我国秸秆乙醇生产现状

秸秆生物质通过液化或固化等方式制造成燃料可直接供热，或是制造成秸秆清洁煤炭等等。秸秆煤炭是一

种新型的生物质再生能源，环保清洁，远远低于原煤的成本和市场价格，应用范围极为广泛，可以代替木

柴、原煤、液化气，广泛用于生活炉灶、取暖炉、热水锅炉、工业锅炉等。但是如何将生物质燃料像煤、

煤气和天然气一样在老百姓的生活中普及，还需大力宣传和推广。

2.3交通能源

秸秆的主要成分是碳、氢、氧等元素，有机成分以纤维素、半纤维素为主，其次为木质素、蛋白质、脂肪

、灰分等，用秸秆转化的生物燃料如生物乙醇和生物柴油作为交通能源，同石油、天然气和煤等化石燃料

相比，最大特点是可再生性和对环境更友好。国际上生物交通能源技术相对成熟，主要路线是：谷物、秸

秆、其它植物等发酵生产乙醇-车用油、乙烯、无毒溶剂及上百种化工、原材料产品等；我国秸秆交通能源

技术研究虽然起步较晚，但日趋成熟，有些正形成小型规模和商品化。

3秸秆生物质能源化应用技术

秸秆生物质能源化应用技术主要包括秸秆沼气(生物气化)、秸秆固化成型燃料、秸秆热解气化、直燃发电

和秸秆干馏等方式。

没有商业化前途。

目前秸秆利用有几种方法，如秸秆粉碎后，添加其他物质，加压制成生物质颗粒燃料；秸秆气化燃料；秸秆液化等。

秸秆液化主要包括生物化学法制备燃料乙醇和热化学法制备生物油。前者一般指采用水解、发酵等手段将秸秆等生物质转化成燃料乙醇；后者则是通过快速热解液化、加压催化液化等进行转化。

热化学法制备生物油又有快速热解液化和加压液化和催化液化等技术，就是采用常压或高压、加热条件下，使生物质中的有机高聚物分子在隔绝空气的条件下迅速断裂为短链分子，生成含有大量可冷凝有机分子的蒸汽，蒸汽被迅速冷凝，同时获得液体燃料、少量不可凝气体和焦炭。液体燃料被称为生物油，为棕黑色黏性液体。生物油组成中99.7%是碳、氢、氧，含有数百种化合物，主要包括烷烃、芳烃等，及多种带有含氧官能团的苯酚类、醛类、酮类等芳香族环状化合物。基本不含醇类。生物油存在氧含量高(30%以上)、挥发性差，大多不稳定且易腐蚀，在空气中易构成沉积等缺点，很难直接作为燃料使用，还需要进行精制。

而以秸秆为原料生产乙醇，则完全是另一条工艺路线，或者说是完全不同的利用方式。已制得的生物油也没有办法再转化为乙醇了。即使有办法把生物油再转化为乙醇，工艺过于复杂，得率低，完全是得不尝失。

如果你想用秸秆转化为乙醇，直接用转化和微生物发酵法就可以了，为什么要先热解为生物油，再转化为乙醇呢？

就像是木头既可以做成桌子，也可以做成板凳。为什么不直接做成板凳，非要先做成桌子，然后再拆开改成板凳呢？

用秸秆生产乙醇是秸秆能源化的有效途径，随着科学技术的不断发展进步，过去，我们采取发酵法制作酒精的方法，现在可以不用粮食来制造，而是利用生产谷物等剩余的秸秆来生产乙醇。无论是乙醇用于燃料，还是用于其它化工行业，都为秸秆的综合利用开创了新局面。

