茎纤维生物提取和发酵燃料乙醇技术研究进展

2007年第29卷增刊2中国麻业科学 PLANT FIBER SCIENCES IN CHINA415文章编号:1673-7636(2007)增刊2-0415-05茎纤维生物提取和发酵燃料乙醇技术研究进展彭源德(中国农业科学院麻类研究所湖南长沙410205)摘要:利用微生物及其酶技术,提取茎纤维和发酵燃料乙醇是解决环境污染严重与能源短缺的有效途径之一。本文通过对茎纤维生物提取和发酵燃料乙醇的国内外研究现状和最新进展进行综述,针对茎纤维生物提取和发酵燃料乙醇研究的问题,提出了积极引进国外先进技术;建立规范化的生物脱胶示范工厂,开展生物脱胶精干麻的梳纺工艺技术研究和低木质素和高纤维素能源品种的选育及其高效生产技术研究等建议。关键词:茎纤维;生物提取;发酵;燃料乙醇中图分类号:S188文献标志码:B随着全球经济的高速发展作为经济引擎的石油能源,正在加速走向枯竭。统计结果表明:按照目前已探明的世界石油储量和开采速度,全球石油的平稳供应只能维持40年左右能源危机已经成为摆在我们面前的重大难题。发展可再生能源特别是生物能源是解决能源危机的重要出路。燃料乙醇由于其成熟的生产应用技术和丰富的原料来源成为世界各国首选的石油替代品,目前国内外燃料乙醇的生产原料主要包括三大类第一大类是含糖类,包括甘蔗、甜菜和甜高粱等;第二大类是含淀粉类,包括谷物、薯类等;第三大类是纤维素类,包括秸杆、薪柴、农业废弃物、有机生活垃圾等。以淀粉类和含糖类为原料生产燃料乙醇,虽然工艺技术基本成熟但存在粮食安全问题,现已叫停。为此,全世界都将燃料乙醇的原料集中在产量大、来源广的纤维质上。茎纤维质生产燃料乙醇包括纤维提取(预处理)糖化和乙醇发酵等主要工序。现有的茎纤维提取的传统方法(天然水沤制法或以烧碱蒸煮为中心的化学方法)和酸水解糖化工艺,均存在加工成本高纤维产量低、纤维品质差、环境污染严重等突出问题。特别是在“节能节水、降耗减排”的今天,将纤维质通过生物转化得到乙醇部分替代石油既有利于人们的身心健康和社会的可持续发展,又是当前国内外研究的热点。1国内外研究现状1.1茎纤维生物提取研究为了解决茎纤维质化学提取方法存在的加工成本高、纤维产量低、纤维品质差、环境污染严重等突出问题,国内外广泛开展了利用微生物及其酶降解非纤维素提取麻类等茎纤维的研究。 Fredi等筛选出一株嗜碱性细菌 Amycolata sp,该菌株在苎麻脱胶过程中产生的果胶裂解酶,作用效率远远高于它所产生的木聚糖酶的作用效率。美国的 Foulk-JA等开展了亚麻酶法脱胶的条件研究,亚麻原料经加压处理后,有利于脱胶酶的吸收,加快脱胶的速度。20世纪80年代,欧洲的诺维信公司(丹麦)利用酶 Flaxzyme进行亚麻脱胶研究,已形成了几项专利( Van Sumer,1992)。 Van Sumer和Sharma(1991)报道 Flaxzyme(含果胶酶、半纤维素酶及纤维素酶)在浓度为3g/L,酶液与茎的比例为10:1时,脱胶产生的纤维细度、强度颜色和柔软度可与最好的水浸脱胶纤维相当。尽管 Flaxzyme的脱胶效果明显,但因酶的成本较高限制了工业化酶中国煤化工国内有几十多家单位开展了生物提取茎纤维微生CNMHG彭源德等师选收稿日期:2007-1005基金项目:国家“948”项目(2006-C18-2-2);国家“十一五”支撑计划项目(2006AD06B03);公益性行业(农业)科研专項(nyby 2x07-018)作者简介:彭源德(1965-),男,研究员,从事农产品生物加工与生物能源研究。416中国麻业科学第29卷了一株高效脱胶菌株T85-260( Erwinia sp Ia),该菌株可以在8h内完成苎麻脱胶,并且残胶率低,达到纺织要求。何绍江等利用亨氏厌氧技术从沤麻塘泥、麻地和菜园土采集的土样中分离得到苎麻厌氧脱胶菌。