植物纤维原料酶水解制取燃料乙醇的研究

2009年37卷第3期广州化工植物纤维原料酶水解制取燃料乙醇的研究程荷芳,卫民中国林业科学研究院林产化学工业研究所,国家林业局林产化学工程重点开放性实验室,江苏南京210042)摘要:综述了植物纤维原料酶水解制燃料乙醇的几种常见预处理方法两步法发酵和同步糖化发酵国内外植物纤维酶水解法制燃料乙醇产业化现状并总结了目前酶水解制取燃料乙醇存在的问题及对应的对策关键字植物纤维;水解;燃料乙醇;预处理Research on Enzymatic Hydrolysis of Lignocellulosic Materials for Fuel EthanolCHENG He-fang, WEI Min(nstitute of Chemical Industry of Forest Product, CAF, Jiangsu Nanjing 210042, China)Abstract: Several common pretreatments, separate hydrolysis and fermentation, simultaneous saccharification and fentation and the domestic and foreign industry about enzymatic hydrolysis of lingocellulosic materials for fuel ethanol wereoverviewed. The current problems and the corresponding countermeasures about enzymatic hydrolysis for fuel ethanol wereKey words: lignocellulosic materials; hydrolysis; fuel ethanol; pretreatment植物纤维是地球上廉价且丰富的可再生资源,植物通过光合碎、振动球磨碾磨及压缩碾磨鬥。其中振动球磨的效率相对较高,作用使光能以生物能形式固定生成量每年高达50×10°吨干物碾磨之后的原料粒径一般在02-2mm之间。但总体而言机械粉质这些能量相当于目前世界能耗总量的10倍目前,世界各国碎法的成本较高而且处理的材料也有一定的局限性燃料乙醇的生产原料主要是粮食和经济作物。美国以玉米,巴西12蒸汽爆破法以甘蔗欧盟国家以甜菜和小麦为主要原料制取燃料乙醇。而植蒸汽爆破法是使高温蒸汽与生物质混合,经一定时间后开阀物纤维原料作为世界上最丰富,数量多而且可再生性的原料,其降压,在以水蒸气为有效热载体的条件下,使纤维原料迅速升温中的纤维素、半纤维素可水解为六碳糖、五碳糖。以它为原料制取而不使生成的糖过分稀释,喷射出的蒸汽和液化物质由于压力降燃料乙醇是可再生能源中最有希望取得重大突破的领域。低而迅速冷却。而且高温高压使纤维素内部氢键破坏结晶结构1植物原料的预处理方法松散也促进了半纤维素水解成酸类和木质素的转化叫蒸汽爆破的效果主要取决于停留时间、处理温度、原料粒度和含水量等预处理是酶水解所特有的。由于构成植物纤维的三大主要成较高温度和较短停留时间(270℃,1min)或是较低温度和较长停分纤维素、半纤维素和木质素间相互缠绕及纤维素的晶体结构,留时间(190℃,10mn均有利于半纤维素溶解及水解的条件廖利用植物纤维原料酶水解制燃料乙醇的工艺中一个首要解决的双泉等用蒸汽爆破法处理椰衣纤维结果使纤维素含量比未处问题是原料的预处理。预处理的目的是除去或降低木质素含量,理样品提高17.05%,同时木质素含量降低663%,其他成分含量溶解半纤维素,破坏纤维素天然的结晶结构使原料变得疏松从降低了1042%,实现了原料杂质组分的有效降低。陈洪章等采而增大酶与纤维素的接触面积提高酶的水解率。目前植物纤维用低压无污染蒸汽爆破法处理秸秆将纤维素原料放裂成细小的原料预处理的方法应用比较广泛的有:物理法中的机械粉碎法、纤维束状实现了原料的组分分离和结构变化。南京林业大学余蒸汽爆破法;化学法中的酸处理碱处理及生物酶法预处理世袁教授在植物纤维经蒸汽爆破预处理后,用里氏木霉制备的1.1机械粉碎法纤维素酶进行酶水解纤维素和半纤维素水解得率达71.3%。