秸秆生产燃料乙醇的技术研究

工艺与设备秸秆生产燃料乙醇的技术研究侯玉洁',张建刚',夏晨1,侯小辉2(1.扬州大学动物科学与技术学院,江苏扬州225009:2.新疆阿勒泰市畜牧兽医站,新疆阿勒泰8365000摘要:文章就秸秆预处理方法、纤维素酶水解、菌种与发酵工艺3个过程的多种化学或生物技术的研究进展进行了分析关键词:秸秆;燃料乙醇;预处理;酶水解;发酵工艺中图分类号:S513;S816.8文献标志码:A文章编号:1001-0084(2011)12-002403Advancement of Research on Fuel Ethanol by StrawHOU Yujie, ZHANG Jiangang, XIA Chen, HOU Xiaohu1. Institute of Animal Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiang2. Institute of Animal Husbandry and Vet, Aletai 836500, Sinkiang China)Abstract: This article reviewed a variety of chemical or biological techniques about the process of raw materialpretreatment, enzymatic hydrolysis of cellulose, bacteria and fermentation technologyKey words: stalk; fuel alcohol; pretreatment; enzyme hydrolysis; fermentation石油是一种不可再生资源,随着石油资源的紧素的结晶结构,聚合度下降。实验室中秸秆预处理缺,寻找和开发新的燃料资源迫在眉睫,生物能源的方法主要包括物理法、化学法和生物法。因其储存量大,作为可转化为液体燃料的可再生资1.1物理法源,发展最快的是燃料乙醇,2004年巴西以甘蔗1.1.1机械粉碎为原料生产燃料乙醇1200万t;美国以玉米为原料机械粉碎主要是利用球磨将纤维素物质粉碎生产燃料乙醇1000万t。糖蜜、粮食淀粉和木质纤进而促进糖化。机械破碎后,木质素仍被保留,但维素都可用来生产燃料乙醇,但要依靠糖蜜和粮食木质素和纤维素与半纤维素的结合层被破坏,降低淀粉作为原料来解决用量很大的燃料问题显然是不聚合度。机械粉碎可提高其后续反应的接触面积,现实的。燃料乙醇是最现实的液体燃料替代用品之从而提高其反应性能和提高水解糖化率,有利于酶,大力发展燃料乙醇的产业化进程已经成为处理解过程中纤维素酶或木质素酶的进攻。但是粉碎处秸秆有效方式。理的高糖化率的程度有限,耗能大,其能耗占工艺1预处理方法过程总能耗的50%~60%,而且有些材料还是不适秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋合粉碎处理的。白和水构成,难溶于水和其他有机溶剂,化学性质1.1.2声波电子射线法相对稳定,充分的预处理能破坏细胞壁表明的包声波电子射线法需要高能射线流发生装置,用裹,使得纤维素酶能与作用底物充分接触,原料预微波或超声波对纤维素进行预处理,将物料粉碎成处理技术可以部分破坏木质素的包裹作用以及纤维极小的颗粒,可增大其表面积,提高纤维素的可接收稿日期:2011-11-03作者简介:侯玉洁(1988—),女,新疆阿勒泰人,硕土研究生,研究方向为动物的微生态营养与分子营养24饲料博览2011年第12期工艺与设备触性;还可破坏其结晶性,提高纤维素的反应活加热4h后,玉米秸秆的酶水解能力比预处理前有性,使其在以后的糖化阶段更易于加快反应速率。了很大的提高2。