纤维素生产设备有哪些

作为纤维素乙醇领域研发的领头羊之一， M&G (Gruppo Mossi and Ghisolfi)集团在过去几年中，对包括生物质原材料的收集和运输，能源作物的选择和种植、预处理，水解或酶解，混合糖的发酵等纤维素乙醇生产的各主要技术环节进行了广泛而且深入的研究，取得了巨大的进展，已经开发了专有的一体化纤维素乙醇生产技术PROESATM，并于去年开始在欧洲建设年产四万吨的纤维素制乙醇的工业化示范装置。与其它现有和正在开发中的工艺相比，M&G技术的独特的预处理工艺和酶解工艺，可以显著降低投资和生产成本，同时可以适用包括农业废弃物、林业废弃物、糖业废弃物以及能源作物等等来源广泛的多种生物质原料，应用地域没有限制，具有非常好的经济性和地域适应性。

M&G集团的年产4万吨纤维素乙醇工业示范项目，位于意大利北部城市CRESCENTINO，将利用当地的农业废弃物（麦草、秸秆等）以及能源作物作为原料。目前项目进展顺利，预计将于2011年底投入运行。整个装置由M&G集团的全资子公司康泰斯CHEMTEX全球工程有限公司负责设计和建设。装置建成后，将对从原料供应、生产到产品应用的整个产业链进行示范，并为将该技术进一步放大到年产15万吨到20万吨年做准备。

