秸秆生产乙醇.doc

秸杆变燃料乙醇 秸杆是一种可再生的自然能源资源，也是可以“合理永续地利用自然资源”，它不仅能缓解商品能源的短缺和提供高效饲料，而且有利于农业科技的全面推行和生物质的综合利用，对农村经济可持续发展和生态环境的保护起到积极的作用。秸杆能源化工程，可以提高综合利用率，大幅度地提高能源的洁净质量，解决了秸杆过剩造成的随意焚烧问题，是实现经济、社会、能源、生态、环境协调发展的有效途径。 秸杆的主要成分是木质纤维素。是纤维素、半纤维素和木质素混合在一起的材料。用木质纤维素作为糖源生产燃料酒精，目前糖的利用和转化率还很低，通常只有百分之十几。在秸秆中纤维素、半纤维素和木质素通过共价键或非共价键紧密结合而成的木质纤维，占秸杆总重量的约70-90左右。植物中三者各占的比例随不同来源的植物或植物的不同部分而有所区别，大概的比例数字为： 纤维素30-50%;半纤维素20-35%;木质素20-30%;灰份0-15%。其实纤维素的非结晶结构是很容易被打破的，它可以完全降解成葡萄糖，后者是发酵乙醇的原料。 目前遭遇的主要问题是，纤维素的结晶结构难以被破坏，致使人们无法完成后续处理。纤维素和半纤维素被难以降解的木质素包裹，使得纤维素酶和半纤维素酶无法接触底物，这构成了木质纤维素利用的重大障碍。只有经过有效的预处理方法，破坏了木质纤维素的高级结构，实现纤维素酶和半纤维素酶对纤维素的可及性，才能使木质纤维素作为自然界里最大宗的资源，像淀粉一样被人和动物完全利用。纤维素被纤维素酶水解的反应通常又称为糖化反应，水解的主要产物是单糖。植物细胞壁中，纤维素被半纤维素和木质素通过物理和化学作用所包裹，不利于纤维素酶对纤维素的进攻。木质素是由苯基丙烷聚合而成的一种非多糖物质。由芳香烃的衍生物以-C-C-键、-O-键纵横交联在一起，其侧链又与半纤维素以共价键结合，形成一个十分致密的网络结构，将纤维素紧紧包裹在里面。所以，要彻底降解纤维素，必须首先降解木质素。未经预处理的植物纤维原料的天然结构存在许多物理和化学的屏障作用，纤维素酶水解得率低，仅为10%20%。 禾本科植物秸秆含有的半纤维素一般为木聚糖，占干重的2530。半纤维素能被木聚糖酶( xylanase，EC3218)半纤维素酶，降解成木糖。 天然半纤维素水解产物的85-90%是木糖。以植物纤维素原料中的木糖发酵生产酒精，能使纤维素原料的酒精发酵的产量在原有的基础上增加25%。因此，木糖发酵生产酒精是决定植物纤维资源生产酒精经济可行的关键因素。酵母木糖代谢的途径比葡萄糖代谢的途径复杂得多。在代谢的过程中部分木糖转化为其它副产物。因此，酵母木糖代谢产生酒精的理论得率为0.46克酒精/克木糖，低于葡萄糖酒精发酵的理论得率为0.51克酒精/克葡萄糖。 代谢葡萄糖和木糖产生乙醇的总反应式如下： Glucose+ADP+Pi-2Ethnanol+2Co2+ATP 3Xylose+3ADP+3Pi-5Ethnanol+5Co2+3ATP 理论上1吨葡萄糖可生产539公斤的酒精（180份C6H10O6在酶的作用下生成88份CO2和92份C2H5OH）许多细菌、丝状真菌和酵母菌均可产生半纤维素酶。由于丝状真菌产生的胞外半纤维素酶便于分离和提取，产酶能力比一般酵母菌和细菌都高，并可以同时产生降解半纤维素支链所必需的多种辅助酶等优点，便于工业化推广应用。因此人们对丝状真菌的产酶研究较多，尤其是对木霉属和曲霉属的研究。