生物质水解发酵生产燃料乙醇的研究进展

第43卷第2期生物质化学工程Vol 43 No. 22009年3月Biomass Chemical EngineeringMar.2009生物质水解发酵生产燃料乙醇的研究进展曾凡洲',蒋剑春",卫民!,陈育如2(1.中国林业科学研究院林产化学工业研究所;生物质化学利用国家工程实验室;国家林业林产化学工程重点开放性实验室;江苏南京210042;2.南京师范大学生命科学学院,江苏南京210046)摘要:生物质原料丰害多样,用其发酵生产燃料乙醇,能缓解当今世界日益凸显的能源问題。本文综迷了这一领域国内外的研究概况,纤维素原料水解发酵制取燃料乙醇的生产工艺,重点介绍了水解液的脱毒,发酵有关的微生物,菌种选育和几种典型的发酵工艺;对发酵乙醇的几种典型微生物如酿酒酵母、管囊酵母、树干毕赤酵母、休哈塔假丝酵母和运动单胞菌等进行了介绍,并对当今存在的问题进行了分析和展望。关键词:生物质;水解;发酵;燃料乙醇中图分类号:TQ353.2文献标识码:A文章编号:1673-5854(2002-0043-06Research Progress of Fuel Ethanol Production byHydrolysis and Fermentation of BiomassZENG Fan-zhou', JIANG Jian-chun. WEI Min, CHEN Yu-ru(1. Institute of Chemical Industry of Forest Products, CAF; National Engineering Lab. for BiomassChemical Utilization; Key and Open Lab, on Forest Chemical Engineering, SFANanjing 210042, China; 2. College of Life Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China)increasingly prominent problem of energy. The domestic and foreign development situation of the field, the process of fuelethanol production by biomass hydrolysis and fermentation, as well as the analysis and prospect of the existing problems arereviewed. The hydrolysate detoxification, the microorganisms related to alcohol fermentation, strain breeding and several typicalfermentation techniques are especially introduced. The typical microorganisms for ethanol production such as Saccharomyces cerevisio, Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida shechatae and Zymomonas mobilis are also introduced. The present problems are analysed and prospectedKey words: biomass; hydrolysis; fermentation; fuel ethanol当今世界存在着三大危机:人口爆炸,资源性,是汽油所不能比拟的;酒精的辛烷值比汽油枯竭与环境污染。据专家估计,可开采石油储高,既是抗爆剂,又是助燃剂,所以用燃料乙醇量仅可供人类使用大约50年,天然气还可用65作燃料不用再添加四乙基铅或甲基叔丁基醚年,而煤炭则为200年。于是,世界各国纷纷(MTBE)就可成为高标号燃料油,可减少空气中展开对新能源的研究和开发。作为一种清洁能铅的污染12。因此,以农产物、农林废弃物等生源,有“绿色石油”和“液体黄金”之称的乙醇有物质原料生产乙醇,越来越受到各国政府及科其独特的优越性。虽然乙醇燃烧时产生的热能学家们的重视。以生物质原料制乙醇有许多制比汽油低(乙醇为22.1M/L,汽油为取工艺,尤其以生物质水解液发酵生产燃料乙34.3MJ/L),但它是可再生的能源,具有环保特醇国内外研究得较多。收稿日期:2008-10-22中国煤化工基金项目:引进国际先进林业科学技术创新项目(20064-006)TYHCNMHG通讯作者蒋剑春(1955-)男,江苏溧阳人研究员博士生导师从事林产化学加工和生物质能源开发技术研究;E2ec作者简介:曾凡洲(1984-),男,山东济宁人,硕士生,主要从事生物质发生物质化学工程第43卷1生物质原料成分分析合度小于200)高度分支的杂多糖链组成。常见的有木聚糖、阿拉伯糖-木聚糖、葡萄糖-甘露聚生物质是由光合作用产生的所有生物有机体糖、半乳糖-葡萄糖-甘露聚糖等,多通过B-1,4·的总称,包括植物、农作物、林产物、海产物(各种糖苷键连接8。各种植物纤维原料的半纤维素链海草)、农林废弃物和城市废弃物(报纸、天然纤上连接着数量不等的甲酰基和乙酰基,其分支结维)等。生物质资源不仅储量丰富,而且可再构使半纤维素无定形化,比较容易被水解。木质生。全球每年生物质的产量2000亿吨左右,素是自然界最丰富的芳香族多聚物,它是由苯丙其中90%是木质纤维素,并且80~200亿吨的烷单元通过醚键和碳-碳键连接的复杂的无定形原始生物质仍然有开发的潜力4。我国每年有7高聚物。木质素虽然对纤维素的酶解反应没有损亿吨农作物秸秆,2亿多吨林地废弃物和木材加害作用,但它和半纤维素以共价键形式结合,将纤剩余物,1,2亿吨的畜禽粪便,数百万吨的树木维素分子包埋在其中,阻碍其与酶的接触,从而降果实和天然树脂,以及数百万吨的废弃生物油脂低反应速率。未被利用。木质纤维素原料主要是由纤维素半纤维素2生产工艺和木质素构成。三类主要组分的一般组成比例为由生物质原料发酵生产乙醇,首先要对原料4:3:3,但不同来源的原料其比例存在差异,针叶进行前处理,再用酶或酸水解聚合物成可发酵的林、阔叶林、草本会有所不同。纤维素是由吡单糖然后再经发酵将六碳糖或五碳糖转化成乙喃型葡萄糖单体以β-1,4-糖苷键连接而成的线醇最后就是乙醇的净化(蒸馏或过滤),残余固型结晶高聚物,完全水解后得到葡萄糖。半纤体物质的气化和废水处理。图1是生物质水维素在结构和组成上变化很大,一般由较短(聚解制燃料乙醇的一般流程。生物质—前处理酒精发酵蒸汽固体残渣发电图1生物质水解制燃料乙醇的一般流程Fig. 1 a general process for fuel ethanol production by the biomass hydrolysis2.1前处理生物质的水解工艺主要有浓酸水解、稀酸水主要包括原料的清洗和机械粉碎。原料的粒解和酶水解。 Hamelinck等比较了这3种度越小,比表面积就越大,越有利于催化剂和蒸汽水解工艺的特点,见表1。的传递。其它的前处理方法有:热磨法、挤压2.3水解液的脱毒膨化法、高能辐射(y射线、电子辐射)法、冷冻处植物水解液中含有对后续乙醇发酵起抑制作理法2、石灰预处理法、蒸汽爆破法、氨纤用的抑制剂,主要有糠醛羟甲基糖醛、乙酸、酚类维爆破法((AFEX)和生物方法等。化合物、丁香酸羟基苯甲酸、香草醛及其它有毒2.2水解化合物。表13种纤维素水解工艺的比较Table 1 The comparison of three cellulose hydrolysis processes水解工温度^C葡萄糖得率/%可用时间catalysttemperatureavailable time稀酸水解acid hydrolyse