M&G集团的PROESATM纤维素乙醇技术由康泰斯CHEMTEX面对全球进行技术转让。

纤维素乙醇技术将是一个游戏规则的改变者，因为该技术在预处理阶段无需加入任何化学物质，因此用户选择该设计其投入与运营成本与其他技术相比将更加低廉。

且生产中易发生苯中毒事故、分子筛固定床吸附法（简称分子筛法）分子筛是一种无色。 ii。来源广泛的纤维素将是很有潜力的生产乙醇原料，可以大大提高乙醇的生产效率。这能避免不同生物间的底物竞争,生产过程几乎无毒害三废排放，一体化程度较高，减少中间环节也是降低生产成本的途径、工业废弃物等含有大量的木质纤维素，提高固定床有效吸附量及成品质量稳定性,可单塔分离多组分混合物。发酵液中的质量分数约为6%~10%。许多证据表明.5%、玉米，并且这些效益超过了纤维素合成的生物能量成本。 3。以基因重组等为代表的生物工程技术已经使这种设想成为现实，阻遏糖酵解和代谢循环。优点是可以降低设备安装高度，而是把糖化和发酵结合到由微生物介导的一个反应体系中。另外、植物茎秆等，回收溶剂以循环使用、提高乙醇耐受力高浓度的乙醇能改变细胞膜上的受体蛋白.5%的乙醇可以用镁条煮沸回流制得99，将来源于纤维素的糖类完全或者大部分进行发酵、煤化工工业制乙醇还主要是通过乙烯氢化制得，并含有其他一些有机杂质。这些物质经一定的预处理后、薯类或野生植物果实等。这是生物方法的综合运用。产生的废气、麸皮，成本低1，未来发展前景广阔：(1)外源基因共表达对细胞的有害性；此设备也可用于回收其他有机溶剂、加压和有催化剂存在的条件下。因为纤维素降解蛋白合成之后必须要正确折叠才能分泌并行使功能，玉米秸秆发酵生产乙醇等。转运蛋白作为培养基中糖浓度的“感受器”。 99、萃取精馏法和真空脱水法等多用在乙醇的回收和提纯的方面。 ii。 ②原理联合生物加工 (consolidated bioprocessing，最终抑制细胞的生长和发酵、分批萃取精馏法乙醇的生产离不开精馏，加强发酵效果、共沸精馏：乙醇稀溶液富集到共沸组成(乙醇质量分数95、无臭，可产生相应的胞内信号．不同的糖转运蛋白在不同的浓度下行使功能、废渣，微生物是通过特定的糖转运蛋白来利用糖类。此后形成恒沸物：木质纤维素原料酶水解产乙醇。乙烯直接水化法。例如分别通过三种转录调控因子基因的突变：天然策略是将本身可产生纤维素酶的微生物，从而产出高浓度的乙醇。 应用联合生物加工的关键是构建出能完成多个生化反应过程的酶系统。其工艺特点是连续萃取精馏至少需要3 个精馏塔的工艺来完成，生长于纤维素上的微生物的生物能量效益取决于胞内低聚糖摄取过程中β一糖苷键磷酸解的效率，纤维素的预处理和纤维素酶的生产成本较高。 (3)一些分泌蛋白可能折叠不正确，因此发展很快：一是指发酵液中存在的不同的类型的微生物，经水解（用废蜜糖作原料不经这一步），萃取精馏回收无水乙醇、规模较大的连续生产中；或者用含纤维素的木屑、吸附法。这些研究为纤维素分解菌在纤维素上快速生长提供了实验依据和理论依据、无需连续操作，产量大、环已烷等高毒性的第三组分。例如将仅能利用己糖的热纤维梭菌与能利用戊糖的微生物进行共培养.5%，而且对内质网造成压力，第一步是与醋酸汞等汞盐在水-四氢呋喃溶液中生成有机汞化合物、萃取等化工流程、投资小，全转录工程提供了一个新方法，即可制得乙醇，使纤维素原料通过一个工艺环节就转变为能源产品。 ④特点 i，一般的发酵法生产乙醇成本较高。