氨从系统中抽提 出来。氨预处理不会产生阻碍酶水解的化合物，所以不必进行洗涤田j 。另外a f e x 法所需原料尺寸不必很小。 c 0 2 爆破法：与蒸汽和氨爆破法一样，c 0 2 爆破法也是对木质纤维原料预处理 的方法。所不同的是c 0 2 法强调处理过程中c 0 2 必须形成碳酸以增加水解率。使用这 种方法对苜蓿原料预处理后 4 9 k g ( c 0 2 纤维) ，5 6 2 m p a 压力】，经壶q 2 4 h 酶法水解 获得的葡萄糖得率为7 5 ，比蒸汽和氨爆破法预处理低，但是比未经预处理的酶法 水解得率高。z h e n g 酬等人比较了回收混合废纸、甘蔗渣和重新制浆废纸的c 0 2 、 蒸汽和氨爆破法预处理，发现c 0 2 爆破法比氨爆破法更加有效，而且没有产生蒸汽 爆破法阻碍水解的化合物。 生物预处理 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 在生物预处理法中，褐腐菌、白腐菌和软腐菌等微生物被用来降解木素和半纤 维素。褐腐菌主要攻击纤维素，白腐菌和软腐菌攻击纤维素和木素。生物预处理法 中最有效的白腐菌是担子菌类。h a t a k k a 2 5 l 研究了1 9 种白腐菌预处理麦草效果，发现 在5 星期内3 5 的麦革被糙皮侧耳菌( p l e u r o t u so s 把a t u s ) 转化成还原糖。为了降低 纤维素的损失，可采用较少纤维素酶变种的侧孢霉属白腐菌p u l v c r u k m l u m 来降解木 片中的木素。据报道吲两种白腐菌对百慕大草有降解作用，用白腐菌c e r i p o r i o p s i s s u b v e r m i s p o r a 和c y a t h u ss t c r c , o l - c u s 预处理6 周，生物降解率分别提高到2 9 3 2 和6 3 7 7 。白腐菌黄孢原毛平革菌( p c h r y s o s p o d u m ) 在二次代谢过程中产生木 素降解酶、木素氧化酶和依赖锰过氧化物酶。其它酶，包括多酚氧化酶、漆酶、h 2 0 2 产生酶和醌还原酶也能降解木素田】。生物预处理的优点是能耗低，所需环境条件温 和。但是生物预处理后水解得率很低。 1 2 3 纤维素的糖化 酸法糖化 浓酸糖化：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。w i u i a m a f a r o n e l 2 s 等人提出的浓酸水解工艺：生物 质原料干燥至含水1 0 左右，并粉碎到约3 5 m m 。把该原料和7 0 7 7 的硫酸混 合，以破坏纤维素的晶体结构，最佳酸液和固体质量比为1 2 5 ：1 ，糖的水解收率达 到9 0 左右。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。浓硫 酸法糖化率高，约有8 0 9 0 纤维素能被糖化，糖液浓度高，但采用了大量硫酸， 需要回收重复利用。 稀酸糖化：稀酸水解工艺较简单，是木质纤维素原料生产酒精的最古老的方法， 也是较为成熟的方法。革新的稀酸水解工艺采用两步法 2 9 1 第一步稀酸水解在较低 的温度下进行，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。主要工艺为刚：木质纤维原料被粉碎到粒径2 5 e m 左右，然后用稀酸浸泡处理，将原料转入一级水解反应器，温度1 9 0 ，0 7 硫酸 水解3 m i n 。可把约2 0 纤维素和8 0 半纤维素水解。水解糖化液经过闪蒸器后，用 石灰中和处理，调p h 后得到第一级酸水解的糖化液。将剩余的固体残渣转入二级水 解反应器中，2 2 0 ，1 6 硫酸处t 塑3 m i n 。可将剩余纤维素中约7 0 0 转化葡萄糖，3 0 转化为羟基糠醛等。经过闪蒸器后，中和，得到第二级水解糖液。合并两部分糖化 液，转入发酵罐，经发酵生产得到乙醇等产品。在稀酸水解中添加金属离子可以提 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 高糖化收率。金属离子的作用主要是加快水解速度，减少水解副产物的发生。近年 来，f e 离子的助催化作用的研究令人关注。q u a n g a n g u y e n 3 1 l 等人详细研究了f e 离 子的催化效果。华东理工大学等单位也对二价f e 离子的催化效果进行了详细研究。 总的说来，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 对发酵有害的副产品。 酶法糖化 纤维素酶是一种多组分的复合酶，现已确定纤维素酶含有3 种主要组分，即内切 型一1 3 葡聚糖酶、外切型b 葡聚糖酶和b 葡萄糖萤糖酶。天然纤维素水解成葡萄 糖的过程中，必须依靠这3 种组分的协同作用才能完成。纤维素大分子的物理结构是 由分子链排列整齐、紧密的结晶区和结构疏松但取向大致与纤维主轴平行的无定形 区交错结合的体系。