机械粉碎法是指通过切碾、磨等机械粉碎工艺使生物质原稀硫酸或甘油湿润生物质后再以蒸汽爆破更有利于提高预处理料的粒度变小、增加纤维原料的内表面积并破坏纤维素的结晶结效率并构,以增加其和酶的接触面积。机械粉碎法包括干法粉碎湿法粉汽爆破YH中国煤化工硫酸预漫原料再用桊结果表明酶解率升高。CNMHG嘔金项目:引进国际先透棘业科学技术创新项(200-4-c06)。作者简介:程荷芳(1983-),女,湖北威宁人,硕士生,主要从事纤维素略用于纤维素发酵制酒精的研宽:E- maikcychfc@163c通讯作者:卫民,副研究员,项士生导师,主从事木质章化季利用、植物纤维水解和树脂研究开发工作。厂州化工2009年37卷第3期陈洪章等将蒸汽爆破法与甘油进行组合预处理实现了秸秆原料的化学水平组分分离;二氧化碳纤维素酶该法比机械粉碎法消耗低可间歇也可连续操作但木糖损失酒精,水多,且产生对发酵有害的物质消耗大量蒸汽。蒸汽爆破法是目前预处理酶水解葡萄糖发研究较热且被寄予厚望的一种预处理方法并已用于商业化水解半纤维素可溶性糖醪塔木糖发酵醪塔13酸处理酸处理是最经典的植物纤维原料的预处理方法有浓酸和稀酸处理两种思路。浓酸对纤维素的水解很有成效但浓酸腐蚀性釜液大,对其设备要求很高。而且必须对酸回收利用以减少环境污染。图1两步法工艺流程图稀酸预处理已被广泛应用于植物纤维原料酶水解中。半纤维素在100℃以下就能较好的溶解在稀酸中,因此稀酸预处理能降解大糖的溶液和葡萄糖溶液在不同的反应器内进行发酵,所得的醪液部分的半纤维素为木糖和其它糖这些单糖在预处理阶段就能脱再一起混合进行发酵。不过,此法需所用微生物发酵木糖和葡萄除且有较好的得率。Sun等用06%、0.%、1,2%、15%的稀硫的能力较高。酸在121℃下预处理黑麦,处理时间为3060、90min。当预处理22同步糖化发酵法浓度高于12%,时间超过60min时有50%~66%的木聚糖(半该法是由Cau等最先提出的。是在酶水解糖化纤维素的纤维素的主要成分被水解为木糖。 Kyoung等用二次稀硫酸水同一容器中加入产生乙醇的纤维素发酵菌使糖化产生的葡萄糖解100g铁杉木碎屑,得到136g葡萄糖10.5g甘露糖和半乳糖和纤维二糖转化为乙醇其工艺可表示如图2:由图可看出,SF以及28g木糖分别为理论值的46%,8%,85%。不过酸预处法与两步法最大的区别在于纤维素的水解和糖液的发酵在同一理容易产生发酵抑制物,且发酵前需使酸中和。稀硫酸预处理已个反应器内进行简化了流程。这样,葡萄糖不断被发酵成酒精被用于生产糠醛嗝14碱处理酒精,水碱处理是利用木质素能溶解于碱性溶液的特点,用稀碱溶液二氧化碳纤维素酶二氧化碳处理破坏植物纤维原料的木质素结构使木质纤维素溶胀,内表面积增加,从而降低纤维素结晶性。使用较多的碱有NaOH、KOH预处理木糖发酵纤维素水解醪液葡萄糖发酵Ca(OHh和氨等稀NaOH溶液的预处理最广泛。Xu等叫用1MNaOH分别在20℃、25℃、30℃、35℃和40℃下处理甘蔗渣18h得到半纤维素分别分解掉555%,573%591%,60.9%和621%,木质素分别分解掉547%,586%,641%,70.2%和74.%。碱处图2同步糖化发酵法工艺流程图理在常温常压下就可达到很好的预处理效果,但半纤维素被分解促进了反应的动力学过程,从而减轻了水解产物葡萄糖对酶的反损失,且中和碱后,碱转化为不可回收的盐后处理麻烦馈抑制作用;缩短了反应时间;提高了发酵产率。但也存在着一些1.5生物法缺点:水解和发酵的温度不协调(酶水解的最佳温度在45生物法是真菌作用使木质素降解的过程,目前研究最多的是55℃,酵母发酵的最佳温度在28-30℃);木糖等其它物质的抑白腐菌。杜甫佑等研究了三株白腐菌对木质纤维素的作用规制作用;此法是目前很受国内外关注最有前景的制取燃料酒精的律,结果表明,三株菌株都能较快地降解木质素降解的程度比纤新工艺。维素和半纤维素要深但三者降解量较小。该预处理条件温和降解的最终产物是二氧化碳和水能耗低无污染。但该过程的降解3植物原料酶水解国内外产业化进展速度太慢,目前还只在实验室阶段,无法实际应用。