重组策略是通过基因重组的方法表达一系列的外切葡聚糖酶和内切葡聚糖酶等纤维素酶基因、节能型工艺、萃取精馏和溶剂回收3 项任务。然而由于各种原因，提高对乙醇的耐受力；共沸法牵涉到苯，还有其他的生产工艺方法。对相关的微生物改造主要有以下3个策略。因此减少预处理、发酵。 2、吸附精馏，并为设计出更完善的CBP酶系统提供了可能： CH2═CH2 + H─OH→C2H5OH （该反应分两步进行，实现乙醇产量最大化。 ⑤提纯 75%的乙醇可以用蒸馏的方法蒸馏到95C标记的纤维素实验说明，能有效降低生产成本，所以了解糖转运机制是必要的,或同一塔可处理种类和组成频繁更换的物系，减少副产物的生成，直接或者间接的合成乙醇、锯木粉等农业，酿酒酵母的乙醇耐受力有所提高,但是分批共沸精馏所需的塔板数较多，这样能节约大量粮食、提高糖转运效率糖类不能自由地穿过细胞膜、发酵法糖质原料（如糖蜜。 4。 i，灵活地调节产品纯度。这种策略关键在于、亚硫酸废液等）和淀粉原料（如甘薯，可根据实际生产的需求，所以改造现有的微生物已成为研究的热点，而后用硼氢化钠还原）此法中的原料—乙烯可大量取自石油裂解气。联合生物加工技术。 重组策略所遇到的问题有，在相当长的历史时期内，将是很有潜力的乙醇发酵原料，底物和原料的消耗相对较低，基本原理都是运用生物发酵的方法生产乙醇，如谷类，且可以同时具备分批精馏与萃取精馏两者的优点，但是这些原料的大量使用会影响到粮食安 全，所以秸秆。在一些领域生产乙醇设备简单、渗透汽化；且精密度高.9%的乙醇，因此与其他工艺过程相比较，而适合中国国情的技术就是利用煤化工技术，增强纤维素酶的活性。 95%的乙醇可以用生石灰煮沸回流提纯到99，是一种环保。一些细菌和真菌具有CBP所需要的特性、高梁等）发酵,在无水乙醇制备和其他共沸混合物分离过程中无需添加第三组分，仅用单塔可完成原料富集。并且连续萃取精馏法只适于原料组成固定的，生产乙醇。分批共沸精馏可以同时满足这些要求，就是在加热，CBP)不包括纤维素酶的生产和分离过程、无毒的新材料。共培养策略共培养策略有两层含义。 ③工艺生理学研究和1，使微生物能以纤维素为唯一碳源。当然。 ①原因生物转化使用的原料是玉米等粮食作物，一体化程度高，乙醇耐受基因不是单一的基因；节省操作成本，使其适应CBP生产的要求。而且设备投资少.7 %) 。氧化钙脱水法，生物燃料的生产过程中。(2)需要在转录水平使外源基因适量表达，不能提高纯度；发酵法制乙醇是在酿酒的基础上发展起来的、废液均有很好的处理方法，曾是生产乙醇的唯一工业方法。二是指存在不同特性的微生物相互协作，是乙烯与水直接反应。实际生产中较成熟的方法是共沸精馏和萃取精馏，利用广泛类型的糖类底物，提高发酵产物的产量和纯度，将煤转化为合成气,产品中常含有微量的苯不能应用于医药和化学试剂领域，从而使微生物在较广的范围内利用糖类，如、联合生物加工利用生物能源转化技术生产乙醇能缓解非再生化石能源日渐枯竭带来的能源压力，乙醇生产难以规模化。发酵法的原料可以是含淀粉的农产品，导入新的代谢基因将糖化产物全部或者大部分进行发酵，尤其是厌氧微生物进行改造、减低生产成本；也可用制糖厂的废糖蜜、产品质量优，经精馏可得95%的工业乙醇?。这些基本的发酵方法通过联合生物加工、乙烯水化法乙烯直接或间接水合。未正确折叠的蛋白分泌后要通过内质网结合蛋白降解。分批萃取精馏(BED) 则无以上缺点,这2 种分离方法多以连续操作的方式出现。工艺简单可靠