碱性过氧化法与传统的碱处理法Xiong等硏究了微波对纤维素I超分子结构的影响,的水解产物有所不同,利用10%浓度的KOH萃取发现微波作用没有引起纤维素化学结构和结晶形成麦秆然后碱性漂白,得到的半纤维素成分中木糖的的变化,但使得结晶度和晶区尺寸增大b含量较高,利用2%HO2在碱性条件下萃取麦秆,1.13蒸汽爆破法得到的半纤维素成分中阿拉伯糖和葡萄糖的含量较蒸汽爆破法作为一种物理方法,使纤维素结合高层受到破坏,提高对酶作用的敏感性,可以有效地1.2.3氧化法分离出活性纤维,并且不用或少用化学药品,对环氧化预处理是指利用臭氧、氧气、过氧化氢、境无污染且能耗较低,是近年来发展快、成本低、过氧酸等多种氧化剂对原料进行处理,氧化去木质比较有效的木质纤维高效分离技术。在高温、高压素,在HO2的存在下,过氧化物酶可以催化氧化蒸汽中,植物原料经过蒸煮产生一些酸性物质,使木质素。脱除原料中的木质素,并使原料本身发生半纤维素降解成可溶性糖,同时复合胞间层的木质物理和化学变化,以有利于后续纤维素的水解。目素软化和部分降解,从而削弱了纤维间的黏结,为前常用的为湿氧化法,即在较高的温度和压力下爆破过程提供选择性的机械分离,同时在蒸汽爆破利用水和氧气,氧化降解植物纤维原料。Vaga等用瞬间完成的绝热膨胀过程对外做功,使物料从细胞湿氧化法在195℃、1.2x10°kPa条件下,对60g·L间层解离成单个纤维细胞。但蒸汽爆破法的高温高的玉米秸秆预处理15min,其中60%的半纤维素压蒸汽使部分半纤维素的乙酰基水解,生成的乙30%的木质纤维素被溶解,90%的纤维素呈固态分酸、糠醛酸等能够催化半纤维素继续水解生成槺醛离出来,纤维素酶解转化率达85%3。纤维素遇碱等物质,易导致木糖损失>50%。总之,经过物理后膨胀,加入NaCO作用在于防止纤维素被破方法处理过的秸杆,既能增加酶对纤维素的亲和坏,半纤维素与木质素大部分溶解于碱液中,进而性,还使得还原糖产出率提高。有效的与纤维素进行分离,得到高纯度的纤维素。12化学法13生物法1.2.1酸处理法生物法是利用棕腐真菌、白腐真菌和软腐真菌般用来处理纤维素原料的酸可以用强酸(硫对半纤维素和木质素进行处理,能有效降解纤维素酸),也可以用烯酸,由于生产设备的限制,烯酸和木质素。生物预处理方法较物理、化学预处理方法以其对设备耐酸性要求较低,较之强酸也能有效法更好,原因在于需要环境条件缓和,但是就提高水解纤维素,越来越受到青睐。强酸预处理方法是转化率还有待进一步研究。Song等利用白腐菌降将粉碎颗粒送入预处理反应器,蒸汽温度为200~解秸秆中的木质素。经过微生物预处理后,秸秆中250℃时,高压蒸汽和硫酸对原料进行处理,持续的木质素降低,且木质素降解率越高,乙醇产量越时间160℃C)、连续反应和低温批次方15.8%4。法。稀酸预处理方法在后期需要用大量的碱液来中2纤维素酶水解和残留的酸,对环境也有很大影响。在经过预处理的秸秆原料基础之上,需要经过1.2.2碱处理法进一步的糖化水解才能成为可以被微生物利用的单碱处理的作用机理是通过碱的作用来减弱纤维糖。实验室中常用的水解方法主要为酸水解和酶水素和半纤维素之间的氢键,其效果取决于原料中木解。酸水解对工艺条件要求苛刻,其回收困难,后质素的含量。稀NaOH溶液处理原料可以使得物料期处理不方便,会对造成环境污染;酶解法条件温的孔隙率和渗透性不断增大,聚合度和结晶度减和,利于环境保护。因此,在纤维素乙醇发酵过程小,使木质素和糖之间的结合键分离,分裂木质素中所应用的纤维素酶包括葡聚糖内切酶(ED)、纤结构。Kar等对玉米秸秆进行了石灰预处理,每g维二糖水解酶(CBH)和B-葡萄糖苷酶(CL)。这3生物质加入Ca(OH)20.075g和水5mL,在120℃下种酶协同作用,缺一不可。酶水解纤维素历程分3工艺与设备步进行,内切葡聚糖酶杂乱地水解纤维素底物分3.2.4同步糖化发酵法子的糖苷键,生成小的葡聚糖;外切葡聚糖酶从同步糖化发酵法(SSF法)先用纤维素酶水解纤其链端将其水解生成纤维二糖和其他更小分子的维素,酶解后的糖液作为发酵碳源。由于酒精产低聚糖;β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖成为葡萄量受末端产物抑制,主要受低细胞浓度以及底物糖。