王传槐、叶汉铃等通过对现有碱性果胶酶产生菌的筛选与诱变,获得一株能使红麻快速脱胶的碱性果胶酶高产菌株 Erwinia chrysanthemi201;王立群、关凤芝等从不同地域的16个样品中,分离了5株在60h完成脱胶的菌株,性能测定表明,它们均不分解纤维素,亚麻沤制后纤维外观性状优良;亚麻纤维中果胶残留量均符合要求Ke34和Iel0两株脱胶菌尤为突出,果胶钙含量为443%和48%.折合果胶酸量为407%和44%;出麻率以Ke34和Lel0两株脱胶菌最高,分别为31.13%和3092%,故均为微生物脱胶的优选菌株。通过对脱胶菌株的性能检测、培养和脱胶条件、脱胶效果等进行了试验,认为接种脱胶菌进行亚麻脱胶,可缩短脱胶时间、提高长麻率及全麻率、增加纤维抗拉强度和改善纤维外观质量。彭源德、刘正初等通过广泛采集菌样、初筛、复筛和诱变育种等手段,获得了1株(编号为Ym68′)亚麻快速脱胶菌株;该菌株在实验室条件下16h内可完成亚麻脱胶;与传统脱胶工艺相比,其脱胶周期缩短79%以上、综合出麻率提高了7.3个百分点、纤维强力和长度约分别提高50%和3.3%、COD降低17%左右,具有脱胶周期短、纤维产量高、品质好和环境污染轻等特点。黄小龙、孙焕良等通过初筛、复筛得到了1株产果胶酶和木聚糖酶活性较高,不产纤维素酶的脱胶菌A,初步鉴定并命名为环状芽抱杆菌( Bacilluscirculans),摇瓶脱胶试验表明,A6菌能24h完成亚麻脱胶,脱胶后,纤维残胶率为20.63%,胶质脱除率达3880%,比天然水脱胶高出11%。张丽珠等将引进的苏联酶制剂及丹麦诺沃亚麻酶用于规模90kg的亚麻脱胶试验,可缩短沤麻时间1/4-23,提高出麻率3%-4%。刘晓兰等以温水浸渍亚麻脱胶工艺为基础,研究了酶在亚麻脱胶中的应用。实验表明适宜加酶时间为沤麻开始后8h,如适宜果胶酶量为51×105-68×10%u/t干茎,果胶酶和半纤维素酶的适宜配比为1:1,适宜温度38℃.与温水浸渍沤麻工艺相比,酶法沤麻可缩短沤制时间75%。梁德金,刘海森采用原料麻→热水预浸→酶解→水洗→漂炼→水洗→干燥→开松→成品的工艺流程,研究形成了微生物酶进行亚麻脱胶的新工艺技术,该技术基于特定的微生物酶能够分解果胶质和半纤维素等非纤维素物质这一原理,分解除掉亚麻纤维中的粘性物质,使之成为具有纺织性能的束纤维,再经一定加工即成为良好的纺织原料——脱胶麻1.2纤维乙醇技术研究在纤维乙醇技术研究方面,国内外重点开展了高活性纤维素酶菌种和戊糖发酵菌株的选育及天然木质纤维素酶水解工艺研究,并取得了一定的进展。 Zoned等利用纯化的β-葡萄糖苷酶和纤维素酶同时酶化纤维素,大大提高了糖化速率,几乎使所有的纤维素都能转化为葡萄糖;Han等利用模式菌种里氏木霉QM29414产生的纤维素酶对香蕉叶子进行降解,获得了较高的糖化率。Nichols等报道了一种带有转磷酸酶(PsG)突变E.col菌株的异种,能同时发酵己糖和戊糖,乙醇得率可达理论值的87%-94%我国主要在降低酶的成本,超滤膜的酶回收技术、高产纤维素酶菌株选育及酶的后处理技术等方面做了大量工作。张发群等(1991)糖化蔗髓时,先用10%的CaO在120℃下搅拌处理70min,再经 Trichoderma Koningii P2菌株所产生的酶液进行分解24h,得糖率为45.3%-545%,全纤维素转化率平均为738%;沈金龙等(2004)利用纤维素酶高产菌株里氏木霉突变株813A所产生的纤维素酶,对天然木质纤维素的水解糖化过程进行了研究,玉米叶和杨树叶的水解糖化率分别达到8612%和5610%,酒精转化率7914%-7211%。熊和平等(2004)利用酸性纤维素酶对夏布坯布进行漂染整理,处理时间短,处理均匀,成本低,使经处理的夏布无刺痒感色泽光洁柔软性好,易着色;而且化学剂无残留,无污染在纤维乙醇技术产业化开发方面,美国、加拿大中国煤化工重视纤维乙醇研发,技术水平已接近产业化。