（材料学专业论文）木质纤维素制备燃料乙醇的研究.pdf

摘要 木质纤维素制备燃料乙醇的研究 摘要 木质纤维素是世界上最丰富的碳水化合物资源。随着地球上不可再生 资源化石燃料日益耗尽，利用生物技术将木质纤维素通过生物转化生成可 替代化石燃料的酒精具有重大意义。 木质纤维素发酵制备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，针对发酵过程中影响因素一 一发酵温度、发酵时间、酵母用量进行了一系列的研究。并利用该条件， 对葡萄糖、纤维二糖混合糖的发酵进行了初步的研究。 本文在基因重组酵母p y b g a l 酵母对葡萄糖和纤维二糖的共发酵， 利用基因重组酵母一p y b g a l 酵母在厌氧条件下发酵木质纤维素水解液 生产乙醇，以及利用木质纤维原料生产乙醇的关键技术集成等方面的研究 具有明显的特色与创新，该酵母采用了由日本酒类综合研究所培养的 p y b g a l 酵母。相关研究结果不仅有一定的学术价值，而且在促进可再 生木质纤维素资源的转化利用、缓解人类的粮食危机、降低燃料乙醇的生 产成本等方面具有重要的现实意义。 关键词：燃料乙醇；木质纤维素；生物能源；发酵 t h ec o n v e r s i o nt e c h n o l o g i e sf r o m l i g n o c e l l u l o s i cb i o m a s st oe t h a n o l a b s t r a c t l i g n o c e l l u l o s i ci st h em o s ta b u n d a n tf o r mo fc a r b o h y d r a t eo ne a r t h w i t h t h ei n e v i t a b l ed e p l e t i o no ft h ew o r l d sn o n r e n e w a b l ef o s s i le n e r g yr e s o u r c e s ， t h e r eh a sb e e na ni n c r e a s i n gw o r l d w i d ei n t e r e s ti na l t e m a t i v en o n f o s s i l b a s e d s o u r c e so fe n e r g y t h r o u g hb i o t e c h n o l o g yl i g n o c e l l u l o s i cb i o m a s sc a nb e c o n v e r t e dt oe t h a n 0 1 ap r o m i s i n ga l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c ef o rt h el i m i t e d c r u d eo i l t h ep o t e n t i a lo fb i o t e c h n i c a lp r o c e s s e sb a s e do ne n z y m a t i c h y d r o l y s i so fc e l l u l o s i cm a t e r i a l si se n o r m o u s 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 i cf e r m e n t a t i o n c 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 c c h a r i f i c a t i o no fc e l l u l o s e a n df e r m e n t a t i o no fc 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 t t h e o r ya n du e s e dt h er e p o r t e dr e s e a r c hf i n d i n g s ，t h e e 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 sh a s r e s e a r c h e d t h ef a c t o r si 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 n o fi n o c u l u m 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 no t h e rc e l l u l o s es t u f fs u c ha sg l u c o s ea n d c e l l o b i o s i ch a v eb e e nd o n e t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dn o v e l t yi nt h i sd i s s e r t a t i o nw a so b v i o u si nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ：c o l e r m e n t a t i o no fg l u c o s ea n dc e l l o b i o s et oe t h a n o lb y r e c o m b i n a n t y e a s t p y b g a l ，e t h a n o l p r o d u c t i o n f r o m h y d r o l y s a t e s o f l i g n o c e l l u l o s i cb yr e c o m b i n a n ty e a s t p y b g a1 a n di n t e g r a t i o n o fk e y t e c h n o l o g i e si ne t h a n o lp r o d u c t i o nf r o ml i g n o c e l l u l o s i cb i o m a s s r e c o m b i n a n t y e a s t p y b g a 1f o r mj a p a n sn a t i o n a li n s t i t u t eo fa l c o h 0 1 t h e s er e s u l t sw e r e m e a n i n g f u ln o to n l yi na c a d e m i cr e s e a r c h a l s oi nu t i l i z a t i o no fr e n e w a b l e l i g n o c e l l u l o s i cb i o m a s s ，d e c r e a s i n gt h ep r o d u c t i o nc o s to ff i l e le t h a n o l ，a n d a l l e v i a t i n gt h ew o r l dg r a i nc r i s i s k e t w o r d s ：b i o e t h a n o l ；l i g n o c e l l u l o s i c ；b i o - - e n e r g y ；f e r m e n t a t i o n i i 北京化工大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。 