3.1国外产业化进展2植物原料酶水解工艺方法研究随着石油资源的紧缺植物纤维原料制取燃料乙醇来替代石油已成为全球可再生能源研究的热点之与酸法相比植物原料纤维素酶解条件温和常温下可进行,加拿大 logen公司叫及其技术伙伴经过25年的深入研究和酶选择性高产物单一从而提纯过程相对简单能耗低,也避免了开发耗资近13亿加元。2004年4月开始纤维素制乙醇商业化环境污染。目前被认为是利用植物纤维原料制乙醇的最有前途的生产,其纤维素制乙醇生产技术在国际上处于领先地位。使用农发展方向。其代表性工艺主要有两步法和同步糖化发酵两种。作物秸秆或木材废料生产纤维素制乙醇也为加拿大农村开辟了2.1两步法新的经济增长点利用植物纤维制取燃料乙醇目前主要有两条工艺。传统的工fV凵中国煤化工公司在m地风成艺是两步法:植物纤维原料先经预处理然后经水解(酸水解或是立了酶水解)得到五碳糖和六碳糖的水解液再利用酵母菌发酵水解等农业人小CNMHG每天将使用70吨麦秸呼产品。液即得目标产物酒精。此法是目前研究应用最多的一种方法2008年5月刚投入运行的 Verenium%纤维乙醇工厂是美国其工艺流程可表示如下图1。从图中可看出预处理得到的含木第一个示范性的纤维乙醇厂,年产140万加仑的乙醇。该公司期209年37卷第3期广州化工73望将生产成本控制在2美元每加仑,并计划于2009年达到2000500℃下活化50min,制备出吸附性能较高的粉状活性碳万~3000万gMa的生产能力从而开始商业化规模的建设。43同步糖化发酵中温度不协调因素32国内产业化进展如上所述,SF工艺中水解和发酵的温度不协调性,使得纤鉴于我国丰富的植物纤维原料有经济分析显示,我国发展维素酶水解和酵母菌发酵的酶活都不能达到最大。为此有人致以植物纤维原料制取燃料乙醇有更大优势。我国在这一领域也力于研究耐热酵母或耐热细菌的分离和培养还有人设计了非等投入了大量的财力物力进行工业化相关研究叫温的SSF工艺,即NSF工艺2007年山东泽生生物科技有限公司建立了3000a的秸秆随着基因工程技术的不断突破酶成本的降低及同步糖化发酶解发酵燃料乙醇产业化示范工程包括5立方米汽爆系统、100酵的不断优化,利用植物纤维原料酶水解制取燃料乙醇应用于工立方米纤维素酶固态发酵系统和110立方米秸秆固态酶解、同步业化将成为可能。糖化发酵吸附分离三重耦合反应装置及配套设备等建设。2008年河南天冠在南阳市建成投入试运行年产5000吨秸参考文献秆乙醇项目,总投资3150万元。据现有500a秸秆乙醇示范生]张坤吴桢梅广纤维素发酵生产燃料酒精研究门粮食与油脂,产线试运行情况,每产1吨乙醇需65-70吨的秸秆。200年计2007,(2上10-12.划建成1万吨每年的植物纤维乙醇标准化示范工厂。2)辛芬陈汉平王贤华等木质纤维素生物质生产乙醇的预处理技术们新能源及工艺,200603):24-284植物原料酶法生产存在问题及对策3] Avellar B K, Glasser W G. Steam-assisted biomass fractionation 1: pro通过水解植物纤维原料来制取燃料乙醇是个世界性的难题,considerations and economic evaluation Biomass and Bioenergy各国都在寻求突破以充分利用植物资源并希望以燃料乙醇来缓998,143):205-218.减对石油的依赖。酶水解法制取燃料乙醇主要存在以下一些问 Classer W G, Wright RS.Suam- aSsisted biomasa fractionation II:frctionation behavior of various biomass resources[JL Biomass and Bioenegy,199814(3):219-23541酶法纤维素酶成本高回收问题[ DuffSJ B. Murray W D. Bioconversion of forest products industry was纤维素酶的主要作用是降解纤维素为单糖,一般认为其主要cellulosics to fuel ethanol: a review U Bioresource Technology 1996,包括内切葡聚糖酶外切葡聚糖酶和B-葡萄糖苷酶。