太大了 给你复制点吧

水稻秸秆纤维素发酵转化燃料乙醇的研究

摘要

我国水稻秸秆资源丰富，年产量达3亿多吨。利用水稻秸秆生产燃料乙醇，对

来我国能源问题、实现节粮代粮和环保有着巨大的潜力和广阔的应用前景。水稻秸

要成分是纤维素，对纤维素的利用最主要的限制性因素是将纤维素转化为可发酵还

解决的办法主要有两类途径:(l)提高纤维素酶生产的经济性，主要涉及纤维素酶高

获得及纤维素酶的生产技术，提高其合成效率以降低单位纤维素酶生产成本(2)提

素酶利用效率，主要涉及纤维素酶解催化过程，以降低单位可发酵还原糖生产成本

本研究从菌种的选育着手，研究了菌株的产酶特性，用响应面策略优化发酵培养基，

了SL发酵罐分批发酵生产高活力纤维素酶技术分离纯化了纤维素酶构建了代

二糖的酿酒酵母工程菌对酿酒酵母工程菌细胞固定化发酵进行了研究，利用二级

生物反应器祸合系统生物协同酶解水稻秸秆发酵生产燃料乙醇等。主要研究结果如

1.筛选到一株纤维素酶高产菌株(PenicilliumYT01)，原生质体紫外诱变后

变株YT02，YT02以水稻秸秆为碳源，豆饼粉和硫酸钱为氮源，在29”c，初始p

酵12Oh，纤维素酶活力达到最高，摇瓶发酵滤纸酶活(FPA)、CMC酶活(CMcas

葡萄糖昔酶活(CB)分别达3.86IU/mL、207.41IU/mL和l.4oIU/mL。

2.用响应面方法(RSM)优化的发酵培养基组成为:水稻秸秆为41.95留L，

为24.83g/L，数皮为22.16叭，困H4)2504、KHZpO4为4g/L，MgSO为0.sg/L起始

以优化的培养基发酵120h，滤纸酶活、cMc酶活和p一葡萄糖普酶活分别达到

IU/mL、357.41IU/mLand3.704IU/mL。远高于优化前的纤维素酶活水平。

3.在SL发酵罐中研究了温度、pH值和溶氧对菌体生长和产酶的影响，确定

发酵的工艺条件为:0一32h时发酵温度犯”C，溶氧70%犯h至1加h发酵结果发

29oc，溶氧50%，发酵液初始pH值6.0，发酵%h滤纸酶活、CMC酶活和p一葡

酶活分别达到11.13IU/mL、465.24IU/mLand4.08IU/mL，均高于摇瓶发酵水平，

酵动力学过程显示，突变菌YT02菌体生长和纤维素酶各组分均为部分祸联。

4.利用DEAEsephadexA一25和sephadexG一75分离纯化了二个内切葡

(CMCase)和一个p一葡萄糖营酶，CMCase纯化倍数为13.48，回收率为10.54%，

糖昔酶纯化倍数为18.62，回收率为8.62%，经SDS一PAGE得到单蛋白分子条带，

I

、沪’_心钳3卜“’门尸，..