作者躲鞭喃粤业 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：二阻 导师签名：乏一主一查 日期： 翌孥：! 亟：翌 日期： 第章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 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 】。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1 1 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：- t 2 1 ，其 中用发酵法生产乙醇占绝对优势，8 0 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。 木质纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资涮3 1 ，木质纤维原料是地球上 最丰富、最廉价的可再生资源【4 1 。全世界每年通过光合作用产生的木质纤维生物质高 达1 0 0 0 亿吨，其中8 9 目前尚未被人类利用【5 l 。我国的木质纤维原料也非常丰富， 每年仅农作物秸秆就有7 亿多吨，加上数量巨大的林业纤维废料和工业纤维废渣，每 年可利用的木质纤维原料总量可达2 0 亿吨以上。木质纤维原料中纤维素约占干重的 3 5 , , - , 4 5 ，半纤维素约占2 0 - - , 4 0 ，采用适宜技术将它们水解成可发酵性糖，进一步发 酵生产乙醇 6 - 8 ，有可能改变传统的生产方式，对我国经济和社会的可持续发展具有十 分重大的意义【9 1 。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，污染了坏 境，而且由于秸秆燃烧的能量利用率低，造成资源严重浪费【l 们。 尽管酒精燃烧时产生的热能比汽油低( 酒精为2 2 1 m j l 、汽油为3 4 3 m j l ) ，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 第一章绪论 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、日本等国都已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。 我国政府也己将纤维素发酵生产酒精引入国家发展计划，2 0 0 0 年9 月国务院正式 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。 1 2 纤维素原料制备乙醇的研究现状 1 2 1 国际纤维素燃料乙醇工业化发展现状 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，到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l o 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 ) i l l 】。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 , - - - - 1 1 。 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 2 北京化工大学硕士学位论文 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( 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；日辉公司负责前处理、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素 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 t d 的 商用纤维素乙醇装置，成本目标定在2 5 日元l ，将低于美国现有水平挖】。 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。 1 2 2 我国纤维素燃料乙醇工业化发展现状 目前我国有一些科研机构、大学和企业在这方面也开始了研发工作，取得了一些 进展。2 0 0 6 年6 月，河南天冠集团建成投产了我国首条秸秆乙醇中试生产线，标志着 3 第一章绪论 我国在生物质能源利用领域已跻身世界行列。目前，一条年产3 0 0t 乙醇的中试生产 线已建成投产，6t 麦秸可变成lt 乙醇。“十一五”期间，该集团以秸秆生产乙醇的成 本可望与粮食生产乙醇基本持平。 上海华东理工大学能源化工系，承担国家8 6 3 项目的“农林废弃物制取燃料乙醇 技术”研究，近年已进入工业性试验阶段。在上海奉贤已建成年产燃料乙醇6 0 0t 的 示范工厂，接下来的问题就是如何产业化。按照现在的技术，每吨燃料乙醇的生产成 本在5 5 0 0 元左右，如果国家不补贴，就没有多少市场竞争力。因此，还必须在降低 成本上下功夫。吉林轻工业设计研究院( 内有联合国援华玉米深加工研究中心) 吉林沱 牌农产品开发公司与丹麦瑞速国家实验室合作研究“玉米秸秆湿氧化预处理生产乙 醇 ，2 0 0 3 年开始，2 0 0 5 年阶段性鉴定，规模为1 0 l 发酵罐，阶段性试验结果为：在 实验室条件下，玉米秆经湿氧化预处理后纤维素得率7 8 2 8 3 6 ；酶水解后酶解 率8 6 4 ；糖转化为乙醇产率4 8 2 。在只利用六碳糖的情况下( 即五碳糖尚未利用) ， 7 8 8t 玉米秆产lt 乙醇。河北农业大学食品科技学院实验室研究用c 0 2 爆破法对纤维 物质预处理后用稀酸水解半纤维素，然后用酶法水解纤维素转化为单糖，发酵乙醇。 江南大学生物工程系实验室试验：以玉米芯先用浓酸处理后稀酸水解得糖率为8 1 ， 石灰中和后，接种酵母发酵生产乙醇，题为“酸两步水解法 。山东大学微生物技术 国家重点实验室开展“纤维素原料转化乙醇关键技术 研究。对预处理方法试验：酸 水解工艺、蒸汽爆破、低温氨爆破等方法，对纤维素酶高产菌的筛选和诱变育种、用 基因手段提高产酶量或改进酶系组成、纤维素酶生产技术、天然废物利用策略等研究。 目前中国在乙醇生产过程中，虽然应用的是可再生原料，但是在乙醇生产过程中 需要消耗大量的化石能源，生产折合1 t 标准煤计量的乙醇，需要消耗约0 8 t 的标准煤。 从这个意义讲，燃料乙醇的生产更多意义上是化石燃料的形式转化，还不能称之为绿 色能源，目前中国煤的价格较低，因此生产乙醇还有一定的发展空间，但以消耗大量 的化石能源生产燃料乙醇不具有可持续发展的意义。 1 2 3 原料的预处理 木质纤维原料主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，构成了植物的细 4 北京化工大学焉士学位论文 胞壁，对细胞起保护作用。纤维素分子捧列规则、聚集成束，由此决定了植物细胞壁 的构架。在纤丝构架之间充满了半纤维素和术质素。