玉米秸秆制取燃料乙醇的研究进展

第1期总第187期农业科技与装备No. 1 Total No, 1872010年1月Agricultural Science& Technology and Equipmentan.2010玉米秸秆制取燃料乙醇的研究进展冯丽敏(辽宁职业学院辽宁铁岭112001)摘要:针对玉米秸秆的组分成分特点,探讨以玉米秸秆为原料制取燃料乙醇的机理,以及玉米秸秆预处理、水解发酵工艺的最新研究进展,并对各种T艺进行比较,以便为玉米秸秆原料制取燃料乙醇关键技术研究和实现产业化提供技术支持。关健词:玉米桔秆;燃料乙醇;预处理;发酵中图分类号:TS2622文献标识码:A文章编号:1674-1161(201001-0029-03近年来,生物质能的研究已成为令人关注的研究为大量的五碳糖(木糖和阿拉伯糖)和六碳糖(葡萄糖课题,其中利用农业废弃物发酵生产燃料乙醇逐步成半乳糖和甘露糖)。木糖是木质纤维素水解物中含量为研究热点。玉米秸秆作为一种重要的农业废弃物,仅次于葡萄糖的一种单糖,含量可达30%。分析表到了广泛的关注。目前,我国玉米秸秆除了少部明,适宜的木糖发酵产率和乙醇浓度可以使整个生物分被利用外,大部分以堆积、荒烧等方式直接倾入环转化工艺总成本降低25%。由此可见,对已有菌株境,造成极大的环境污染和资源浪费,且这种直接燃进行改造使其能高效利用木糖生产乙醇,是木质纤维烧的方法热效率很低,只有10%左右。如果将它们转素资源得以广泛利用的关键。化成气体或液体燃料,如乙醇、氢气、柴油等,其热效普通酒精酵母无法利用五碳糖发酵产生乙醇η,率可达30%以上,而且可以缓解人类所面临的资源而产阮假丝酵母可以发酵五碳糖并产生乙醇。在产阮危机、食物短缺、环境污染问题,从而为人类可持续发假丝酵母和酒精酵母的共同作用下,可同时将五碳糖展提供保证。和六碳糖发酵生成乙醇,其化学反应方程式周为1玉米秸秆组分C6H12O%- 2C2HS OH + 2C0玉米精秆组分成分见表12C5HoOs-3CHsOH 4c0表1玉米秸秆的化学组成2制备燃料乙醇的原理Table 1 Chemical compositions of corn stalk /以木质纤维素为原料制备燃料乙醇的原理如图组成含量1所示。纤维素3733水解工艺半纤维素木质纤维素的水解方法主要有稀酸水解浓酸水木质素解、酶水解等。灰份3.1稀酸水解工艺醋酸盐由于稀酸水解具有成本低、过程简单、水解率高、可溶出物13.0木聚糖转化成木糖的转化率高等特点,因而被广泛应其他用。木质纤维素在稀酸水解过程中会产生大量的抑玉米秸秆结构复杂,纤维素、半纤维素被木质素制因子阻碍生物质转化为乙醇"。这些抑制門子包裹,半纤维素部分共价和木质素结合,而纤维素具包括呋喃衍生物、弱酸、酚类,其中糠醛5-羟甲基有高度有序的晶体结构,因此,必须经过预处理使纤糠醛是酵母生长和发酵的最主要抑制因子,可以减维素、半纤维素、木质素分离开,切断它们的氢键,破少酶的活性打断DNA的复制抑制蛋白和RNA的坏晶体结构,降低聚合度。表达叫,甚至杀死酵母菌。为了促进发酵,应先用传统利用酸解或酶解的方法可以将木质纤维素转化方法共物笕哩里方法)对水解液进中国煤化工行脱高发酵成本和增加收稿日期:200-12发酵」CNMHG部分碳源。因此,寻作者简介:冯丽敏(1965-),女,副教授,高级工程师,从事机械找耐毒的高产酒精酵母菌,对燃料乙醇的工业化生产工程方面的教学与研究工作。具有重要意义。农业科技与装备2010年1月葡萄糖发酵直接发酵]发酵本质纤维素预处理纤维系料乙醇直接发酵木质素(不能转化为可代谢糖源)图1以木质纤维素为原料制备原料乙醇的原理Figure 1 Mechanism of extracting raw ethanol with lignocellulose as the raw material32浓酸水解工艺表2玉米秸秆预处理方法浓酸水解的原理是:在较低温度下,结晶纤维素Table 2 Pretreatments of corn stalk完全溶解在硫酸中,并转化成含几个葡萄糖单元的低方法聚糖,再把此溶液加水稀释并加热,经过一定时间后物理法机械粉碎、高温分解、声波、电子射线蒸汽爆破法、氨纤维爆破(即AFEX)、CO2纤就可把低聚糖水解为葡萄糖。浓酸水解的优点在于:物理化学法维爆破挤压膨化是糖的回收率高,可达90%以上;二是水解相对迅酸水解{稀酸(HSO)浓酸(HSO4HCD速,只需10~12h;三是极少降解。