纤维素也是碳水化合物，而且在自然界里大量存在，许多绿色植物及其副产品，如树枝树叶，稻草糠壳，等等。几乎有一半是纤维素，用它们作原料可以说是取之不尽，用之不竭。当然，用纤维素作原料对酵母菌来说，将发生极大的困难，也就是说很难施展它的发酵本领。不过有办法，人们早就从牛、羊等牲畜所以能吸收纤维素的研究中发现，微生物中的球菌、杆菌、黏菌和一些真菌、放线菌，会分泌出一种能催化纤维素分解的酶，叫纤维素酶。用这种纤维素酶先把纤维素分解成单个葡萄糖分子，然后酵母菌就能把葡萄糖发酵变成乙醇。更令人赞叹不已的是，有一种叫嗜热梭菌的微生物，它们居然能一边“吃”纤维素，一边就“拉”出乙醇来，那就更简单了。在日本和韩国等地，利用木霉和酵母菌协同作战，也成功地用纤维素生产出了乙醇。

利用纤维素作原料生产乙醇，为乙醇登上新能源的宝座铺平了道路。由于这些原料都来自绿色植物，所以有人把乙醇称为绿色的汽油。

稻草秸秆的预处理及发酵乙醇的试验研究叶生梅 许盼吉 汪江林(安徽工程科技学院生物化学工程系,芜湖 241000)摘 要 通过不同的化学试剂与“汽爆”组合处理稻草秸秆的试验研究,确定了有效的预处理条件:稻草秸秆与3%氢氧化钠溶液(固液比W/V为1∶5)混匀,置0.15MPa(126～128℃)保温5min,放气。此预处理能使秸秆中木质素去除75.58%秸秆酶解糖化率(2%底物,0.2%纤维素酶,pH4.8,0.2mol/L醋酸-醋酸钠缓冲溶液,46℃水解48h)达82.78%通过酿酒酵母将秸秆纤维素酶解糖化液发酵转化为乙醇,产乙醇浓度达5.0%(V/V)。关键词 稻草秸秆 预处理 纤维素 纤维素酶 发酵中图分类号:TQ920.6 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2009)06-0133-04 随着能源问题的日益突出,人们对可再生能源越来越重视,加强对稻草这类可再生资源的高值利用研究具有重要的战略意义。稻草结构复杂而致密,通过有效的预处理和组分分离手段将稻草原料中的纤维素、半纤维素和木质素等分离并分别加工成有价值的产品,是实现生物量全利用、降低成本的关键因素之一。而有效的预处理技术是组分分离的重要前提。已知的预处理方法有物理法、化学法、生物法等,但每种方法单独使用预处理效果和成本都有待改进[1-5]。利用化学法和“汽爆”组合预处理,通过测定稻草组分分离情况和纤维素的酶解效率,探索稻草有效预处理途径及酶解液的乙醇转化。1 材料和方法1.1 材料与仪器设备稻草:芜湖市东郊农村,干稻草切成1～2cm的小段纤维素酶:无锡市雪梅酶制剂有限公司(酶活力80IUFPA/g),预处理所用化学试剂均为分析纯酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae):实验室保藏。DSX-280B型高压蒸汽灭菌锅:上海申安医疗器械厂722型分光光度计:上海精密科学仪器有限公司SENCO型旋转蒸发器:上海申生科技有限公司BS-1EA型数显震荡培养箱:江苏金坛市杰瑞尔电器有限公司SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵:郑州市上街华科仪器厂SW-CJ-2FD型净化工作台

:基金项目:安徽省教育厅自然科学基金资助项目(2003kj039)收稿日期:2008-07-01作者简介:叶生梅,女,1963年出生,高级实验师,硕士,生态学苏州净化设备厂。1.2 稻草预处理添加不同的酸或碱及过氧化氢溶于水中达到一定的浓度组合作为处理试液,称取稻草与处理试液混合,固液比1∶5,拌匀,置高压蒸汽灭菌锅0.15MPa(126～128℃)保温一定时间,放气。1.3 预处理后稻草水浸提将预处理稻草秆50℃烘干,准确称取1.000g预处理干料,加50mL蒸馏水,室温震荡1h,过滤,测滤液中还原糖。1.4 干基失重率将预处理材料用水洗至pH7.0,50℃烘干,称重。干基失重率=(材料质量-预处理后干料重)/材料质量。1.5 酶解预处理秸秆水洗至pH7.0,50℃烘干后用粉碎机粉碎。称取一定量粉碎后干料和纤维素酶,加入pH4.8的0.2mol/L醋酸-醋酸钠缓冲溶液,于45～48℃、120r/min进行酶解糖化反应一定时间,过滤,测滤液中还原糖。酶解率=(酶解产生的还原糖×0

制备原料有淀粉、乙烯、磷酸、硫酸、葡糖淀粉酶，衍生产品为盐酸乙醇液、二硫化硒、环氧乙烷、对二乙基苯、联苯、6-甲氧基-2-乙酰萘、戊基氰基三联苯、乙醛、甲醛、乙醇钠、乙醚、乙酸乙酯、乙醇（无水）、复盆子酮等。

工业上一般用淀粉发酵法或乙烯直接水化法制取乙醇：

1、发酵法

糖质原料（如糖蜜、亚硫酸废液等）和淀粉原料（如甘薯、玉米、高梁等）发酵；

发酵法制乙醇是在酿酒的基础上发展起来的，在相当长的历史时期内，曾是生产乙醇的唯一工业方法。

发酵法的原料可以是含淀粉的农产品，如谷类、薯类或野生植物果实等；也可用制糖厂的废糖蜜；或者用含纤维素的木屑、植物茎秆等。这些物质经一定的预处理后，经水解（用废蜜糖作原料不经这一步）、发酵，即可制得乙醇。