以纤维55:1-33素酶水解纤维素,具有化学法水解纤维素所不具有的许多优点。阿廖双泉马凤国邵自强等椰衣纤维的蒸汽爆破处理技术俱热带但纤维素酶生产成本高,占总生产成本的40%-55%两,且难回作物学报2003456:17-20收利用。从而制约了以植物纤维原料制燃料乙醇的商业化发展。口 Hongzhang C, Liying L Unpolluted fraction of wheat straw by steam四b为降低纤维素酶生产成本,很多研究者正在从多方面改进:微生sion and ethanol extraction) Bioresource Technology 2007, 98: 6646-676.物的选择和培养条件优化;通过诱变筛选出高产纤维素酶菌种,因余世寰植物纤维制备燃料乙醇的关键技术识生物质化学工程通过基因工程方法等。刘冠军等研究纤维素酶固体发酵的最优006,40增刊8-12条件。在稻壳:麸皮:玉米芯=5:3:2,加水比1:3,硫酸铵添加量[9] Schell D. Pretreatment of softwood by acid-catalyzed steam explosion25%,磷酸二氢钾2%,初始pH值6.0,培养温度28~30℃的优lowed by alkali extraction[J] Applied Biochemical Biotechnology, 199化条件下,纤维素酶固体发酵84h,可使CMC酶活力达到186570(2):25-35[10] Fubao SHongzhang ENhanced enzymatiu/g干曲。潘春梅等通过响应面分析了液体发酵法产纤维素酶ous glycerol pretreatment!] Bioresource Technology, 2008,99: 6156-6161的最佳条件。在装液量565mL、稻草粉浓度374gL和麦麸浓度[l]Yesu, Jay J Cheng Dilute acid pretreatment of rye straw and bermuda113g/L时,通过液体深层发酵产纤维素酶纤维素酶产量达到grass for ethanol production] Bioresource Technology, 2005, 96(14):63.32UmL纤维素酶活提高了967%。还有通过固定化酶的方法1599-1606使纤维素酶酶固定化以提高酶的利用率且可重复利用,从而大2] Kyoung H MElvin T, Quang N. Conversion of bark- rich biomass大减少酶用量。纤维素酶最大生产商丹麦的 Novozymes生产re into fermentable sugar by twostage dite acid-catalyzed hydrolysislgl(lgl=3785L)的燃料酒精的酶成本从2001年的5美元减U 1. Bioresource Technology 2005 6: 1249-1255. [13] Zeitsch KJ至2005年的01-018美元。但只完成了实验室规模的研究。The chemistry and technology of furfural and its many by-products U)42半纤维素转化,木质素出处问题半纤维素是植物纤维的主要成分之一,主要水解成五碳糖4 F Xu, JX Sun,CFLi, al Comparative study of alkali- -and acidic c(木糖)。为提高原料利用率研究人员将六碳糖和五碳糖混合糖ganic solvent-oluble hemicellulosic polysaccharides from sugarcane共发酵生产酒精。利用六碳糖生产燃料乙醇技术很成熟但利用bagasse] Carbohydrate Research, 2006, 314(2): 253-261五碳糖发酵生产燃料乙醇技术相对落后。有学者利用基因工程的5林云琴周少奇白腐菌降解纤维家和木质素的研究进展门环境术,方法创造了戊糖己糖利用的菌株在发酵混合糖产乙醇的重组杜1中国煤化工细菌研究中使用最多的是 z. mobilis和Ec明。