量测定分别为73kDa、43kDa和57.8kDa，并对其进行了N端测序和质谱分析。

5.以生产乙醇性能优良的酿酒酵母菌株NAN一27作为工程菌株的受体菌。利用

能良好的多拷贝整合型载体pYMIKP，使纤维二糖代谢基因BGLI整合到酿酒酵母

体上。从而在酿酒酵母工业菌株中建立了稳定的纤维二糖代谢途径，拓展了酒精生

物利用范围，降低了纤维二糖对纤维素酶解的抑制作用。采用海藻酸钙凝胶包埋固

纤维二糖酿酒酵母工程菌，固定化细胞与游离细胞相比，发酵时间缩短，乙醇产率提

以上，并能有效地利用水稻秸秆水解液进行酒精发酵。

6.对水稻秸秆酶解过程中底物性质、酶解温度、酶解pH、底物浓度及纤维素

等关键因子进行了研究。由于YT02纤维素酶系中纤维二搪酶活力较低(CB/F队为

经稀酸稀碱预处理后的水稻秸秆纤维素对乙醇转化率仅为18%。采用代谢纤维二糖

母工程菌游离细胞发酵，可部分去除纤维二糖对酶解的抑制，水稻秸秆纤维素对乙

率可提高至20%。进一步利用采用海藻酸钙凝胶包埋固定代谢纤维二糖酿酒酵母工

酵，水稻秸秆纤维素对乙醇转化率可达26%。这方面的研究结果有助于深入了解纤

的协同降解机制。

7.将纤维原料的酶解、固定化代谢纤维二搪酿酒酵母工程菌的作用有机祸联，

新型的二级串联式生物反应器，在该反应器体系的协同作用下，可有效解除纤维二

萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用，促进纤维原料水稻秸秆的酶水解，发酵40h，乙

达25.5留L，纤维素对乙醇的转化率达43.0%(纤维素对乙醇的理论转化率为56.61

是游离细胞同时糖化发酵(SSF)的1.65倍，生产效率达0.64留(Lh)。采用分批添料

酶解发酵工艺，可提高纤维底物的终浓度达250岁L，产物乙醇的终浓度66.51留L，

高了纤维素酶的利用率和乙醇生产效率，降低乙醇的生产成本。该反应器性能稳定

效率高，固定化细胞可以重复使用，便于自动化控制。

关键词:纤维素酶，水稻秸秆，酿酒酵母，燃料乙醇，串联式生物反应器

目录

摘要..............................................................……

ABSTRACT..........................................................……IH

第一章文献综述

l水稻秸秆资源及其降解方式............................................……l

1.1水稻秸秆的组成与结构..…，................................……，.……l

1.2水稻秸秆的预处理..................................................……3

1.2.1物理方法预处理水稻秸秆..........................................……3

1.2.2化学方法预处理水稻秸秆..........................................……3

1.2.3生物方法预处理水稻秸秆..........................................……4

1.3水稻秸秆纤维素的降解方式..........................................……4

1.3.1水稻秸秆的酸水解................................................……5

1.3.2水稻秸秆的酶水解................................................……5

2纤维素酶的性质与用途................................................……6

2.1纤维素酶的多酶体系................................................……6

2.2纤维素酶的分子结构................................................……7

2.3纤维素酶的作用机理................................................……9

2.4纤维素酶的分子量大小.............................................……10

2.5纤维素酶的最适反应条件与稳定性...................................……11

2.6纤维素酶的应用...................................................……H

3纤维素酶的生产.....................................................……12

3.1纤维素酶的生产菌种选育...........................................……12

3.2纤维素酶的生产...................................................……14

4水稻秸秆原料生物转化燃料乙醇.......................................……15

4.1燃料乙醇的优越性和使用现状.......................................……15

4.2水稻秸秆纤维素生物转化燃料乙醇的方法.............................……16

4.2.1分步水解发酵法生产燃料乙醇.....................................……16

4.2.2同步糖化发酵法生产燃料乙醇.....................................……16

i

4.2.3固定化细胞发酵生产燃料乙醇.....................................……17

4.3酉良酒酵母途径工程应用于燃料乙醇的生产.............................……17

5本研究的目的、意义和主要内容.......................................……19

5.1本研究的目的和意义...............................................……19

5.2本研究的思路和技术路线...........................................……20

5.3本研究的主要内容.................................................……21

第二章纤维素酶高产菌株的选育及产酶条件研究.........................……23

1材料与方法..........................................................……23

1.1材料.............................................................……23

1.1.1试剂与溶液配制.................................................……器

1.1.2菌种与菌种分离源...............................................……24

1.1.3培养基.........................................................……24

1.1.4主要仪器与设备.................................................……25

1.2方法.............................................................……25

1.2.1水稻秸秆的预处理...........................……，.，...........……25

1.2.2纤维素酶高产菌的分离与纯化.....................................……25

1.2.3纤维素酶高产菌的初步鉴定.......................................……25

1.2.4纤维素酶高产菌的原生质体紫外诱变...............................……25

1.2.5YTOZ产纤维素酶的液体发酵培养方法...............................……26

1.2.6不同预处理水稻秸秆的酶水解.....................................……27

1.2.7分析方法.......................................................……27