同时，对这两种菌属产生的木聚糖酶的基本性质和降解产物特点也研究得较为透彻。里氏木霉（Trichoderma reesei）和黑曲霉（Aspergillus niger）具有稳定的生物学性状和高产半纤维素酶的能力，但由于同时含有纤维素酶基因，生长在含有纤维素的培养基中会同时产生较多的纤维素酶。 木糖一直被认为不能被微生物发酵转化成酒精。直到1980年科学家发现，一些微生物可通过发酵木糖产生酒精。如细菌、丝状真菌和酵母菌。至今已发现一百多种微生物能代谢木糖。细菌能发酵的糖类物质较多，除了单糖外还能发酵纤维素、生物高聚糖等，但细菌发酵的缺点是副产物多，酒精得率低，同时，高pH条件下的细菌发酵容易引起杂菌污染。与细菌一样，真菌不仅能发酵单糖，还能发酵二糖、纤维素和木聚糖等，真菌的这种特性特别适合于植物纤维原料的同步糖化发酵。有6个种的酵母菌能通过发酵木糖产生大量的酒精（嗜鞣管囊酵母 Pachysolen tannophilus、休哈塔假丝酵母 Candida shehatae、树干毕赤酵母 Pichia stipitis、季也蒙毕赤酵母、酒香酵母和产朊假丝酵母）。 与细菌的酒精发酵相比，酵母菌具有酒精耐受能力高，副产物少等优点。同时，经酵母菌发酵过的木质纤维素原料能直接用于饲料而不会产生毒性。酵母菌酒精发酵不易被细菌和病毒污染。 酿酒酵母是工业上生产酒精的优良菌种。但酿酒酵母不能发酵木糖，只能发酵木糖的异构体木酮糖。因此，人们正在设法构建能共发酵木糖-葡萄糖产生酒精的工程菌。 瑞典科学家对酿酒酵母菌进行了基因工程重组，把参与木糖代谢的全套酶基因从不生产酒精的真菌中克隆出来，整合到酿酒酵母菌的染色体中，从而使它能够把木糖转化为酒精。 运动发酵单孢菌（Zymomonas mobilis）的研究较为引人注目。这种菌虽是原核生物，是厌氧菌。但它的功能与酿酒酵母一样，它的酶系统能将己糖高效转化为酒精。酒精产率、得率高(1 mol葡萄糖可生成1.9 mol酒精)，耐酒精能力、抗纤维素原料水解液中的抑制物能力强。菌体生成少，代谢产物少，发酵温度高，不必定期供氧，酒精生产强度高（能够在相同原料条件下，产出的乙醇比酿酒酵母菌高出8倍多）等优点。但就是不能发酵木糖。美国的一个研究小组（Zhang.M)把大肠杆菌的戊糖代谢途径的基因组克隆到运动发酵单孢菌中，使之能将含25一40木糖的生物质发酵制成乙醇。正是由于这点差异，用运动发酵单胞菌来制取酒精能使生产成本降低。 工程微生物是利用基因移植技术构建的有特殊功能的微生物，也称其为转基因微生物。用这一方法生产酒精，不仅酒精纯度可达100，而且生产效率也比酵母发酵法高出30。美国佛罗里达大学构建的工程克氏杆菌，在将废纸转化为酒精时，产量达到了理论极限值的80。 半纤维素发酵制酒精:我国半纤维素水解，不论酸法和酶法水解，均有成熟经验。半纤维素水解液制木糖、木糖醇，均有一定工业规模，但是没有半纤维素发酵制酒精。国外有报道，利用特殊的酿酒酵母菌可使木糖发酵成酒精，也可以使木糖转换成木酮糖再用普通酿酒酵母发酵成酒精。美国Purdue大学可再生能源实验室利用基因工程发现了可将五碳糖转化为乙醇的转基因酶,使技术难度极大的“五碳糖发酵制乙醇技术”获得重大突破, 为燃料乙醇生产成本的降低提供了技术上的保证。 据1996年报道，稻草半纤维素水解液，用假丝酵母发酵，每克水解液中的还原物，可获得0.370.45克的酒精，即对糖得率3745。