纤维素生产乙醇的化学预处理法

该文介绍利用纤维素发酵生产燃料酒精工艺及其在世界各国发展状况重点阐述纤维素发酵生产酒精工艺中预处理、水解及发酵过程,并对该工业在我国发展提出建议.

将半纤维素转化成燃料酒精时,必须先转化成小分子的半纤维素糖,之后发酵成酒精.预处酶解前用CO2爆破法对纤维物质进行预处理效果很好酶解前用稀酸预处理可将半纤维素和淀粉转化为单糖,而剩余的纤维素成分可用纤维素酶将其水解为小分子糖,该法是一种很好的将玉米纤维转化为可发酵糖的工艺.应用代谢工程作为工具选育一些菌株,可有效而经济地将半纤维素水解液中的各类糖类转变为有用的产物.(陶然)

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。

用粉碎、酸处理，汽爆、氨爆、二氧化碳爆破、碱法等预处理含纤维素的原料（木材、草、秸秆等）使纤维素、半纤维素、木质素发生分离，使纤维素易于接触催化剂，再用酸法或酶法水解纤维素生成葡萄糖，再用酵母菌将葡萄糖发酵成乙醇。

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

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。