2结果与分析.........................................................……29

2.1不同预处理水稻秸秆的各组分含量...................................……29

2.2纤维素酶高产菌的分离与筛选.......................................……29

2.3纤维素高产菌YT01的菌种鉴定......................................……31

2.4纤维素酶高产菌YT01的原生质体紫外诱变............................……31

2.5液体发酵培养基成分与发酵条件对YT02产纤维素酶的影响..............……32

2.5.1不同碳源对YT02产酶的影响......................................……32

2.5.2不同预处理水稻秸秆对YT02产酶的影响............................……33

2.5.3不同氮源对YT02产纤维素酶的影响................................……34

ii

2.5.4微晶纤维素添加量对YT02产纤维素酶的影响........................……35

2.5.5不同无机盐对YT01产纤维素酶的影响..............................……35

2.5.6起始pH对YT01产纤维素酶的影响.................................……36

2.5.7装液量对YT02产纤维素酶的影响..................................……37

2.5.8转速对YT02产纤维素酶的影响....................................……37

2.5.9培养温度对YT02产纤维素酶的影响................................……38

2.5.10接种量对YT02产纤维素酶的影响.................................……39

2.5.n培养时间对YT02产酶的影响.....................................……40

2.6纤维素酶的酶学性质研究...........................................……41

2.6.1温度对纤维素酶各组分酶活的影响................................……41

2.6.ZPH对纤维素酶各组分酶活的影响..................................……41

2.7纤维素酶对不同预处理水稻秸秆的酶解试验...........................……42

3结论与讨论...............................................··········……4:l

3.1关于筛选出的纤维素酶高产菌株....................................……4:3

3.2纤维素酶生产菌的改造............................................……招

3.3青霉YT02产酶条件与酶学特性.....................................……44

第三章YT02产纤维素酶发酵培养基的优化研究..........................……45

1材料与方法....................................···.·················……45

1.1材料.............................................................……45

1.1.1试剂................................................·.·.·······……45

1.1.2供试菌种.......................................················……45

1.1.3培养基................................................·········……45

1.1.4主要仪器与设备.................................................……46

1.2方法.............................................................……4尽

1.2.1实验设计.............................................··········……46

1.2.2培养方法.............................................··········……46

1.2.3分析方法.......................................................……46

2结果与分析..............................................···········……47

2.1部分因子实验筛选发酵培养基的主要影响因子.........................……47

2.2最陡爬坡实验逼近发酵培养基最优点.................................……50

111

2.3中心组合设计优化YT02发酵培养基组成..............................……51

2.4发酵过程中PH、残余还原糖与纤维素酶变化的测定结果.................……59

3结论与讨论...................................……，...............……61

第四章YT02分批发酵产纤维素酶的研究................................……63

材料与方法.........................................................……63

.1材料.............................................................……63

.1.1试剂...........................................................……63

.1.2菌株...........................................................……63

.1.3培养基.........................................................……娜

.1.4主要仪器.......................................................……64

方法.....................·······……

.1用于分批发酵的种子培养.........……

.…64

.…64

1.2.2恒温分批发酵对YT02产纤维素酶的影响.............................……64

1.2.3变温分批发酵对YT02产纤维素酶的影响.............................……64

1.2.4溶氧量对YT02分批发酵产纤维素酶的影响...........................……64

1.2.5分段溶氧对YT02分批发酵产纤维素酶的影响.........................……65

1.2.6分析方法.......................................................……65

2结果与分析.........................................................……65

2.1发酵温度对YT02产纤维素酶的影响结果..............................……65

2.2变温发酵对YT02产纤维素酶的影响结果..............................……68

2.3溶氧对YT02产纤维素酶的影响结果..................................……69

2.4分段溶氧分批发酵对YT02产纤维素酶的影响结果......................……72

3结论与讨论.........................................................……73

第五章YT02产纤维素酶的分离纯化及酶学性质研究...........……

以U（b叮‘叮‘

（bt了叮‘叮‘

材料与方法…

.1材料.……

.1.1试验材料.

.1.2主要试剂.