植物废料半纤维素水解得率一般为2025，玉米心达35，即每吨植物纤维废料半纤维素水解后，可获得对原料1015的酒精。植物纤维原料制取酒精包括4个过程：木质纤维素原料的预处理脱除木质素、纤维素和半纤维素糖化、糖液发酵和酒精蒸馏。由于戊聚糖占植物纤维原料干重的10%40%，植物纤维原料水解液中含有戊糖和己糖，其中戊糖（主要是木糖）占30%左右。因此，戊糖、己糖同步转化成酒精是决定植物纤维原料制取酒精经济可行的关键。利用可再生的植物纤维资源制取酒精目前存在的主要问题是成本偏高。选择性能优良的纤维素酶生产菌种和戊糖发酵菌种，以及进一步完善工艺达到降低生产成本的目的是未来该领域努力的方向。 目前国内外利用秸杆物质生产酒精的技术水平还是停留在先用纤维素酶产生菌株（或其产生的纤维素酶）分解秸杆物质产生戊糖和己糖，再由乙醇发酵菌把单糖转化为乙醇。不管是分步发酵还是混合发酵，人们都必须提供两种菌生长所需要的时间、原料和设备，其生产成本必定高于传统的淀粉发酵。因此，有必要使乙醇发酵菌获得分解秸杆物质的能力。人们多年来一直设法把一系列编码纤维素酶和半纤维素酶的基因重组进能利用单糖发酵生产酒精的工程菌中，使之能直接将秸秆分解成单糖，进而转化成酒精。近年来美国能源部鼓励采用具有分解纤维素、半纤维素的整套酶类、能发酵戊糖产生有机酸的某些极端嗜热细菌，设法引入乙醇发酵途径的基因，同时敲除细菌中的有机酸发酵途径，构建利用秸杆发酵乙醇代谢工程菌，这方面的前景非常诱人。纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的一类酶的总称。它不是单一组分的酶，而是多组分的复合酶系。纤维素酶主要包括3种组分：内切型葡萄聚糖酶（EC 3.2.1.4，EG），外切型葡萄聚糖酶（EC 3.2.1.91，CBH），纤维素二糖酶（EC 3.2.1.21，CB，或称葡萄糖苷酶，G），每一组分又由若干亚组分组成。纤维素水解生成葡萄糖的过程必须依靠这3种组分的协同作用才能完成。许多细菌、放线菌和真菌都能产生纤维素酶。目前应用于纤维素酶生产的菌种主要是木霉属（Trichoderma）、曲霉属（Aspergillus）、青霉属（Penicillium）、镰孢菌属（Fusarium）的菌种，其中最重要的是木霉属中的里氏木霉（Trichoderma reesei）。近几年来，采用原生质体融合技术来改良纤维素酶生产菌株的研究日益增多。美国Cetus公司用基因工程技术构建产纤维素酶的“工程酵母菌”获得了成功，该公司将里氏木霉的产酶基因移入酿酒酵母细胞中，通过这种“工程酵母”可由纤维素直接发酵获得乙醇和甘油。 用纤维素作原料时，酿酒酵母菌很难施展它的发酵本领。但是，微生物中的球菌、杆菌和一些真菌、放线菌等，能分泌出能分解纤维素的酶纤维素酶。用纤维酶先把纤维素分解成单个葡萄糖分子，然后酿酒酵母菌再把单糖发酵成乙醇。日本和韩国等国微生物学家，利用木霉和酿酒酵母菌的联合作用，也成功地用纤维素生产出了乙醇。有一种叫嗜热梭菌的微生物，它能够直接以纤维素作碳源生产乙醇。日本曾从温泉中分离出1株高温型产酒精细菌，它能利用稻草和废木材的纤维生产乙醇，也能把半纤维素，木糖等五碳糖发酵为乙醇。 