1998年10月,美国CNMH(那兴建第一家纤维乙醇厂,以蔗渣和稻壳为原料,年产乙醇2000万加仑。2004年4月,加拿大 Logen公司及其技术伙伴组建了世界首家纤维乙醇工业化公司,近2年共生产25万公升,原料为麦秸,采用稀增刊彭源德:茎纤维生物提取和发酵燃料乙醇技术研究进展417酸、汽爆与酶降解技术。瑞典 abengoa将在西班牙建设商业规模的纤维乙醇示范厂,初始原料为麦秸,年生产能力约757万升。日本东京大学成功实验了用高梁渣高效生产乙醇的新工艺,原料转化率达到80%,乙醇度5%,用纤维素酶将纤维素分解成糖然后用连续固相酵母生产乙醇。我国自“八五”开展纤维乙醇技术研究以来取得成效,华东理工大学基本建立了纤维素原料酸水解制取乙醇工艺路线。中国科学院过程所开展了以秸秆组分分离、纤维素酶固态发酵、秸秆纤维素高浓度发酵分离乙醇耦合过程等关键技术研究。吉林轻工设计研究院与丹麦瑞速国家实验室合作研究玉米秸秆湿氧化预处理生产乙醇技术,在只利用六碳糖的情况下,7.88吨玉米杆生产1吨乙醇。山东大学在纤维素酶高产菌筛选与诱变育种、用基因工程手段提高产酶量和改进酶系组成、纤维素酶生产技术等方面进行研究。但因受目前技术水平的限制,纤维素生产燃料乙醇还未达到生产应用水平。2最新研究进展21广泛开展非纤维素降解高效菌株的选育30多年来,中国农业科学院麻类研究所选育出500多株具有高效脱胶的菌种;近年来通过合作研究,从国外引进了高产木聚糖酶和纤维素酶的基因工程菌株,其酶活性比国产的提高2-3倍。22茎纤维生物提取和燃料乙醇研究总体技术路线脱胶菌选育茎纤维原料脱胶剂七生物脱胶制品L感化下<糖化酶)·[糖化菌有酵母菌发酵副产物利用酵母菌选育蒸馏渗透汽化膜技术“胶水纯化一→燃料乙醇23形成了多项专利和成果利用选育的非纤维素物质降解高效菌株和高活性的木聚糖酶和纤维素酶,开展茎纤维生物提取和酶降解生产燃料乙醇技术研究,形成了10多项有关麻类生物脱胶、酶法后整理和燃料乙醇技术的科技成果。24部分技术实现产业化应用纤维乙醇酶制剂的生产已具有一定规模。在国内建成了年产600吨高效纤维素酶和木聚糖酶的生产线。茎纤维生物提取技术已在湖南、重庆、四川和河南等省的近10家企业推广应用。生产应用证明,苎麻生物脱胶技术通过适宜温度下进行一系列“胶养菌-菌产酶-酶脱胶”的螺旋式生化反应,达到提取纯净纤维的目的。经酶制剂处理6-7小时后生物脱胶麻均匀一致。具有高效、节能、低污染等优点,可纺性能的大幅度改善,制成率约70%(常规方法64%)。2.5纤维乙醇技术完成了实验室研究以木质素含量低的苎麻作为酶降解生产燃料乙醇的中国煤化工脱胶、微生物发酵技术和酶工程有机结合起来,形成了苎麻生产燃料犭CNMH显示,苎麻韧皮麻秆、玉米芯和芦苇的总糖转化率达到670%,糖醇转化率达到43.8%,达到国内同类研究领先水平418中国麻业科学第29卷3建议31加强国际合作,积极引进国外先进技术能源问题是人类面临的共同问题,需要广泛开展国际合作。纤维乙醇技术处于产业化发展初期,涉及多个领域更需要国际合作。就是生物能源技术研究领先的美国,也在积极寻求世界范围内的合作,我国起步较晚技术水平不高,引进国外关键的先进技术十分必要32建立规范化的生物脱胶示范工厂麻类生物脱胶中试技术成果离连续化、规模化的工业化生产还有一段距离,需要建立成果转化的示范样板加以熟化。通过开展生物脱胶配套技术研究,在设备的定型、技术的优化和配套等方面进一步完善;生物脱胶纤维分散性好洗麻时宜重洗不宜重拷,现有拷麻设备不仅耗水量和噪音大,而且纤维损失严重,开展生物脱胶麻的水理机研究可以充分发挥生物脱胶优势。3.3生物脱胶精干麻的梳纺工艺技术研究因脱胶机理的差异,与现有的脱胶技术相比,生物脱胶精干麻的单纤维强力较低残胶较高,但抱合力较好,为了充分发挥生物脱胶纤维的优势,必须开展梳理和纺纱工艺技术的研究。