....……76

.....……76

.3常用储备液及缓冲液....................................……

1.1.4主要仪器........................................................……78

1.2方法..............................................................……78

1.2.1蛋白质浓度的测定方法...........................................……78

1.2.2纤维素酶的分离纯化.............................................……79

1.2.3纤维素酶SDS一PAGE凝胶电泳纯化及酶相对分子量的测定..............……83

1.2.4酶蛋白的N端测序...............................................……85

1.2.5酶蛋白的质谱分析...............................................……86

2结果与分析.........................................................……87

2.1DEAE一SephadexA一25阴离子交换层析结果.............................……87

2.1.1层析收集管酶蛋白同洗脱缓冲液NaCI浓度的关系.....................……87

2.1.2层析收集管酶蛋白活性检测.......................................……88

2.25即hadexG一75分子筛凝胶过滤层析结果..............................……88

2.2.1SephadexG一75分子筛凝胶过滤层析分离酶蛋白......................……88

2.2.2分子筛凝胶过滤层析纤维素酶活测定结果...........................……88

2.3纤维素酶各纯化步骤纯化情况.......................................……89

2.4SDS一PAGE聚丙烯酸胺凝胶电泳.......................................……90

2.4.1SDS一PAGE聚丙烯酸胺凝胶电泳银染结果.............................……90

2.4.2纤维素酶分子量SDS一PAGE凝胶电泳测定结果........................……91

2.5酶蛋白的N端测序结果.............................................……91

2.6酶蛋白的质谱分析结果.............................................……93

3结论与讨论.........................................................……94

第六章酿酒酵母纤维二糖代谢途径的构建及其细胞固定化研究.............……96

材料和方法................................................·········……%

1材料.............................................................……96

1.1菌株和质粒.....................................................……96

1.2分子克隆用酶和试剂.............................................……96

1.3水稻秸秆水解液的制备...........................................……97

2方法.............................................................……98

2.1含纤维二糖酶基因(及咒1)的重组质粒pYMIKP一那艺了的构建方法.......……98

2.2酿酒酵母纤维二糖代谢途径的搭建方法.............................……99

1.2.3酿酒酵母工程菌细胞的固定化方法................................……101

1.2.4固定化酵母细胞发酵方法........................................……102

1.2.5分析方法......................................................……102

2结果与分析........................................................……103

2.1表达及范了基因的重组菌株的构建结果...............................……103

2.1.1目的基因及法了的获得...........................................……103

2.1.2含目的基因那Z了重组质粒的构建.................................……103

2.1.3酿酒酵母工业菌株NAN一27转化子的获得二，........................……104

2.1.4转化子NAN一28细胞纤维二糖酶活性测定结果.......................……1()4

2.2不同固定化条件对NAN一28细胞固定化的影响结果.....................……105

2.2.1不同溶剂对固定化细胞转化纤维二搪的测定结果......……，.......……105

2.2.2不同海藻酸钠浓度对固定化细胞凝胶特性的影响....................……l()5

2.2.3酵母包埋量对固定化细胞转化纤维二糖的影响结果..................……!06

2.3固定化细胞与游离细胞分批发酵实验结果............................……l()6

2.4固定化细胞重复分批发酵试验结果..................................……107

3结论与讨论........................................................……108

3.1酉良酒酵母纤维二糖代谢途径的构建.................................……108

3.2酿酒酵母工程菌细胞固定化.......................................……110

第七章串联式生物反应器转化水稻秸秆生产燃料乙醇的研究..............……112

材料与方法........................................................……112

l材料......................................……，..............……112

1.1试剂.........................................................……112

1.2菌种.........................................................……112

1.3主要仪器与设备...............................................……112

2方法...........................................................……112

2.1稻草粉的预处理................................................……112

2.2纤维素酶的制备................................................……113

2.3稻草粉的酶解糖化..............................................……113

2.4水稻秸秆生物转化燃料乙醇......................................……114

2.5测定方法......................................................……115

vi

2结果与分析........................................................……116

2.1不同预处理方法对水稻秸秆糖化效果的影响结果......................……116

2.2不同温度对水稻秸秆糖化效果的影响结果............................……116

2.3不同pH对稻草粉糖化效果的影响结果...............................……117

2.4不同加酶量对稻草粉糖化效果的影响结果............................……118

2.5不同底物浓度对稻草粉糖化效果的影响结果..........................……118

2.6水稻秸秆同步糖化发酵(SSF)结果.................................……119

2.7串联式反应器转化水稻秸秆生产乙醇................................……120

2.7.1固定化NAN一28细胞发酵生产燃料乙醇结果.........................……120

2.7.2串联式生物反应器的稳定性结果..................................……121

2.7.3分批添料式协同酶解发酵生产燃料乙醇结果........................……122

3结论与讨论......................................................··……122

3.1二级串联式生物反应器生产乙醇....................................……122

3.2分批添料式协同酶解发酵工艺......................................……123

3.3水稻秸秆资源的全利用............................................……123

第八章结论.....................................................……124

主要参考文献......................................................……126

英文缩写与主要符号表...............................................……146

本研究的特色与创新.................................................……147

发表与待发表的学术论文及成果.......................................……148

致谢............................................................……149

作者简介..........................................................……150

你要看哪部分？

利用陈化水稻生产燃料乙醇既可以有效控制陈化粮食流入粮食加工市场,减少国家对此进行储存和控制的费用,又可满足燃料乙醇行业原料需求。燃料乙醇发展现状,总结了水稻脱壳后和玉米粉混合发酵与水稻直接粉碎后发酵这两种水稻制备燃料乙醇的主要生产工艺特点,以期为陈化水稻生产燃料乙醇的生产工艺提供一定的方法借鉴。

生物能源的发展与农业紧密相连，因此燃料乙醇原料非粮化是我国生物质能源发展过程中的必然趋势，也是我国生物质能源发展的必由之路。为了解决粮食生产过剩，缓解能源压力，我国从20世纪末利用玉米等陈化粮生产燃料乙醇。但是随着能源价格的上升，各地玉米燃料乙醇项目纷纷上马，陈化粮被大量消耗，粮食价格上涨，出于粮食安全的考虑，国家鼓励利用非粮原料生产燃料乙醇。生物质能源的发展形成了对农作物的新的需求，将导致对土地形成新的需求..

因作物成熟过程中植株体内的养分向种子或果实集中，所以秸秆中剩余的可消化营养成分很少，大部分为不可消化或难消化的成分，如纤维素、木质素等。奶牛可以少量利用秸秆。为了提高秸秆的消化利用率、适口性和采食量，秸秆饲用前常进行处理。一般的处理方式有：①切短、粉碎、浸泡、蒸煮等物理方法，以改变秸秆的物理性状，提高奶牛对秸秆的利用率和采食量；②氨化、碱化等化学方法，碱化用氢氧化钠和石灰水等浸泡，氨化用液氨、氨水、尿素、碳氨等处理，以软化秸秆，提高适口性和消化率；③微贮等生物的方法，用微生物来分解秸秆中的纤维素和木质素，以提高秸秆的营养价值。

