木质纤维素生产乙醇的研究进展

林产工业CHINA FOREST PRODUCTS NNDUSTRY木质纤维素生产乙醇的研究进展贾莉华摘要:利用木质纤维素制备乙醇是解决能源结构的有效方法。笔者从木质纤维素制备乙醇的原理、木质素的预处理以及酶催化纤维素的水解过程等几个方面对近年来木质纤维素制备乙醇研究概况进行了综述和概括关键词:木质纤维素;乙醇;预处理;酶催化水解中图分类号:TQ53;TQ517文献标识码:A文章编号:1001-5299(2007)05-0010-03Advances in Study on the Production of Alcohol from LignocelluloseJIA li-huaHarbin Research Institute of Forestry Machinery. China State Forestry Administration, Harbin 150086, China)Abstract: The production of alcohol from lignocellulose is an effective way to improve energy struc-ture. This paper reviews the recent development of the alcohol production from lignocellulose in termsof the processing principle, the pretreatment of lignocellulose and the enzymatic hydrolysis of celluKey words: Lignocellulose; Alcohol; Pretreatment; Enzymatic hydrolysis能源危机一直是困扰世界各国经济和社会发展的科、硬木和软木中各组分的含量大体为:纤维素,42%重大问题。目前,能源的主要供给依然是石油。然而45%;半纤维素,26%~40%;木质素,17%~据科学家们预测到21世纪中期原油的产量将下降到29%1-5。其中,纤维素和半纤维素可以进行水解最现在的1/5。在这种形式下,开发新的可替代能源成后得到乙醇发酵的原料,其原理如图1所示。为各国学者关注的热点问题纤维乙醇是一种重要的能源物质,其燃烧值为解成做碱[大钓质26900kJ/kg,被视为石油的最佳替代品。目前其主要休坪雄图但处围{[半纤门的生产方法是以淀粉和糖类为原料,经过进一步发酵[质最后得到乙醇。尽管工艺技术成熟,但高昂的成本使(不能转化为乙醇)发酵法生产乙醇的实际应用受到很大限制。木质纤维素是一种可通过水解、发酵等作用并最终转化为乙醇的可再生天然资源。从降低成本的角度考虑,以来源木质纤维素生产乙醇的工艺过程中一般要经过预丰富的木质纤维素为原料生产乙醇的研究越来越得到处理水解催化和发酵等过程。重视。笔者将就利用木质纤维素生产乙醇的研究现状纤维素是一种由100~1000个βD吡喃式葡萄进行综述。糖基通过P1-4糖苷键连接起来的具有线性结构的直链多糖并且多个分子平行紧密排列成丝状不溶性微1木质纤维素生产乙醇的原理小纤维。在工业上,纤维素经酸解或酶解预处理后,生木质纤维素含有丰富的纤维素、半纤维素和木质成的葡萄糖可进入乙醇发酵的途径。半纤维素是由多素而且其相对含量随原料不同变化很大。例如禾本种多M凵中国煤化工同来源的半纤维素其CNMH纤维索原料中的半贾莉华,工程师,国家林业局哈尔滨林业机械研究所,哈尔滨纤维素组分可以有效降低乙醇的生产成本,这主要与修回时间:2007-0625半纤维素水解产物木糖的存在有关。另外在水解过林产工业2007年第34卷第5期产工业CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY程中还存在多种形式的分解、氧化等复杂反应。在这研究发现,表面活性剂对木质纤维素酶解产率的一过程中的主要生成物有甲酸、乙酸糠醛、羟甲基糠提高至关重要。所用的表面活性物质包括蛋白质1醛糠醛酸、已糖酸等。而木质素则不能转为为乙醇,吐温、聚乙二醇(PEG)11等。研究发现添加吐但其存在对后续发酵生产乙醇有一定的负面影响。温或PEG可以显著提高酶解产率添加PEG还可以使酶解时间从72h减少到48h1)。 Borjesson1等研2木质纤维素的预处理究了PEG添加剂对酶催化水解速率的影响,结果发木质纤维素的预处理是木质纤维素生成乙醇工艺现,木质纤维素的转化率得到明显提高。其原因是中一个必不可少的环节。预处理的目的就是脱除不能PEG与木质素之间的疏水作用使PEG在木质素表面转化为乙醇的木质素、提髙后续酶水解速率以及防止的密度增加,从而削弱了木质素对纤维素酶解反应的副产物阻碍后续的水解和发酵过程。此外,木质纤维抑制作用素中的纤维素结构复杂,内部存在大量的晶区、非晶区结构和氢键,在溶剂中的溶解度较低。