在纤维素水解过程中，首先由内切型1 3 葡聚糖酶优先在纤维 素聚合物的内部起作用，在纤维素的无定形区进行切割，产生新末端，生成较小的 葡聚糖；然后再由外切型- b 葡聚糖酶作用于末端基释放出纤维二糖和其他更小分 子的低聚糖；最后由b 葡萄糖苷酶将纤维二糖分解为葡萄糖分子【3 2 l 。纤维二糖的积 累对于内切和外切葡聚糖酶的催化作用有强烈的抑制影响，解除该抑制作用是实现 纤维性材料完全酶解的重要条件。纤维素酶吸附于纤维素表面是纤维素发生水解的 必需条件，纤维二糖并不影响纤维素酶的吸附，但它可结合在外切型b 葡聚糖酶 活性部位附近的色氨酸残基上形成“位阻效应”，阻止纤维素分子链进入活性中心， 造成纤维素酶对纤维素的“无效吸附” 3 3 1 。 1 2 4 纤维素发酵生产乙醇 纤维素是一种有1 0 0 1 0 0 0 个1 3 - d 吡喃型葡糖糖单体以b 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。在工业上纤维素经酸解 或酶解预处理后，释放出的葡萄糖( 六碳糖) 和木糖( 五碳糖) 可进入发酵途径， 见图2 1 。 木糖过去一直被认为不能被微生物发酵成乙醇。k a r e z g w s k a 于1 9 5 9 年第一次提 出了用木糖发酵乙醇 3 4 1 ，但这个发现未引起人们的足够重视。直至1 1 9 8 0 年，w a n g 等人提出，木糖可被一些微生物发酵成乙醇。此后，在国际上掀起了一股戊糖乙醇 发酵生成乙醇的研究热潮，迄今为止已发现1 0 0 多种微生物能代谢木糖生成乙醇【3 5 j ， 包括细菌、真菌、酵母菌。其中胶木的木糖发酵能力最强，目前人们研究最多且最 有工业应用前景的木糖发酵产乙醇的微生物有3 种酵母菌即管囊酵母( p a c h y s o l e n t a n n c p h i l u s ) 、树干毕赤酵母( p i c h i as t i p i t s ) 和休哈塔假丝酵母( c a n d i d as h e c h a t a e ) 纤维素发酵生成乙醇的方法有直接发酵法、间接发酵法、混合菌种发酵法、等 温同时糖化发酵法( s s f 法) 、非等温同时糖化发酵法( n s s f 法) 、固定化细胞发酵 法等。本实验采用等温同时糖化发酵法( s s f 法) 进行发酵。 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 直接发酵法 本方法的特点是基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产乙醇，不需要经过酸解 或酶解前处理过程。吕福英等例分离出能直接发酵纤维素生产乙醇的高纯富集物， 利用起能直接将木质纤维素材料发酵成乙醇。该工艺方法设备简单，成本低廉；但 乙醇产率不商，产生有机酸等副产物。利用混合菌直接发酵，可部分解决这些问题。 例如热纤梭菌( c l o s t r i d i u mt h e r m o c e l l u m ) 能分解纤维素，但乙醇产率较低( 5 0 ) ， 热硫化氢梭菌( c l o s t r i d i u mt h e r m o v d r o s u l p h a i r c u m ) 不能利用纤维素，但乙醇产率 相当高，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。 异构化发酵 图1 1 木质纤维素发酵制备乙醇的流程 f i 9 1 1t h ef e r m e n t a t i o nr o u t eo f e t h a n o lp r 聊 a f i o nw i t hl i n g o c e l l u l o s e 间接发酵法 先用纤维酶水解纤维素，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， 必须不断的从发酵罐中移出，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 t i l e 法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。 同时糖化发酵法( s s f 法) 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 由于纤维素水解和乙醇发酵所需的酶系通常来自不同的微生物，最佳的反应条 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，要么扩大溶剂降低反 应液中可溶性糖的浓度。这都要增加酶解过程的生产成本。为了克服反馈抑制作用， g a u s s 等州( 1 9 7 6 年) 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 糖化发酵法印j ( 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 df e r m e n t a t i o n ，s s f ) 。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 存在一些一直因素，如木糖的抑制作用、糖化和发酵温度不协调等。 