酒精按生产使用的原料可分为三个种类：

淀粉质原料发酵酒精：一般由薯类、谷类和野生植物等含淀粉质的原料，在微生物作用下将淀粉水解为葡萄糖，再进一步由酵母发酵生成酒精；

糖蜜原料发酵酒精：直接利用糖蜜中的糖分，经过稀释杀菌并添加部分营养盐，借酵母的作用发酵生成酒精；

亚硫酸盐纸浆废液发酵生产酒精：利用造纸废液中含有的六碳糖，在酵母作用下发酵成酒精，主要产品为工业用酒精。也有用木屑稀酸水解制作的酒精。

水稻的水稻秸秆应该可以制造工业酒精，因为玉米、水稻和小麦的秸秆都可以造纸，目前最普遍的技术其实是玉米秸秆造纸。

酒精是一种重要的工业原料,广泛应用于食品,化工、

医药等领域,而且可以部分或全部替代汽油,具有安全、清

洁、可再生等优点。传统的酒精生产主要以糖蜜、薯类、谷物

为原料发酵而成。近年来,随着人口增长和经济的发展以及

可利用耕地面积的减少使得酒精生产成本日趋增高,利用

丰富、廉价的玉米秸秆为原料生产酒精已成为必然趋势。我

国是一个农业大国,各种纤维素原料资源非常丰富,仅玉米

秸秆年产量大约2亿吨。目前,玉米秸秆除了少部分被利用

外,大部分以堆积、焚烧等形式直接倾入环境,极大地污染

了环境,也是一种资源浪费。如果将玉米秸秆经过预处理后

水解,其所含的纤维素和半纤维素可分解成糖,经发酵可转

化为酒精,转热效率可达30%以上。这样不但缓解人类所面

临的食物短缺,环境污染、资源危机等一系列问题,而且还

能实现人类的可持续发展,因而近年来玉米秸秆成为生物

能源领域的研究热点。

1玉米秸秆简介

玉米秸秆主要由植物细胞壁组成,基本成分为纤维素、

半纤维素和木质素等。木质素将纤维素和半纤维素层层包

围。纤维素是一种直链多糖,多个分子平行排列成丝状不溶

性微小纤维,半纤维素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖、

甘露糖组成,木质素是以苯丙烷及衍生物为基本单位组成

的高分子芳香族化合物。其中,木质素是一种燃料,半纤维

素可水解为五碳糖,而纤维素水解为六碳糖比较困难。

2玉米秸秆预处理

由于玉米秸秆结构复杂,不仅纤维素、半纤维素被木质

素包裹,而且半纤维素部分共价和木质素结合,同时纤维素

具有高度有序晶体结构。因此必须经过预处理,使得纤维

素、半纤维素、木质素分离开,切断它们的氢键,破坏晶体结

构,降低聚合度。常见预处理方法有物理法、化学法、物理化

学法和微生物法等。

2.1挤压膨化法

该方法属于物理处理法,是将原料粉碎后调节至一定

水分,加入挤压机内,物料在螺杆的旋转推动下向前运动,

同时被剪切、挤压。并且在摩擦热的作用下温度可接近

140℃然后从挤压机中喷出,物料的压力突然降低、体积迅

速膨胀,纤维素晶体结构被破坏,从而为纤维素的酶解处理

创造条件。这种预处理方法生产过程连续,不需要消耗蒸

汽,而且具有灭菌效果。

2.2湿氧化法

湿氧化法属于化学处理法,是指在加温加压条件下,水

和氧气共同参加的反应。湿氧化法对玉米秸秆处理效果很

好,纤维素遇碱,只引起纤维素膨胀,形成了碱化纤维素,但

能保持原来骨架,加入Na2CO3后起缓和作用,能防止纤维

素被破坏,使木质素和半纤维素溶解于碱液中而与纤维素

分离。这样得到的纤维素纯度较高,且副产物很少。匈牙利

Eniko等人采用湿氧化法在195℃,15min,1 200千帕O2,

Na2CO32g/L条件下,对60g/L玉米秸秆进行预处理。其中

60%半纤维素、30%木质素被溶解,90%纤维素呈固态分离出

来,纤维素酶解转化率(ECC)达85%左右。

2.3酸处理法

酸处理法也是一种化学处理法,这种方法可追溯到

1980年,而在德国可能更早。该法是采用硫酸、硝酸、盐酸、

磷酸等对纤维素原料进行预处理,其中以硫酸研究和应用

的最多。处理后,半纤维素首先水解得到无碳糖,纤维素的

结晶结构被破坏,原料疏松,可发酵性强。但水解前必须将

pH值调整到中性,还应该注意反应器的耐酸性。

2.4蒸汽爆破法

蒸汽爆破法属于物理处理化学法,是用蒸汽将原料加

热至180～200℃,维持5～30min,也可加热到245℃,维持

0.5～2.0min。高温高压造成木质素的软化,然后迅速使原料

减压,造成纤维素晶体和纤维束的爆裂,使木质素和纤维素

分离。该法成本较高,在我国可采用北京林业大学赖文衡教

授研究的间歇蒸汽汽爆器对玉米秸秆进行爆破处理,经这

种爆破器爆破的玉米秸秆,纤维素水解转化率(ECC)可达

70%以上。

2.5生物方法

生物处理方法具有节约化工原料、能源和减轻环境污

染等方面的优点。有许多微生物能产生木质素分解酶,如白

腐菌,其分解木质素的能力较强,但活性较低,而且微生物

处理周期长、菌体会破坏部分纤维素和半纤维素,降低纤维

素的水解率,因此难以得到利用。瑞典等北欧国家则利用无

纤维素酶的担子菌突变株对纤维素材料进行脱木质素处

理,取得了一定的效果。

玉米秸秆发酵生产燃料酒精研究现状及前景

武秀琴1,2马灿玲3

(1天津科技大学,中国天津3002222河南工程学院环境工程系3郑州师范高等专科学校生物系)