植物细胞壁的结构非常紧密。在 纤维素、半纤维素和术质素分子间存在着不同的结合力。纤维素和半纤维素或木质素 分子之间的结合主要依赖于氢键半纤维素和木质素之间除氢键外，还存在着化学键 的结合。木质纤维原料的结构示意图【” ，如图1 - 1 所示。 # 质i邯 f 讯毒 j雾 ! 蚕 巨 q 一 f j 一1 除。j 图i - i 木质纤维素结构示意图 f i gl - i t h es c h 锄n a f i c d i a s r m n o f l i g n o c c l l u l o , 鸵s h u c t 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、三级结构与术素、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。半纤维素是一大类结构不同的多聚 糖的总称，主要是由术藉、葡萄糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等连接而成的高分枝 非均一聚糖。各种糖所占比例随原料不同而变化，一般术糖占一半以上。半纤维素排 列松散，无晶体结构，故比较容易被水解成单耱。木质素：自然界最丰富的芳香族多 聚物，具有酚类物质的性质。木质素是以苯基丙烷为基本结构单元连接的高分枝多分 散性高聚物。术质素有一定的塑性，不溶于水，一定浓度的酸或碱可使其部分溶解。 木质素不能水解为单糖，且对纤维素酶和半纤维素酶降解纤维原料中的碳水化合物有 空间阻碍作用，从而降低反应速率。表1 _ l 总结了植物细胞壁中纤维素、半纤维素和 术质素的结构和化学组成。 第一章绪论 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 e l l 咖c t i l i a n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc e l l u l o s e ，h e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i ni np l a n tc e l l sw a l l 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。 物理预处理 物理预处理法包括机械粉碎、热解、微波处理【1 5 】，超声波处理【1 6 】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、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l o - - - 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 5l jm 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。 6 北京化工大学硕士学位论文 热解预处理，当加热到3 0 0 ( 2 以上时，纤维素迅速分解为气体和残留固体【1 7 1 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【1 8 】。在热解过程 中，加入0 2 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( h 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。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【2 0 】。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。稀酸预处理方法主要有两种：低 固体载荷( 5 l o ，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 ( 2 ) ，间歇流动。尽管稀酸预处 7 第一章绪论 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或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 0 o 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 2 1 1 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 d 2 2 】等人阐述了氨回收过滤法( 温度1 7 0 c ，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 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 4h ) 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 。b j e r r e 2 3 1 等人研究发现( 2 0 9 l 麦草，1 7 0 ，5 - - - , 1 0r a 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【1 7 】。在 8 北京化工大学硕士学位论文 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 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间( 2 7 0 ，1m i n ) 或者低温条件下较长的处理 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【7 4 】。最近的研 究表明低温和较长的停留时间更加有利于水解f 2 5 】。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 f 2 引。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 7 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2 8 1 。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 2 5 的绝干物质，导致整个多糖得 率降低【2 9 】。 氨法纤维爆破( a m m o n i af i b e re x p l o s i o n ，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l - 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、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 【2 9 】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a f e x 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a f e 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 ，低于5 0 。 