经过预处理4结论可以降低纤维素的聚合度和结晶度,以提高溶解性利用木质纤维素生产乙醇是缓解目前能源问题较目前,木质纤维素的预处理技术很多,大体上可以分为好的选择。然而如何进一步提供乙醇的产率是急需物理法、化学法物理化学法以及生物预处理等。其解决的问题之一。在其生产工艺中,采用酶催化法水中,物理法主要包括机械粉碎、高温分解和高能辐射,解纤维素格外受到重视,但还需解决寻找更加稳定、成主要目的是破坏纤维素的晶体结构,以利于酶的催化本更低的生物酶等关键问题。相信解决好这些问题,水解;王振宇等提出采用超低温冷冻结合超微粉碎的那么采用木质纤维素制备乙醇必将给社会带来更大的方法对白桦木质纤维素进行预处理并用纤维素酶对效益。所获得的超微粉体进行酶解。结果发现,与未经过预处理的木质纤维素相比,超微处理后白桦木质纤维素5参考文献糖转化率提高了2868%。化学法主要包括酸碱处1杨淑惠柏物纤维化学M北京中国轻工业出版社20理、臭氧处理以及氧化处理等;物理化学法主要包括2高寿清生物量制燃料酒精的发展和需要解决的问题[食品与发酵工业,1991,17(1):54~59.蒸汽爆裂、氨纤维爆裂和二氧化碳爆裂等;生物法主要3 Jeffries T w, Schartman R Bioconversion of secondary fiber fines to利用木素过氧化物酶、Mg依赖过氧化物酶等分解纤ethanol using counter-current enzymatic saccharification and co-fer维素。文新亚等曾对木质纤维素的预处理做过详细的ion[J]. Appl. Biochem. Biotechnol, 1999,(77-79)1435-综述。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,2000,16(1):19~203发酵工艺Ye SJia Y C Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol pro-duction:a review[J]. Bioresource Technology, 2002,83(1):1-ll3.1直接发酵法6孙健陈砺,王红林纤维素原料生产燃料酒精的技术现状[]可再直接发酵是指不经过酸解或酶解预处理,利用纤生能源2003,112(6)维分解细菌直接将纤维素发酵生产乙醇的过程。该工7张惠展途径工程第三代基因工租M,北京,中国轻工业出版社,1997艺过程简单易行、成本低但乙醇产率较低。吕福英等8高洁扬烈贵纤维素科学[M北京科学出版社,194-28就利用高纯富氧物将木质纤维素直接发酵成乙醇。9王振字焦岩超低温徵体化处理白桦木质纤维素糖化工艺研究3.2间接发酵法[]食品与发酵工业,20010文新亚李燕松张志鹏,王璞酚解木质纤维素的预处理技术研究间接发酵法即利用产纤维素酶的微生物或纤维素进展[]酿酒科技,2006,146:97~100酶先将纤维素水解成可发酵的糖然后再利用酵母将11吕福英闵航陈美慈等,一个高温厌氧直接转化纤维素成乙醇的其发酵为乙醇。产纤维素酶的微生物有真菌、酵母菌高纯富集物[]浙江大学学报(农业与自然科学版),200,26(1)和细菌。典型的真菌产纤维素酶主要由葡萄糖内切5~60ring microbes for biofuels酶、葡萄糖外切酶和纤维二糖酶组成。这种生物法生中国煤化工a成乙醇的方法在国内外都得到了重视。在美国权威杂13HCNMHGaL Biomass recalcitranceenzymes tor Dioruels production[]. Science志《 Science》上也发表专刊论文对生物燃料的生产进315:804~807行了报道21(下转第37页)木质纤维素生产乙醇的研充进展—贾莉华生产与应用林产工业PROdUCtIoN APPLiCATIONCHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY10 The Engineered Wood Association. PS2--2004 Performance Stand-Floor and Roof Sheathing Under Concentrated Static and Impact11 The Canadian Standards Association, CAN/CSA0325.092Com-15林利民等轻型木结构建筑覆板的攤钉力性能[J]木材工业struction Sheathing[S].2005,(5):4~6.12 The Canadian Standards Association CAN 0325. 