摘要玉米秸秆是一种丰富的再生资源,主要由纤维素、半纤维素、木质素组成。经过预处理、水解、发酵可生产酒精。预处理方法主要

有物理法、化学法、物理化学法及生物处理法水解主要有酸水解法和酶水解法发酵主要有直接发酵法、间接发酵法、同步糖化发酵法等。

介绍了玉米秸秆生产乙醇的关键技术进展情况。

关键词秸秆酒精预处理研究进展

中图分类号TS262.2文献标识码A文章编号1007-5739(2008)13-0240-02

收稿日期2008-05-07

240现代农业科技》2008年第13期

3水解工艺

玉米秸秆进行预处理后,纤维素水解只有在催化剂存

在的情况下才能显著进行。常用催化剂是无机酸和酶,由此

分别形成了酸水解工艺和酶水解工艺,酸水解工艺又分为

稀酸水解和浓酸水解。水解主要是破坏纤维素、半纤维素的

氢键,使之转化为发酵的单糖。

3.1浓酸水解

用70%的硫酸50℃下在反应器中反应2～6h,半纤维素

首先被降解,溶解在水里的物质经过几次浓缩沥干后得到

糖,半纤维素水解后的固体残渣经过脱水后,在30%～40%的

硫酸中浸泡1～4h。溶液再经脱水和干燥后,在70%的硫酸下

反应1～4h,回收的糖和酸溶液经过离子交换,分离出的酸在

高效蒸发器中重新浓缩,剩余的固体残渣则再循环利用到

下一次的水解中。浓酸水解过程的主要优点是糖的回收率

高,大约有90%的半纤维素和纤维素转化的糖被回收。但浓

硫酸腐蚀性强,而且从经济方面考虑必须回收浓硫酸,增加

了工艺的复杂程度。

3.2稀酸水解

为了解决浓酸水解法存在的问题,一般采用稀硫酸

(0.2%～0.5%),在较温和条件下进行。此时水解一般分2个

阶段:第1阶段为低温操作,从半纤维素获得最大糖产量

第2阶段采用高温操作使纤维素水解为六碳糖,糖的转化

率一般为50%左右。但稀酸水解容易产生大量副产物。

3.3酶水解

酶水解是利用产纤维素酶的微生物或者纤维素酶制

品,直接将半纤维素、纤维素水解成可发酵糖。与酸水解相

比,它可在常压下进行,反应条件温和、效率高、能耗低、选

择性强、环保效果好,显示出良好的应用价值和前景。水解

后可形成单一产物,产率较高(>95%)。匈牙利Eniko等人采

用NovoYm188等水解经湿氧化处理的玉米秸秆,酶解纤维

素转化率(ECC)高达85%。

该法的关键在于纤维素酶的获得和利用,同时要考虑

纤维素酶的成本。丹麦诺维信公司曾经宣布其纤维素酶生

产成本已比当初降低了12倍,现在该公司又取得了重大进

展,纤维素酶生产成本已比最初降低了20倍,生产lL燃料

级乙醇所需纤维素酶的成本已低于6.6美分。这极大地推进

了燃料乙醇的商业化进程。

4发酵工艺

由于农作物秸秆的相当部分由半纤维素构成,其水解

产物为以木糖为主的五碳糖,还有相当量的阿拉伯糖生成

(可占五碳糖的10%～20%),故五碳糖的发酵效率是决定过

程经济性的重要因素。木糖的存在对纤维素酶水解起抑制

作用,将木糖及时转化为酒精对玉米秸秆的高效率酒精发

酵是非常重要的。目前人们研究最多且最有工业应用前景

的木糖发酵产乙醇的微生物有3种酵母菌种,即管囊酵母、

树干毕赤酵母和体哈塔假丝酵母,主要的发酵方法有以下

几种。

4.1直接发酵法

直接发酵法是基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产

乙醇,不需要经过酸水解或酶水解前处理过程。一般利用混

合菌直接发酵,例如热纤梭菌(Clostridium thermoceUum)能

分解纤维素,但乙醇产率较低(50%),热硫化氢梭菌(Col-

stridium thermohydz)不能利用纤维素,但乙醇产率相当高,

如果进行混合发酵,产率可达70%。吕福英介绍了热纤梭菌

的生理生化特性及发酵生产的研究进展,并对热纤梭菌发

酵生产乙醇的因素以及乙醇等发酵产物对热纤梭菌的抑制

作用作了概述。但热纤梭菌产生乙醇也存在以下问题:发酵

不完全、发酵速度慢、终产物乙醇和有机酸对细胞有相当大

的毒性,需要进一步改进。

4.2间接发酵法

间接发酵是目前研究最多的一种方法。使用纤维素酶

水解纤维素,收集酶解后的糖液作为酵母发酵的碳源,先用

纤维素酶水解纤维素,酶解后的糖液作为发酵碳源。但是受

末端产物抑制,低细胞浓度以及底物基质抑制作用影响乙

醇产量。因此可采取的方法有:减压发酵法和阿尔法—拉伐

公司的Bi-otile法,还可以通过筛选在高糖浓度下存活并能

利用高糖的微生物突变菌株来克服基质抑制。

4.3同步糖化发酵法(SSF法)

这种方法的原理和间接发酵法相同,是为了克服反馈

抑制作用,由Gauss等提出的在同一反应器中糖化和发酵同

步进行。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。水解产物葡萄糖由于菌体的不断

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。当然也存在一些抑制因

素,如木糖的抑制作用,糖化和发酵温度不协调。张继泉在

这方面进行了大量的实验研究,并取得了一定的进展。

4.4固定化细胞发酵

固定化细胞发酵能使发酵罐内细胞浓度提高,细胞可

连续使用,使最终发酵液酒精浓度得以提高。常用的固定化

载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃等。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,被看作是玉米秸秆生产乙醇

的重要方法。

5结论与展望

今后,玉米秸秆生产酒精的研究方向将主要集中在以

下几个方面。

5.1预处理方法

单纯的物理法和化学法不足以破坏纤维素晶体结构以

及去除半纤维素和木质素,应综合运用物理法与化学法,一

步完成预处理和水解2个阶段,有效提高纤维素的水解率。

5.2糖化工艺

发酵过程的酒精产率受许多因素影响,其中主要是水

解效率和单糖产量。比较而言,酶水解较酸水解有较大的优

越性,将成为今后糖化工艺的主要发展方向。

(下转第243页)