9 第一章绪论 为了降低成本，减少对环境的污染，a f e x 法预处理后必须回收剩余的氨。可采 用2 0 0 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【3 0 1 。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】，经过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 e 3 1 1 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 许多白腐真菌具有分解木质素的能力，利用这类真菌可以降解纤维原料中的木质 素，从而提高纤维素的酶解效率。由白腐真菌产生的木质素分解酶类主要有木素过氧 化物酶、锰过氧化物酶和漆酶。生物法预处理条件温和，能耗低，无污染，但通常处 理的时间较长，而且许多白腐真菌在分解木质素的同时也消耗部分纤维素和半纤维 素。 1 2 4 纤维素的糖化 酸法糖化 最古老的纤维素糖化方法是以酸解为基础的。酸法水解糖化纤维素的方法从1 8 1 9 年就开始应用，最早在德国等欧洲国家就进行了此工艺的研究，并形成了以此工艺为 基础的工业化生产。所用无机酸有盐酸、硫酸、亚硫酸、磷酸、氢氟酸、硝酸和甲酸。 常用的是盐酸和硫酸。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，材料问题已可解决，在有廉价盐酸来源 时，可考虑用于水解。 浓酸糖化：浓酸水解在1 9 世纪即已提出，它的原理是结晶纤维素在较低的温度 l o 北京化工大学硕士学位论文 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。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。浓酸水解过程为单相水解反应，纤维素在浓酸作用 下首先溶解，然后在溶液中进行水解反应。浓酸能够迅速溶解纤维素，但并不是发生 了水解反应。浓酸处理后成为纤维素糊精，变得易于水解( 纤维素经浓酸溶液生成单糖， 由于水分不足，浓酸吸收水分，单糖又生成为多糖，但这时的多糖不同于纤维素，它 比纤维素易于水解) ，但水解在浓酸中进行得很慢，一般是在浓酸处理之后再与酸分离， 使用稀酸进行水解。 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。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：木质纤维原料被粉碎到粒径2 5 c 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 c ，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 c ， 1 6 硫酸处理3 m i n 。可将剩余纤维素中约7 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。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 第一章绪论 型1 3 一葡聚糖酶、外切型1 3 葡聚糖酶和1 3 葡萄糖苷糖酶。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1 3 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 】。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1 3 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 。 1 2 5 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 一d 吡喃型葡糖糖单体以1 3 1 ，4 一糖苷键连接的直 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。 木糖是木质纤维原料水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖，由半纤维素水解 生成，含量可达植物纤维水解糖类的3 5 以上。研究表明，充分利用木质纤维原料中 的木糖发酵生成乙醇，能使木质纤维原料乙醇发酵的产量在原有基础上增加2 5 ，因 此，木糖的乙醇发酵一直被人们视为木质纤维原料生物转化生产乙醇是否经济可行的 关键环节。 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。吕福英等嗍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 率不高，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 1 2 北京化工大学硕士学位论文 纤梭菌( c l o s t r i d i u mt h e r m o e 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。 异扮纯发酵 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 e p a r a t i o n 、 ，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、阿尔法一拉伐公司 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) 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( 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 1 3 第一章绪论 ( 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10 - 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 左右，而酵母发酵的控制温 度是3 1 3 8 c 。z h a n g w e nw u 等刚( 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茵的固定化。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，此法引入注目，被看作是纤维素生产乙醇的 重要阶段。夏黎明等【3 4 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 ns h e h a t 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8 0 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 1 4 北京化工大学硕士学位论文 的游离细胞发酵需要4 8 h ) 。邓旭等【3 s 1 ( 1 9 9 5 年) 提出了利用固定化啤酒酵母和固定化 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