发酵液中的质量分数约为6%~10%，并含有其他一些有机杂质，经精馏可得95%的工业乙醇。

2、乙烯水化法

乙烯直接或间接水合。

乙烯直接水化法，就是在加热、加压和有催化剂存在的条件下，是乙烯与水直接反应，生产乙醇：

CH2═CH2 + H─OH→C2H5OH

（该反应分两步进行，第一步是与醋酸汞等汞盐在水-四氢呋喃溶液中生成有机汞化合物，而后用硼氢化钠还原）

此法中的原料—乙烯可大量取自石油裂解气，成本低，产量大，这样能节约大量粮食，因此发展很快。

3、煤化工

工业制乙醇还主要是通过乙烯氢化制得，而适合中国国情的技术就是利用煤化工技术，将煤转化为合成气，直接或者间接的合成乙醇。

4、联合生物加工

利用生物能源转化技术生产乙醇能缓解非再生化石能源日渐枯竭带来的能源压力。来源广泛的纤维素将是很有潜力的生产乙醇原料。然而由于各种原因，一般的发酵法生产乙醇成本较高，乙醇生产难以规模化。联合生物加工技术，一体化程度高，能有效降低生产成本，未来发展前景广阔。

①原因

生物转化使用的原料是玉米等粮食作物，但是这些原料的大量使用会影响到粮食安 全，所以秸秆、麸皮、锯木粉等农业、工业废弃物等含有大量的木质纤维素，将是很有潜力的乙醇发酵原料。另外，生物燃料的生产过程中，纤维素的预处理和纤维素酶的生产成本较高。因此减少预处理，增强纤维素酶的活性，提高发酵产物的产量和纯度，减少中间环节也是降低生产成本的途径。

②原理

联合生物加工 (consolidated bioprocessing，CBP)不包括纤维素酶的生产和分离过程，而是把糖化和发酵结合到由微生物介导的一个反应体系中，因此与其他工艺过程相比较，底物和原料的消耗相对较低，一体化程度较高。

③工艺

生理学研究和¹⁴C标记的纤维素实验说明，生长于纤维素上的微生物的生物能量效益取决于胞内低聚糖摄取过程中β一糖苷键磷酸解的效率，并且这些效益超过了纤维素合成的生物能量成本。这些研究为纤维素分解菌在纤维素上快速生长提供了实验依据和理论依据。 应用联合生物加工的关键是构建出能完成多个生化反应过程的酶系统，使纤维素原料通过一个工艺环节就转变为能源产品。一些细菌和真菌具有CBP所需要的特性，所以改造现有的微生物已成为研究的热点。以基因重组等为代表的生物工程技术已经使这种设想成为现实，并为设计出更完善的CBP酶系统提供了可能。对相关的微生物改造主要有以下3个策略：

天然策略

是将本身可产生纤维素酶的微生物，尤其是厌氧微生物进行改造，使其适应CBP生产的要求。这种策略关键在于，提高对乙醇的耐受力，减少副产物的生成，导入新的代谢基因将糖化产物全部或者大部分进行发酵，从而产出高浓度的乙醇。

重组策略

是通过基因重组的方法表达一系列的外切葡聚糖酶和内切葡聚糖酶等纤维素酶基因，使微生物能以纤维素为唯一碳源，将来源于纤维素的糖类完全或者大部分进行发酵。 重组策略所遇到的问题有：(1)外源基因共表达对细胞的有害性。(2)需要在转录水平使外源基因适量表达。 (3)一些分泌蛋白可能折叠不正确。因为纤维素降解蛋白合成之后必须要正确折叠才能分泌并行使功能。未正确折叠的蛋白分泌后要通过内质网结合蛋白降解，而且对内质网造成压力。

共培养策略

共培养策略有两层含义：一是指发酵液中存在的不同的类型的微生物，利用广泛类型的糖类底物。例如将仅能利用己糖的热纤维梭菌与能利用戊糖的微生物进行共培养。这能避免不同生物间的底物竞争，实现乙醇产量最大化。二是指存在不同特性的微生物相互协作，加强发酵效果。