1996年，美国可再生资源实验室（NREL）研究开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，由美国哈斯科尔工业集团公司建立了一个1MW稻壳发电示范工程：年处理稻壳12，000吨，年发电量800万度，年产酒精2，500吨，具有明显的经济效益。 加拿大的Iogen公司，利用从遗传工程真菌所制成的纤维素酶有效地使纤维素水解为葡萄糖和其它糖类。同时，采用常规的酿酒酵母使葡萄糖发酵为乙醇。专用的菌种还可使酵母发酵困难的其它糖类如戊糖进行发酵转化。Iogen能源公司拥有一套市值2230万美元的示范设备，用于以生物质原料生产乙醇的装置，该装置被认为是目前世界上同类装置中规模最大的。验证装置可使1.2万1.5万吨/年麦秸转化为300万400万升/年燃料级乙醇。采用这一新技术，可使生产费用减少到约0.23美分/公升。这是世界上第一个纤维素酒精示范设备（pre-commercial demonstration scale facility），日处理麦秸40吨（用酶来自于邻近的本公司的产酶厂）。该厂操控了涉及纤维素酒精生产的所有工序，包括接受和预处理每日达40吨的麦秸原料, 将纤维素转化成葡萄糖,发酵和蒸馏。雇员20人。燃料使用加工中的副产品-木质素。迄今为止，全世界已有几十套植物纤维原料经纤维素酶水解成单糖的中试生产线或试生产线，大部分是以酒精为最终主产品。这些试验或试生产机构包括美国陆军Natick研究发展中心，美国加州大学劳伦斯伯克莱实验室，美国阿肯色大学生物量研究中心，美国宾夕法尼亚大学，加拿大Iogen公司，加拿大Forintek公司，法国石油研究院，日本石油替代品发展研究协会，瑞典林产品研究实验室，瑞典隆德大学，奥地利格拉兹大学，芬兰技术研究中心，印度理工学院等。根据荷兰政府2003年5月生物酒精研发概况的报告，2002年全世界生产了211Mhl(450PJ)生物酒精（bioethanol），巴西59%,美国36%,欧洲2%,中国，加拿大和澳大利亚各1%。这些生物酒精都来自于传统原料（甘蔗，玉米，甘蔗，甜菜，小麦）。成本价是0.34欧圆/l（=16.2欧圆/GJ），是汽油的两倍（7.3欧圆/GJ）。原料价格占总成本的50%以上。并且由于传统原料获取有限造成大规模实现以酒精作为运输燃料的障碍。用木质纤维素作原料生产酒精在技术上目前遵循着用甜菜和富含淀粉的原料相同的途径。两者主要的区别是1.原料的预处理，2.木糖发酵酒精。用木质纤维素作原料生产酒精当前技术应用的障碍是产生大量的无机废物（石膏，硫酸钙）和高成本（0.35欧圆/l）。主要是酶解成本过高，占总纯生产成本的40-55%。另一个大障碍是缺乏经济可行的木糖发酵技术。虽然在运动发酵单孢菌(Z.mobilis)和E.coli研究上取得实质进展，但仍然还没有得到足够皮实的适合发酵五碳糖的微生物。上述过程改进后，预期将来的成本能降至0.23欧圆/l（=11欧圆/GJ）。预计用成熟技术从木质纤维素原料中制取酒精的商业化运作得到2010-2015年。 虽然生物酒精的原料和利用成本大大低于淀粉制备的酒精，低原料的成本被劳动成本，供应成本（包括水消耗）和投资减值所抵消。所以木质纤维素酒精的成本要超过淀粉制备的酒精达75-80%。这里有两个主要不同的因素，一是木质纤维素预处理成本高，二是以稀酸水解预处理木质纤维素技术水解和发酵的滞留时间要花7天时间，而淀粉制备的酒精只需2-3天。目前纤维素酶的