3.4茎纤维乙醇关键技术研究①开发低木质素、高纤维素的新型生产原料,不与粮争地不与人争粮。包括低木质素和高纤维素能源品种的选育及其高效生产技术研究。②根据新型原料特点研究工艺简化、能耗减少、成本降低的新技术体系。具体包括汽爆、生物和化学联合预处理技术研究;果胶、木聚糖和纤维素酶等多功能糖化酶菌株的选育和酶制剂制备技术研究;纤维质同步糖化发酵技术研究;渗透汽化膜和纳米膜技术乙醇脱水纯化技术研究。参考文献12]邓良伟纤维素类物质生产燃料酒精研究进展食品与发醇工业,1995,21(567):182-185王立群,关凤芝,张福修等亚麻微生物脱胶技术的研究东北农业大学学报,1994,25([3李步海,孙小梅郝文颖酶解蔗渣蒸汽预处理研究中南民族学院学报(自然科学版.1995,14():36-394刘家健陆怡。预处理对纤维素酶降解彩响的研究林产化学与工业,1995,15(3):67-7115刘超纲分批添纤维素酶水解研究U林产化学与工业,1996,16(1):58-6126稳宏,吴大雄高新,等.麦秸纤维素酶解法产糖预处理过程工艺条件西北大学学报(自然科学版,19937斌,吕燕萍,高孔荣等.蔗渣水解液发酵乙醉的研究J生物工程学报1997,13(4)380-3868]怅建安张小勇韩润林李佐虎闫科木素对纤维素酶解的影响及纤维素酶解U化学工程200,28(1):37-39,43]李稳宏吴大雄高新等麦秸纤维素酶解法产糖预处理过程工艺条件以西北大学学报(自然科学版19073):10]刘晓兰,江洁郑喜群亚麻酶法脱胶工艺的研究齐齐哈尔大学学报,1998,14(2):11-14.11正初彭源德,冯湘沅,等苎麻生物脱胶工艺技术与设备生产应用研究中国农业科学,20034:68-74.[2】傅其军燃料酒精的发展前景U广西轻工业2001,(2:6-10.3宋安东张建威吴云汉利用酒精生物质发酵生产燃料乙醇的实验研究U]农业工程学报20019(4):278-28114黄小龙,孙焕良,李建军等南方亚麻微生物脱胶技术及其理论研究U中国麻业,2003,25(1):385彭源德,刘正初邹冬生,等龙须草生物化学制浆的中试研究中国造纸学报,200402):121-12316彭源德,刘正初,金关荣等亚麻快速生物脱胶技术工厂化生产研究中国农业科学,2005,38(4):849-85317]李盛贤,贾树彪顾立文利用纤维素原料生产燃料酒精的研究进展酸酒,200,32(2):13-16194278-28118彭源德,刘正初,金关荣,等亚麻快速生物脱胶技术应用研究门纺织学报2005.(5)90-9419彭源德杨喜爱,严理,等亚麻脱胶过程中常用酶类的动态变化纺织学报,200274):1-140彭源德,刘正初唐守伟等超临界CO2介质的苎麻酶法脱胶研究初探纺织学报,2006,27(8):4-6.21]彭源德,郑科,杨喜爱,等、苎麻纤维质胸降解生产燃料乙醇技术研究-I中国麻业,20064)12]彭源德,唐守伟,杨喜爱,等夏布酶法后整理条件的优化纺织23]彭源德郑科,杨喜爱,等苎麻纤维质酶降解生产生物燃料乙I中国煤化工24]彭源德唐守伟,杨喜爱,等超临界CO2介质中苎麻脱胶酶的影响NMHG25)Cao, 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Suggestions are strengthening international cooperationctively introducing advance technology of overseas, striking up bio-degumming demonstration factorycarrying out the research of carding and spinning technology of bio-degummed fiber, selecting and breedingnew variety