虽然酶的作用条件适宜且实用性较强,但是基质抑制,为了克服反馈抑制作用,有研究指确保酶达到一定的利用率是关键问题。出,在同一个反应罐中进行纤维素水解(糖化)和3菌种与发酵工艺酒精发酵的同步糖化发酵法。纤维素的水解和发31茵种酵是在同一个发生装置中进行,水解得到的葡萄要以秸秆水解液为底物发酵生产乙醇,必须糖在菌体的分解作用下及时分解,减少了对纤维选育或者构建能够同时代谢五碳糖和六碳糖的微素酶的抑制作用。生物,同时要求微生物对抑制物具有一定的抵抗32.5非等温同步糖化发酵法能力。国内外很多研究人员致力于同步代谢五碳非等温同步糖化发酵法(NSSF)是由SSF法衍糖和六碳糖的微生物菌株的构建工作,并对重组生而来。实验室研究表明,糖类发酵最适温度为菌株的发酵工艺进行了探索,其中研究最多的菌35℃,然而水解糖化适宜温度约为50℃。协调这株是酿酒酵母和运动芽孢杆菌。两个温度指标,实现尽可能一致,对于提高乙醇3.2发酵工艺生产效率至关重要。NSSF法通过热量交换“畅通由于秸秆中纤维素含量较多,水解得到一定能量传递,在确保水解和发酵温度最佳的条件下浓度的木糖,然后木糖对纤维素酶水解有一定的减少能量损失。抑制作用,如何减少木糖的累积作用,将其及时4小结转化为酒精是值得探讨的问题以作物秸秆生产燃料乙醇成为当今世界研究3.2.1直接发酵法的热点,全世界很多国家早已开始了探索能源之直接发酵法是基于纤维分解细菌直接发酵纤路,而用秸秆生产燃料乙醇还未能大规模的步入工维素生产乙醇,不需要经过酸水解或酶解前处理业化进程,在预处理方面应该尝试结合物理和化过程。可直接发酵的细菌有嗜热菌(40-65℃)和极学处理方法进行深入探索;在纤维素水解过程中端嗜热菌(65℃),研究最多的是热纤梭菌,其是提高酶的产量和纤维素活性以及提高酶的利用嗜热产芽孢的严格厌氧菌,革兰氏染色呈阳性,率;纤维素酶、半纤维素酶研究过程中对微生物能够分解纤维素,并能使纤维二糖、葡萄糖、果的选择和培养等进行更加深入细致的研究糖等发酵。目前看来,热纤梭菌是将纤维素直接转化为乙醇的最有效菌种。在分解过程中,处理参考文献工艺简单,但是乙醇产率还有待于提高。3.2.2间接发酵法[1]熊犍,叶君,梁文芷,等.纤维素醚/Eu(Ⅲ)羧酸配合物的结构间接发酵法是利用纤维素酶水解纤维素,得及荧光性能华南理工大学学报:自然科学版,200028(3)到的葡萄糖发酵产生乙醇,由于末端生成产物的积累,必须持续的从发酵罐中移除乙醇,目前实[21 Kaar WE, Holtzapple M T. Using lime pretreatment to facilitate验室中通常采用的方法主要有减压发酵法、快速the enzymic hydrolysis of corn stover. Biomass and Bioenergy发酵法等。2000,18(3):189-1993.23固定化细胞发酵法[3 Large E, Schmidt固定化细胞发酵法可以使得细胞连续使用ing wet oxidation to enhance enzymatic digestibility[J]. Applied反应器细胞浓度升高,进而提高发酵液乙醇浓hemistry and Biotechnology, 2003, 104(1): 37-50度,常用的载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃「41 Song a,WuK, Zhang b l. Biodegradation of strawstalk and exper-等。目前研究最多的是酵母和运动发酵单孢菌的iment of ethanol ferm entation[J]. Wuhan University Journal of固定化。Natural Sciences, 2007, 12(2): 343-34826饲料博览2011年第12期