工藝與設(shè)備秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)研究侯玉潔',張建剛',夏晨1,侯小輝2(1.揚州大學動物科學與技術(shù)學院,江蘇揚州225009:2.新疆阿勒泰市畜牧獸醫(yī)站,新疆阿勒泰8365000摘要:文章就秸稈預(yù)處理方法、纖維素酶水解、菌種與發(fā)酵工藝3個過程的多種化學或生物技術(shù)的研究進展進行了分析關(guān)鍵詞:秸稈;燃料乙醇;預(yù)處理;酶水解;發(fā)酵工藝中圖分類號:S513;S816.8文獻標志碼:A文章編號: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石油是一種不可再生資源,隨著石油資源的緊素的結(jié)晶結(jié)構(gòu),聚合度下降。實驗室中秸稈預(yù)處理缺,尋找和開發(fā)新的燃料資源迫在眉睫,生物能源的方法主要包括物理法、化學法和生物法。因其儲存量大,作為可轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生資1.1物理法源,發(fā)展最快的是燃料乙醇,2004年巴西以甘蔗1.1.1機械粉碎為原料生產(chǎn)燃料乙醇1200萬t;美國以玉米為原料機械粉碎主要是利用球磨將纖維素物質(zhì)粉碎生產(chǎn)燃料乙醇1000萬t。糖蜜、糧食淀粉和木質(zhì)纖進而促進糖化。機械破碎后,木質(zhì)素仍被保留,但維素都可用來生產(chǎn)燃料乙醇,但要依靠糖蜜和糧食木質(zhì)素和纖維素與半纖維素的結(jié)合層被破壞,降低淀粉作為原料來解決用量很大的燃料問題顯然是不聚合度。機械粉碎可提高其后續(xù)反應(yīng)的接觸面積,現(xiàn)實的。燃料乙醇是最現(xiàn)實的液體燃料替代用品之從而提高其反應(yīng)性能和提高水解糖化率,有利于酶,大力發(fā)展燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化進程已經(jīng)成為處理解過程中纖維素酶或木質(zhì)素酶的進攻。但是粉碎處秸稈有效方式。理的高糖化率的程度有限,耗能大,其能耗占工藝1預(yù)處理方法過程總能耗的50%~60%,而且有些材料還是不適秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗蛋合粉碎處理的。白和水構(gòu)成,難溶于水和其他有機溶劑,化學性質(zhì)1.1.2聲波電子射線法相對穩(wěn)定,充分的預(yù)處理能破壞細胞壁表明的包聲波電子射線法需要高能射線流發(fā)生裝置,用裹,使得纖維素酶能與作用底物充分接觸,原料預(yù)微波或超聲波對纖維素進行預(yù)處理,將物料粉碎成處理技術(shù)可以部分破壞木質(zhì)素的包裹作用以及纖維極小的顆粒,可增大其表面積,提高纖維素的可接收稿日期:2011-11-03作者簡介:侯玉潔(1988—),女,新疆阿勒泰人,碩土研究生,研究方向為動物的微生態(tài)營養(yǎng)與分子營養(yǎng)24飼料博覽2011年第12期工藝與設(shè)備觸性;還可破壞其結(jié)晶性,提高纖維素的反應(yīng)活加熱4h后,玉米秸稈的酶水解能力比預(yù)處理前有性,使其在以后的糖化階段更易于加快反應(yīng)速率。了很大的提高2。堿性過氧化法與傳統(tǒng)的堿處理法Xiong等硏究了微波對纖維素I超分子結(jié)構(gòu)的影響,的水解產(chǎn)物有所不同,利用10%濃度的KOH萃取發(fā)現(xiàn)微波作用沒有引起纖維素化學結(jié)構(gòu)和結(jié)晶形成麥稈然后堿性漂白,得到的半纖維素成分中木糖的的變化,但使得結(jié)晶度和晶區(qū)尺寸增大b含量較高,利用2%HO2在堿性條件下萃取麥稈,1.13蒸汽爆破法得到的半纖維素成分中阿拉伯糖和葡萄糖的含量較蒸汽爆破法作為一種物理方法,使纖維素結(jié)合高層受到破壞,提高對酶作用的敏感性,可以有效地1.2.3氧化法分離出活性纖維,并且不用或少用化學藥品,對環(huán)氧化預(yù)處理是指利用臭氧、氧氣、過氧化氫、境無污染且能耗較低,是近年來發(fā)展快、成本低、過氧酸等多種氧化劑對原料進行處理,氧化去木質(zhì)比較有效的木質(zhì)纖維高效分離技術(shù)。