其缺点是对设备要碱水解(NaOH、碱性过氧化氢氨水)求高,且酸必须回收。化学法氧化脱木素(OO2NCO3)、有机溶剂(甲醇、Arkenol公司采用离子排斥法分离出水解液中的乙醇、丁醇、苯)酸和糖。生物法纤维素酶木质素酶33酶水解工艺预处理方法。酶水解是一种生化反应,加入水解器的是微生物4发酵工艺产生的纤维素酶。酶水解的优点:1)在常温下进行,微典型的发酵工艺方法包括直接发酵法间接发酵生物的培养与维持仅需较少的原料,过程能耗低;2)法、同步糖化发酵法SSF法)和固定化细胞发酵法。酶有很高的选择性,可生成单一产物,故糖的产率高41直接发酵法(大于95%);3)由于酶水解过程中基本不加化学药直接发酵法是指用同一微生物完成纤维素的糖品,且仅生成很少的副产物,所以提纯过程简单,可以化水解和发酵过程。这种发酵法的工艺设备简单成避免污染。酶水解的缺点是所需时间较长,一般需要本低,但发酵速度慢,副产物的抑制作用会使乙醇的几天,且相应的反应器体积很大酶成本较高,水解原产率降低。实际生产中通常利用混合菌直接发酵,可料须经预处理使乙醇产率提高到70%。采用酶水解工艺原料在糖化、发酵前必须进行预42间接发酵法处理,一方面可以降低纤维素的结晶度,解除木质素间接发酵法即糖化、发酵二段发酵法,是目前研障碍;另一方面能够降低纤维素的聚合度,增加原料究最多的一种方法它是利用纤维素酶水解纤维的外表面积进而提高纤维素与水解催化剂的可结合素,同时收集酶解后的糖液,作为酵母发酵的碳源。乙性。预处理必须满足以下要求一是促进糖的形成,醇产物由于受到末端产物的抑制因此必须不断地将或提高后续酶水解成糖的能力;二是避免碳水化合物其从发酵罐中移出。采用减压发酵法和快速发酵法可的降解或损失;三是避免副产物形成后阻碍后续水解以对细胞进行循环使用,提高细胞浓度。还可筛选能和发酵过程;四是有成本效益。在高糖浓度下存活并利用高糖的微生物突变株,以使预处理的方法主要有物理法化学法物理化学菌体分阶段逐步适应高基质浓度,克服基质抑制。该法、生物法等。各方法的具体内容见表2。法需中国煤化工而成本较高。物理化学法甚至可以去掉60%~80%的木质素43使纤维素水解率大大提高。但这种方法的成本高CNMHG素酶对纤维素的酶且同时产生对水解和发酵起抑制作用的副产品。实践水解和发酵糖化过程是在同一装置内连续进行的,水证明,运用生物法降解木质素是一种发展前景较好的解产生的葡萄糖由于菌体的不断发酵而被利用,因2010年第1期冯丽:玉米秸秆制取燃料乙醇的研究进展31此,可以消除葡萄糖因基质浓度对纤维素酶的反馈抑璃等。固定化细胞的新动向是混合固定细胞发酵,如制作用。在工艺上采用同步发酵法,既可简化设备和酵母与纤维二糖酶一起固定化后将纤维二糖基质转节约总生产时间,又可提高生产效率。但这种发酵法化成乙醇。这种发酵方法被看作是秸秆生产乙醇的重存在一些抑制因素,如木糖的抑制作用糖化和发酵要方法。温度不协调等。实践中常采用耐热酵母(如假化酵母、5结语克劳林比酵母等)解决温度不协调问题。张继泉等目前,玉米秸秆制取乙醇技术已基本成熟,但由作了有关玉米秸秆同时糖化发酵生产燃料乙醇的研于纤维素酶的成本太高、预处理过程化学试剂的应用究,并利用燃料乙醇的条件进行了摇瓶试验。投入过大等原因,致使纤维素乙醇的生产成本过高44固定化细胞发酵还无法与用粮食生产乙醇相竞争。以纤维素为原料制固定化细胞发酵能使发酵罐内细胞浓度提高,细取燃料乙醇距市场化要求尚有一定差距需要科技工胞可连续使用,并可提高最终发酵液乙醇浓度。固定作者进一步研究。化细胞发酵的常用载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻参考文献)黄宇彤杜连祥世界燃料酒精发展形势门食品与发酵T业,200(l}12-14.2]张继泉王瑞祥利用木质纤维素生产燃料酒精的研究进展门酿酒科技0031):39-41[3] JEEWON LEE Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol[J Journal of Biotechnology, 1997(56): 1-24.4胡代泽我国农作物秸秆资源的利用现状与前景资源开发与市场200016(1:19-205]窦克军孙春宝玉米秸秆发酵生产乙醇的研究进展小四川食品与发酵,2007(1)30-34[6JJEFFRIESTW, KURTMAN CP. 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