纤维素类物质中大多含木质素、半纤维素。木质素在预处理过程中绝大部分已 经被除去。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 素酶的抑制作用可达1 0 。消除木糖抑制的方法是利用能转化与利用木糖为乙醇的 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利用木糖 的菌株混合发酵，与单纯利用葡萄糖发酵菌和单纯利用戊糖发酵菌种相比，乙醇的 产量分别提高3 0 3 8 和1 0 3 0 。 非等温同时糖化发酵法( n s s f 法) 在纤维素酶糖化过程中，纤维素酶的最适温度为5 0 c 左右，而酵母发酵的控制 温度是3 1 3 8 。z h a n g w e nw u 等例( 1 9 9 8 年) 提出了利用非等温同时糖化发 酵法( n o n i s o t h e r m a ls 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 df e r m e n t a t i o n ，n s s f ) 生产乙 醇的工艺流程。利用n s s f 法能很好地解决了纤维素酶糖化与胶木发酵两个过程中温 度不协调的矛盾。 固定化细胞发酵 固定化细胞发酵具有能使发酵罐内细胞浓度提高，细胞可连续使用，使最终发 酵液乙醇浓度得以提高。研究最多的是酵母和运动发酵单孢菌的固定化。常用的载 体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃等。研究结果表明，固定化运动发酵单孢菌比酵 母更具优越性。最近有将微生物固定在气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细胞发酵，如酵母与纤 维二糖酶一起固定化，将纤维二糖基质转化成乙醇，此法引人注目，被看作是纤维 素生产乙醇的重要阶段。夏黎明等1 3 9 1 采用海藻菌钠包埋进一步增殖培养，将休哈塔 假丝酵母( c a n d i a as h e l l m a er ) 的细胞密集固定在凝胶珠表层，大大减小了传递阻 力，为该菌的“半好气”发酵创造了有利条件，固定化增殖酵母能利用己糖和戊糖 及s o d l 的混合糖( 己糖和戊糖各占一半) ，经1 2 h 发酵，糖的利用率为9 0 5 以上( 而 相同条件下的游离细胞发酵需要4 8 h ) 邓旭等t 4 0 1 ( 1 9 9 5 年) 提出了利用固定化啤酒 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 酵母和固定化毕赤酵母串联发酵混合糖制取酒精这一种具有工业前景的新工艺，它 实现了发酵过程的连续化操作，又消除了葡萄糖效应对木糖的影响，保证了木糖发 酵与葡萄糖发酵在串联流程中的同步性，从而大大缩短了混合糖发酵与葡萄糖发酵 的周期，保证了整体发酵速率。同时，邓旭 4 1 1 ( 1 9 9 7 年) 还对固定化啤酒酵母和固 定化毕赤胶木在两个串联的固定床内连续发酵由葡萄糖和木糖组成的混合糖制取的 过程，建立了连续发酵的非结构动力学模型，并成功地引入了一个综合考虑颗粒相 内外传质的总有效因子简化模型的计算。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要针对“木质纤维素原料制备燃料乙醇的研究”这一问题进行研究和探 讨。首先根据国内外相关理论，提出若干处理的方案，并通过实验论证这些方案的 效率及可靠性，从中寻找到最佳的制备燃料乙醇的工艺条件，从而为优化纤维素原 料制备燃料乙醇的工艺探索新的途径。主要研究内容如下： ( 1 ) 从单一纤维素原料入手( 稻草秸秆) ，在预处理条件相同的情况下，着重 考察发酵温度，发酵时间，接种量，接种比例，纤维素酶用量对乙醇产率的影响。 分别确定出最佳发酵温度，最佳发酵时间，最佳接种量，最佳接种比例和最佳纤维 素酶用量。 ( 2 ) 从其他单一纤维素原料入手，在稻草秸秆原料的前提下确定的最佳发酵温 度，最佳发酵时间，最佳接种量，最佳接种比例和最佳纤维素酶用量的情况下用同 时糖化法进行发酵，测定酒精产量，从而确定各种纤维素原料酒精产量情况。 ( 3 ) 在稻草秸秆原料的前提下确定的最佳发酵温度，最佳发酵时间，最佳接种 量，最佳接种比例和最佳纤维素酶用量的情况下，尝试对混合组分的纤维素原料进 行发酵实验，研究各种不同原料及混合原料的酒精产率。 重庆大学硕士学位论文 2 实验方法 2 实验方法 2 1 实验方案 2 1 1 稻草秸秆的发酵实验 实验材料与设备 材料和试剂： ( 1 ) 稻草秸秆，取自重庆市郊( 2 0 0 6 年当年产) ( 2 ) 纤维素酶( 滤纸酶活1 0 0 0 0 i u g ，购于重庆市白马凼化学药品仓库) ，重 铬酸钾( 分析纯) ，无水乙醇( 分析纯) ，浓硫酸( 9 8 ，分析纯) ，n h 4 h c 0 3 ( 分 析纯) 。 ( 3 ) 管囊酵母( 1 7 7 0 ) 、酿酒酵母( 1 0 0 1 ) ，购于中国工业微生物菌种保藏管 理中心 (