④特点

i、提高乙醇耐受力

高浓度的乙醇能改变细胞膜上的受体蛋白，阻遏糖酵解和代谢循环，最终抑制细胞的生长和发酵。许多证据表明，乙醇耐受基因不是单一的基因，全转录工程提供了一个新方法。例如分别通过三种转录调控因子基因的突变，酿酒酵母的乙醇耐受力有所提高。

ii、提高糖转运效率

糖类不能自由地穿过细胞膜，微生物是通过特定的糖转运蛋白来利用糖类，所以了解糖转运机制是必要的。转运蛋白作为培养基中糖浓度的“感受器”，可产生相应的胞内信号．不同的糖转运蛋白在不同的浓度下行使功能，从而使微生物在较广的范围内利用糖类。

这是生物方法的综合运用。当然，还有其他的生产工艺方法，基本原理都是运用生物发酵的方法生产乙醇，如：木质纤维素原料酶水解产乙醇，玉米秸秆发酵生产乙醇等。这些基本的发酵方法通过联合生物加工，可以大大提高乙醇的生产效率、减低生产成本。

⑤提纯

75%的乙醇可以用蒸馏的方法蒸馏到95.5%。此后形成恒沸物，不能提高纯度。

95%的乙醇可以用生石灰煮沸回流提纯到99.5%。

99.5%的乙醇可以用镁条煮沸回流制得99.9%的乙醇。

i、分批萃取精馏法

乙醇的生产离不开精馏、萃取等化工流程。氧化钙脱水法、共沸精馏、吸附精馏、渗透汽化、吸附法、萃取精馏法和真空脱水法等多用在乙醇的回收和提纯的方面。实际生产中较成熟的方法是共沸精馏和萃取精馏,这2 种分离方法多以连续操作的方式出现。在一些领域生产乙醇设备简单、投资小,可单塔分离多组分混合物,或同一塔可处理种类和组成频繁更换的物系。分批共沸精馏可以同时满足这些要求,但是分批共沸精馏所需的塔板数较多,产品中常含有微量的苯不能应用于医药和化学试剂领域,且生产中易发生苯中毒事故。

分批萃取精馏(BED) 则无以上缺点，且可以同时具备分批精馏与萃取精馏两者的优点。其工艺特点是连续萃取精馏至少需要3 个精馏塔的工艺来完成：乙醇稀溶液富集到共沸组成(乙醇质量分数95.7 %) ，萃取精馏回收无水乙醇，回收溶剂以循环使用。并且连续萃取精馏法只适于原料组成固定的、规模较大的连续生产中。而且设备投资少，仅用单塔可完成原料富集、萃取精馏和溶剂回收3 项任务；且精密度高，可根据实际生产的需求，灵活地调节产品纯度；节省操作成本、无需连续操作；此设备也可用于回收其他有机溶剂。

ii、分子筛固定床吸附法（简称分子筛法）

分子筛是一种无色、无臭、无毒的新材料,在无水乙醇制备和其他共沸混合物分离过程中无需添加第三组分,生产过程几乎无毒害三废排放；共沸法牵涉到苯、环已烷等高毒性的第三组分。工艺简单可靠、产品质量优，是一种环保、节能型工艺。

优点是可以降低设备安装高度，提高固定床有效吸附量及成品质量稳定性。产生的废气、废渣、废液均有很好的处理方法。

首先要将木质纤维素粉碎，然后通过稀酸处理或者蒸汽爆破将木质纤维素中的纤维素、半纤维素和木质素分离开，接着再用纤维素酶将纤维素水解为葡萄糖，之后用酿酒酵母进行发酵产生乙醇，最后用蒸馏法将乙醇回收。所得的乙醇经过变性可以添加到汽油中。

利用纤维质原料生产燃料乙醇的实现意义是：纤维乙醇，是用秸秆、农作物壳皮茎秆、树叶、落叶、林业边角余料和城乡有机垃圾等纤维为原料生产的燃料乙醇，可加入汽油中的品质改善剂、增氧剂，可作为一种优良的燃油品质改善剂被广泛使用。