在高溫、高壓素,在HO2的存在下,過氧化物酶可以催化氧化蒸汽中,植物原料經(jīng)過蒸煮產(chǎn)生一些酸性物質(zhì),使木質(zhì)素。脫除原料中的木質(zhì)素,并使原料本身發(fā)生半纖維素降解成可溶性糖,同時復合胞間層的木質(zhì)物理和化學變化,以有利于后續(xù)纖維素的水解。目素軟化和部分降解,從而削弱了纖維間的黏結(jié),為前常用的為濕氧化法,即在較高的溫度和壓力下爆破過程提供選擇性的機械分離,同時在蒸汽爆破利用水和氧氣,氧化降解植物纖維原料。Vaga等用瞬間完成的絕熱膨脹過程對外做功,使物料從細胞濕氧化法在195℃、1.2x10°kPa條件下,對60g·L間層解離成單個纖維細胞。但蒸汽爆破法的高溫高的玉米秸稈預(yù)處理15min,其中60%的半纖維素壓蒸汽使部分半纖維素的乙?；?生成的乙30%的木質(zhì)纖維素被溶解,90%的纖維素呈固態(tài)分酸、糠醛酸等能夠催化半纖維素繼續(xù)水解生成槺醛離出來,纖維素酶解轉(zhuǎn)化率達85%3。纖維素遇堿等物質(zhì),易導致木糖損失>50%。總之,經(jīng)過物理后膨脹,加入NaCO作用在于防止纖維素被破方法處理過的秸桿,既能增加酶對纖維素的親和壞,半纖維素與木質(zhì)素大部分溶解于堿液中,進而性,還使得還原糖產(chǎn)出率提高。有效的與纖維素進行分離,得到高純度的纖維素。12化學法13生物法1.2.1酸處理法生物法是利用棕腐真菌、白腐真菌和軟腐真菌般用來處理纖維素原料的酸可以用強酸(硫?qū)Π肜w維素和木質(zhì)素進行處理,能有效降解纖維素酸),也可以用烯酸,由于生產(chǎn)設(shè)備的限制,烯酸和木質(zhì)素。生物預(yù)處理方法較物理、化學預(yù)處理方法以其對設(shè)備耐酸性要求較低,較之強酸也能有效法更好,原因在于需要環(huán)境條件緩和,但是就提高水解纖維素,越來越受到青睞。強酸預(yù)處理方法是轉(zhuǎn)化率還有待進一步研究。Song等利用白腐菌降將粉碎顆粒送入預(yù)處理反應(yīng)器,蒸汽溫度為200~解秸稈中的木質(zhì)素。經(jīng)過微生物預(yù)處理后,秸稈中250℃時,高壓蒸汽和硫酸對原料進行處理,持續(xù)的木質(zhì)素降低,且木質(zhì)素降解率越高,乙醇產(chǎn)量越時間160℃C)、連續(xù)反應(yīng)和低溫批次方15.8%4。法。稀酸預(yù)處理方法在后期需要用大量的堿液來中2纖維素酶水解和殘留的酸,對環(huán)境也有很大影響。在經(jīng)過預(yù)處理的秸稈原料基礎(chǔ)之上,需要經(jīng)過1.2.2堿處理法進一步的糖化水解才能成為可以被微生物利用的單堿處理的作用機理是通過堿的作用來減弱纖維糖。實驗室中常用的水解方法主要為酸水解和酶水素和半纖維素之間的氫鍵,其效果取決于原料中木解。酸水解對工藝條件要求苛刻,其回收困難,后質(zhì)素的含量。稀NaOH溶液處理原料可以使得物料期處理不方便,會對造成環(huán)境污染;酶解法條件溫的孔隙率和滲透性不斷增大,聚合度和結(jié)晶度減和,利于環(huán)境保護。因此,在纖維素乙醇發(fā)酵過程小,使木質(zhì)素和糖之間的結(jié)合鍵分離,分裂木質(zhì)素中所應(yīng)用的纖維素酶包括葡聚糖內(nèi)切酶(ED)、纖結(jié)構(gòu)。Kar等對玉米秸稈進行了石灰預(yù)處理,每g維二糖水解酶(CBH)和B-葡萄糖苷酶(CL)。這3生物質(zhì)加入Ca(OH)20.075g和水5mL,在120℃下種酶協(xié)同作用,缺一不可。酶水解纖維素歷程分3工藝與設(shè)備步進行,內(nèi)切葡聚糖酶雜亂地水解纖維素底物分3.2.4同步糖化發(fā)酵法子的糖苷鍵,生成小的葡聚糖;外切葡聚糖酶從同步糖化發(fā)酵法(SSF法)先用纖維素酶水解纖其鏈端將其水解生成纖維二糖和其他更小分子的維素,酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源。由于酒精產(chǎn)低聚糖;β-葡萄糖苷酶水解纖維二糖成為葡萄量受末端產(chǎn)物抑制,主要受低細胞濃度以及底物糖。雖然酶的作用條件適宜且實用性較強,但是基質(zhì)抑制,為了克服反饋抑制作用,有研究指確保酶達到一定的利用率是關(guān)鍵問題。出,在同一個反應(yīng)罐中進行纖維素水解(糖化)和3菌種與發(fā)酵工藝酒精發(fā)酵的同步糖化發(fā)酵法。