木质素的含碳CNMHG维素序规律的研究量达50%,可用来制造酚醛树脂橡胶用补强剂和活性炭等。王志un王丹,林建强,张萧直接生物转化纤维素资源生产燃料乙醇的研究高等叫酸水解木质素以磷酸为活化剂预处理条件:纯磷酸:酸进展U山东农业大学学报(自然科学版),2002,3(4):525-529木质素=22:1(质量比)混合,在140℃下处理%h,再在400(下转第90页)广州化工2009年37卷第3期特征区域性强数据处理简单的优点能够有效的对火场残留助8]梁国福,张海涛毛细管气相色谱法对油漆稀释剂的鉴定.火灾调查燃剂种类进行鉴别与分析,2004,23(5):503-506門9】周欣,雷培海,刘海吴茱萸药材的高效液相色谱指纹图谱研究.中参考文献华中医药杂志2008,234)313-316!邱榕火场残留助燃剂的提取分离及气相色谱/质谱分析中国安全10宋丽明王文燕张智超陕西安康葛根药材的HPLC指纹图谱研究生产科学技术,2007,3(1):35-39中草药,2008,3903):436438d3 Tan, J K. hardy, R.E. Snavely, Accelerant Classification by Gas叫鸿郎李定远,金杰计算机辅助分析中药色谱指纹图谱关键技术Chromatography /mass Spectrometry and Multivariate Pattern Recogni-研究中南药学,2008,6(1):101-105.jon[J), Analytica Chimica Acta, 2000, 422: 37-46[12] Richard R. Backer, Louise 1. Bishop. The pyrolysis of tobacco ingredi[3] Ashley C. harris, B S. and John F. W heeler. GC-MS of Ignitable 1-ents[ J. Anal. Appl. 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African Joumal of Biotechnology, 2005, 4(1materials using plural ferment [P).US: 3990-994, 197626-3021]徐有明,黄月琴木质纤维素原料生产燃料酒精开发技术研究进展[29)洪玉梅李建中利用纤维素酶生产燃料酒精的研究进展中国农门生物质化学工程,2006,40增刊:182-187学学报,2007,23(2):46246422张小希张丽春纤维乙醇可持续发展道路的操计200828(增刊(30刘冠军许平纤维素酶固体发酵培养基优化的研究门黑龙江八2):26-30农垦大学学报,200,191)48-5123]杜风光冯文生秸秆生产乙醇示范工程进展生物炼制技术交流(31]潘春梅,王辉任敏纤维素酶液体发酵工艺条件的响应面分析优化和产业化研讨大会,2008,10:4650门现代科学与技术,2008,318120-125[24] Yang B, Lu Y, The promise of cellulosic ethanol production in China[ [32] Sala B C, Iten L B, Cotta M A, et al. Dilute acid pretreatment, enzymaticChem Technol Biotechnol. 2007. 82: 6-10.ccharification of wheat straw to ethanol UHProceas Biochemistry, 2005[25] Qu Y, Zhu M, Liu K, et al. Studies on cellulosic ethanol production forsustainable supply o liquid fuel in China. Biotechnol []2006, 1, [33] Zhang Y H, Land L R. 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