1-88 Test Meth16费本华王戈等轻型木结构用胶合板覆板均布载荷性能试验研充ods for Construction Sheathing[s].D]林业科技,2005,(4),40~413 The American Society for Testing and Materals. ASTM E72199817王戈费本华等轻型木结构建筑覆板的集中载荷性能[]木材工Standard Test Method of Conducting Strength Tests of Panels for业,2005,(4):9~11.Building Construction [S].18王戈林利民等轻型木结构用胶合板覆板冲击载荷性能试验研究14 The American Society for Testing and Materials ASTM ES61-1997J林业科技,2005,(5):35~38Standard Test Method for Performance of Wood and Wood-Based(责任编辑张国萍)业业北★女斯渐★如啬当如女业业业出血业物虫业蜇上业业业业业当(上接第11页)to ethanol[. Appl. Biochem.,1998,70;369~38L14 Yang B, Wyman CE. BSA treatment to enhance enzymatic hydroly-17 Borjesson J, Peterson R, Tjermeld F. Enhanced enzymatic conver-sis of cellulose in lignin containing substrates[J]. Biotechnol Bio-sion of softwood lignocellulose by poly (ethylene glycol)additioneng,20694:611~617.U]. Enzyme. Microb. TechnoL., 2007,40: 754-762.15 Kaar W E Holtzapple M Benefits from Tween during enzymic18 Borjesson J, Engqvist M, Sipos B, Tjerneld F. Effect of poly (ethyl-drolysis of com stover[]. Biotechnol Bioeng. 1998, 59: 419-427.16 Ballesteros I, Oliva J M. Carrasco J, Cabanas A, Navarro AA, Ballzymes to pretreated lignocellulose [3]. Enzyme. Microb. Technolesteros M. Effects of surfactants and zeolites on simultaneous2007,41:186~195saccharification and fermentation of steam- exploded poplar biomass(责任编辑李永康)业业当业业业雪出责责*物物*业业业业业业2008年《林产工业》杂志征订启事《林产工业》志是由国家林业局林产工业规划设计院和中国林产工业协会共同主办,中国林业机械协会协办的专业技术性刊物,创刊于1964年为全国中文核心期刊,“中国期刊全文数据库”“中国科学引文数据库“中国学术期刊综合评价数据库”、“——数字化期刊群”、“中国科技期刊数据库”、“中国核心期刊(遴选)数据库”美国《 AGRICOLA》英国《 CAB Abstracts》等国内外大型数据库收录期刊。2001年首批进入国家新闻出版阪署组织的“中国期刊方阵”,被评为“双效期刊;2002、2003年分别获国家林业局优秀期刊一等奖、二等奖。办刊宗旨:面向生产,报道以应用技术为主,融科技性实用性学术性、信息性于一体服务于木材加工行业广大读者。报道内容:宣传林产工业发展的技术方针和政策;介绍制材,木材干燥胶合板、纤维板、刨花板等各类人造板、非木质人造板各类人造板饰面,木地板等室内装饰装修材料,家具制造胶料的生产和应用等方面的先进经验和新技术新材料新设备、新工艺;报道上述领域的科研设计成果;综述国内外林产工业现状、水平及发展趋势主要栏目:综述研究与分析,生产与应用,专题讲座,国外技术综合信息,专利介绍等。适读对象:本行业及相关行业的企业,科研、设计教育单位及管理部门,从事生产、管理、科研和开发、设计、教育、咨询及市场营销的人员为加强企业之间的信息交流介绍新设备新工艺和新技术活跃经济本刊辟有黑白/彩色广告版。《林产工业》杂志为双月刊大16开,正文64页单月中旬出版,国内外公开发行,定价每期8元,全年48元,挂号每期另加3元。本刊郎发代号:2141,读者可向当地邮局或本刊编辑部订阅编辑部地址:北京朝内大街130号邮编:1000电话:(010)6522012665221187、65135577-6223传真:(中国煤化工电子信箱:cfpipaper@cfpi.cn网址:www.cfpi.cn什HCNMHG轻型木结构建筑用落叶松胶合板覆板性能及其生产工艺技术—王戈费本华林利民王春明赵荣军周海宾·37数郑光林