纖維素的水解和發(fā)31茵種酵是在同一個發(fā)生裝置中進行,水解得到的葡萄要以秸稈水解液為底物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,必須糖在菌體的分解作用下及時分解,減少了對纖維選育或者構(gòu)建能夠同時代謝五碳糖和六碳糖的微素酶的抑制作用。生物,同時要求微生物對抑制物具有一定的抵抗32.5非等溫同步糖化發(fā)酵法能力。國內(nèi)外很多研究人員致力于同步代謝五碳非等溫同步糖化發(fā)酵法(NSSF)是由SSF法衍糖和六碳糖的微生物菌株的構(gòu)建工作,并對重組生而來。實驗室研究表明,糖類發(fā)酵最適溫度為菌株的發(fā)酵工藝進行了探索,其中研究最多的菌35℃,然而水解糖化適宜溫度約為50℃。協(xié)調(diào)這株是釀酒酵母和運動芽孢桿菌。兩個溫度指標,實現(xiàn)盡可能一致,對于提高乙醇3.2發(fā)酵工藝生產(chǎn)效率至關(guān)重要。NSSF法通過熱量交換“暢通由于秸稈中纖維素含量較多,水解得到一定能量傳遞,在確保水解和發(fā)酵溫度最佳的條件下濃度的木糖,然后木糖對纖維素酶水解有一定的減少能量損失。抑制作用,如何減少木糖的累積作用,將其及時4小結(jié)轉(zhuǎn)化為酒精是值得探討的問題以作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇成為當今世界研究3.2.1直接發(fā)酵法的熱點,全世界很多國家早已開始了探索能源之直接發(fā)酵法是基于纖維分解細菌直接發(fā)酵纖路,而用秸稈生產(chǎn)燃料乙醇還未能大規(guī)模的步入工維素生產(chǎn)乙醇,不需要經(jīng)過酸水解或酶解前處理業(yè)化進程,在預(yù)處理方面應(yīng)該嘗試結(jié)合物理和化過程?？芍苯影l(fā)酵的細菌有嗜熱菌(40-65℃)和極學處理方法進行深入探索;在纖維素水解過程中端嗜熱菌(65℃),研究最多的是熱纖梭菌,其是提高酶的產(chǎn)量和纖維素活性以及提高酶的利用嗜熱產(chǎn)芽孢的嚴格厭氧菌,革蘭氏染色呈陽性,率;纖維素酶、半纖維素酶研究過程中對微生物能夠分解纖維素,并能使纖維二糖、葡萄糖、果的選擇和培養(yǎng)等進行更加深入細致的研究糖等發(fā)酵。目前看來,熱纖梭菌是將纖維素直接轉(zhuǎn)化為乙醇的最有效菌種。在分解過程中,處理參考文獻工藝簡單,但是乙醇產(chǎn)率還有待于提高。3.2.2間接發(fā)酵法[1]熊犍,葉君,梁文芷,等.纖維素醚/Eu(Ⅲ)羧酸配合物的結(jié)構(gòu)間接發(fā)酵法是利用纖維素酶水解纖維素,得及熒光性能華南理工大學學報:自然科學版,200028(3)到的葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生乙醇,由于末端生成產(chǎn)物的積累,必須持續(xù)的從發(fā)酵罐中移除乙醇,目前實[21 Kaar WE, Holtzapple M T. Using lime pretreatment to facilitate驗室中通常采用的方法主要有減壓發(fā)酵法、快速the enzymic hydrolysis of corn stover. Biomass and Bioenergy發(fā)酵法等。2000,18(3):189-1993.23固定化細胞發(fā)酵法[3 Large E, Schmidt固定化細胞發(fā)酵法可以使得細胞連續(xù)使用ing wet oxidation to enhance enzymatic digestibility[J]. Applied反應(yīng)器細胞濃度升高,進而提高發(fā)酵液乙醇濃hemistry and Biotechnology, 2003, 104(1): 37-50度,常用的載體有海藻酸鈉、卡拉膠、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運動發(fā)酵單孢菌的iment of ethanol ferm entation[J]. Wuhan University Journal of固定化。Natural Sciences, 2007, 12(2): 343-34826飼料博覽2011年第12期