大田农艺

241现代农业科技》2008年第13期

区,在生产中培育优质高产栽培典型,将优良品种、生产技

术传授给农民,提高生产水平,从而自觉地实行生产操作规

程。为此,课题组要求各县(市)区狠抓园区建设工作,3年总

计建设20个千亩以上园区,均收到了良好的效果。在新品

种引进种植展示园和绿色有机杂粮规范化种植展示园方

面,通过实地技术操作和展示效果验证,产生了较强的辐

射带动作用。

2.7为确保实现标准化生产,在栽培管理上大力推选“九

改”集成技术

实现了从基地到餐桌全过程质量控制,涌现出许多谷

物优质高产典型。如2005年北票市北四家子乡南四家子村

集中连片种植朝新谷5号33hm2,平均产量7 740kg/hm2,最

高产量达到9 780kg/hm2。

2.8兴建龙头企业,培育绿色有机杂粮市场,延长产业链,

提高产品附加值

“辽西绿色有机杂粮生产基地建设与食品开发”项目实

施3年,累计建设杂粮生产基地5.33万公顷以上,其中绿色

有机杂粮生产基地2.16万公顷,从而形成了规模效应,为农

产品加工业提供了可靠的优质原料保障。目前全市共有各

类杂粮加工企业743个,年生产加工销售能力100万吨,其

中绿色有机杂粮6万吨,实现销售收入4.5亿元。同时,杂粮

基地规模化也带动了当地的杂粮市场建设。东北最大的杂

粮集散地建平朱碌科,建起25 000m2的杂粮交易批发市场,

绿色有机杂粮收购、加工、销售“十里长街”已初具规模,产

品主要销往国内大中城市并出口日本、韩国、德国、新西兰

等国家。

3项目成效

3.1规模大、有特色

建设绿色有机杂粮生产基地与食品开发,认证标识累

计规模为2.16万公顷,占全省认证总面积的60%,具有先进

农业区域经济与外向型经济的特色。经国内同行专家验收

一致认为:该项目产业化规模和技术水平在我国同类地区

具有领先地位。

3.2为旱作农业开辟了一条新路

针对辽西干旱地区的自然地理条件的特点,科学地开

发利用有限的耕地,实施绿色、有机杂粮标准认证,提高了

农产品的质量,创造了农业干旱地区增产增收的新途径。

3.3创出一条“科研+公司+农户+生产基地”四位一体的新

模式

形成产、加、销良性循环,拉动绿色有机杂粮加工业的

发展,实施农业名牌战略,提高了绿色有机杂粮食品的市场

占有率。3年累计出口创汇1.37亿元,促进了外向型经济的

迅猛发展。

3.4提高了农产品的附加值

3年中,绿色A级杂粮平均产值为1.92万元/hm2,平均

效益为1.60万元/hm2有机食品产值2.79万元/hm2,效益为

2.41万元/hm2。绿色、有机杂粮平均效益为2.03万元/hm2,比

项目区外杂粮对照平均效益增收1.03万元/hm2。

3.5改善了农业生态环境

绿色、有机农业就是生态农业。通过该项目的实施,在

认证的区域范围内,从根本上改变了农业的耕作方式,保护

了生态体系及周围环境生物的多样性,有效地减少和治理

了环境污染,不仅提供了安全的食品,而且促进了人与自然

的和谐。

通过3年绿色有机杂粮生产基地建设项目的实施,极

大地推进了科技产业化进程,推动了外向型经济的快速发

展,促进了第二、第三产业的繁荣,加速了杂粮新品种的更

新换代。由于推广粮草兼用型朝新谷5号新品种粮草比为

1∶1.3,不仅促进了农业的二元结构向三元结构的转移,而且

还带动了辽西畜牧业的发展。实践证明:干旱地区建设绿色

有机杂粮生产基地,在科技产业化中发挥了重要的作用,具

有广阔的前景。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

(上接第241页)

5.3发酵菌株

菌种是发酵工业的灵魂,在玉米秆原料生产酒精过程

中,运用现代的育种技术培育出高效的直接发酵菌株,在适

应特殊基质条件、简化生产工艺等方面将会有所突破。若能

筛选到抗高浓度糖的基因突变菌株则可以克服纤维素原料

水解过程的抑制效应,提高发酵效率。

5.4发酵工艺

可以采用一定的技术手段,将发酵过程产生的乙醇不

断抽出,使发酵罐中的乙醇浓度≤10%,减轻乙醇对菌株生

长及乙醇生成的抑制作用,降低生产成本。

以玉米秸秆等纤维素生产酒精技术是世界各国研究的

热点,与其他生物能源、替代能技术相比,无论是在经济合

理性、技术可行性方面,还是在资源可持续性和环境协调性

方面都具有明显的优势,而且还可解决我国的石油资源短

缺和环境污染问题,有利于保证国家能源安全和社会协调

发展。

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