with lower lignin content and high cellulose content, studying its high yield technologyKey words: stem fiber; bio-degumming; ferment fuel alcohol(上接第414页)A New Use and International Cooperation on Kenaf/JuteLI De-fang(Institute of Bast Fiber Crops, CAAS, Changsha Hunan 410205, China)Abstract: As a multi-purpose and renewable resource with sustainable use, kenaf is paid moreattention. kenaf was traditional raw material of making rope, bag, rug and so on. Now, kenaf has been usedin many ways such as papermaking, adhesive-bonded cloth, animal feed, bast fiber mulch, wall cloth,oil-absorptive material, plate, sewage purification, soil modifier, plastic filler. Kenaf has high fiber outputand excellent quality characteristic Fabric blending have been developed to use denatured kenaf fiber andcotton, we have developeda new jute textile Mhary", reducing the textile cost in a large extent. Thesetextile fabrics are not limited by the textile export regulations, sold well in European American China isa big country of kenaf production. As the variation of demanding for land and in order to improve the farmerincome and satisfy papermaking demand, kenaf/jute breeders have to develop high-qualitysuper-high-yield and multi-resitence varieties. We (IBFC)have carried out extensive exchanges andcooperations with the world relevant groups and organizati中国煤化工 Tsince the establishment of the Intermational Jute Organimore than 20intermational cooperation projects, including the InternationaCNMH948 projectChina and the EU, asEAN cooperation projects, and so onKey words: integraded utilization; international cooperation; kenaf/ jute