1、 利用木质纤维素生产燃料酒精姓名：张晓峰姓名：张晓峰专业：化学工程专业：化学工程学号：学号：201331678201331678主要内容 生物乙醇发展现状生物乙醇发展现状 木质纤维素发酵生产乙醇的原理木质纤维素发酵生产乙醇的原理 木质纤维素发酵生产乙醇的工艺木质纤维素发酵生产乙醇的工艺 存在问题以及自己的看法存在问题以及自己的看法生物乙醇发展现状 经济社会的发展以能源为重要动力，经济越发展，能源消耗越多。到2059年，也就是世界上第一口油井开钻200周年之际，世界石油资源大概所剩无几。而生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为21世纪主要的新能源之一。然而燃料乙醇的生产如均
2、以糖类或粮食为原料，其产量受到粮食资源的限制，难以长期满足能源需求。从长远考虑必须进行科技创新，扩大原料来源。含木质纤维素的生物质废弃物是生产燃料乙醇的另一原料来源，它包括农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃生物质等。生物乙醇发展现状 注:生物乙醇比重按照0.79公斤/升折算,1加仑=3.785升 国家国家生物乙醇发展目标生物乙醇发展目标主要原料主要原料美国2012年 132亿加仑；2022年 350亿加仑玉米巴西2012年 95亿加仑；2016年 115亿加仑甘蔗欧盟2010年5.75%；2020年10%（生物柴油约占80%）小麦，甜菜中国2010年 13亿加仑；2020年
3、 33亿加仑玉米，小麦，木薯加拿大2010年5%玉米，小麦泰国2007年10%糖蜜，木薯，甘蔗菲律宾2008年5%；2010年10%甘蔗，木薯木质纤维素发酵生产乙醇的原理木质纤维素转化为乙醇的步骤主要分为两步：纤维素水解成糖，糖发酵成醇。由于木质纤维素结构复杂，纤维素、半纤维素（半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。）不但被木质素包裹，而且半纤维素部分共价和木质素结合，纤维素具有高度有序晶体结构。因此必须经过预处理，使得纤维素、半纤维素、木质素分离开，切断它们的氢键，破坏晶体结构，降低聚合度，以提高水解效率。表2列出了几种木质纤维
4、素中纤维素、半纤维素和木质素的含量。木质纤维素发酵生产乙醇的原理 植物细胞壁构成示意图植物细胞壁构成示意图 木质纤维素发酵生产乙醇的原理 表2 不同生物质原料的组成原料原料纤维素（纤维素（%）半纤维素（半纤维素（%）木质素（木质素（%）玉米秸秆43278麦秸305015高粱秆352425稻草352512蔗渣392624玉米芯453515豆秆352520木质纤维素发酵生产乙醇的原理纤维素类物质纤维素木糖木质素水解纤维素酶葡萄糖木酮糖发酵直接发酵 异构化发酵直接发酵木糖异构酶（不能转化为酒精）（不能转化为酒精）乙醇木质纤维素发酵生产乙醇的路线木质纤维素发酵生产乙醇的原理 纤维素是一种有100-10
5、00个-D-吡喃型葡萄糖单体以-1,4-糖苷键连接的直链多糖，多个分子平行紧密排列成丝状不溶性微小纤维。在工业上，纤维素经酸解或酶解预处理后，释放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径。半纤维素是由多种多糖分子组成的支链聚合物，不同来源的半纤维素其单糖的组成各异。经测算，木质纤维素原料中半纤维素组分的有效利用有可能使乙醇燃料的生产成本降低25%，这主要是木糖的作用。利用产纤维素酶的微生物或纤维素酶先将纤维素水解成可发酵性糖，再利用酵母将其发酵成乙醇。木质纤维素发酵生产乙醇的原理产纤维素酶的微生物真菌酵母菌细菌典型的真菌产纤维素酶是由葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶、-葡萄糖苷酶3个主要成分组成的诱导型复合酶系
6、。嗜热厌氧细菌在生长速度和纤维素代谢速度上比其他菌株快，同时它所产生的纤维素酶的稳定性也有很大的提高。木质纤维素发酵生产乙醇的工艺木质纤维素制木质纤维素制备生物乙醇的备生物乙醇的基本工艺基本工艺预处理水解发酵纯化预处理可以去除木质素和半纤维素，降低纤维素的结晶性，从而增大原料的可接触表面积，使得酶容易接近纤维素表面并进行水解。发酵过程是对水解产物(五碳糖 和六碳糖)进行发酵，获得乙醇。水解过程是利用酸或酶水解聚合物，使之成为可溶性的单糖。通过蒸馏、过滤等手段，获得纯净的乙醇木质纤维素发酵生产乙醇的工艺1.1.木质纤维素的预处理木质纤维素的预处理 由于木质纤维素的组成成分复杂、稳定，使得其生物降
7、解难于迅速进行。木质素虽然对纤维素分解物质（如酶等）反应没有阻碍作用，但它阻止纤维素分解物对纤维素的作用，因此人们不得不借助化学的、物理的方法进行预处理，使纤维素与木质素、半纤维素等分离开；使纤维素内部氢键打开，使结晶纤维素成为无定型纤维素，以及进一步打断部分-1,4-糖苷键，降低聚合度；半纤维素被水解成木糖、阿拉伯糖等单糖。经预处理后，有的纤维素的酶法降解速率甚至可以与淀粉水解相比。木质纤维素发酵生产乙醇的工艺方法方法例例 证证热机械法碾磨，粉碎，抽提自动水解法蒸汽爆破、超临界CO2爆破酸处理法稀酸（H2SO4，HCl），浓酸（H2SO4，HCl），乙酸等碱处理法NaOH，碱性过氧化氢，氨水
8、有机溶剂处理法甲醇，乙醇，丁醇，苯生物法木素过氧化物酶，Mg依赖过氧化物酶木质纤维素材料的预处理方法木质纤维素发酵生产乙醇的工艺2.纤维素发酵生产乙醇纤维素发酵生产乙醇 纤维素是一种有100-1000个-D-吡喃型葡萄糖单体以-1,4-糖苷键连接的直链多糖，多个分子平行紧密排列成丝状不溶性微小纤维。在工业上，纤维素经酸解或酶解预处理后，释放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径。木质纤维素发酵生产乙醇的工艺3.3.木糖发酵生产乙醇木糖发酵生产乙醇木糖木酮糖木酮糖-5-磷酸细菌木糖异构酶木酮糖激酶木糖醇酵母NADPHNADH木糖还原酶NADPNADNAD木糖醇脱氢酶NADH戊糖磷酸途径糖酵解途径乙醇木质纤
9、维素发酵生产乙醇的工艺4.4.发酵方式发酵方式发酵方法1 1）直接发酵法：）直接发酵法：基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产乙醇，不需要经过酸解或酶解前处理过程。特点是设备简单，成本低廉；但乙醇产率不高，产生有机酸等副产物。2）间接发酵法：）间接发酵法：先用纤维素酶水解纤维素，酶解后的糖液作为发酵碳源。乙醇产物的形成受末端产物抑制和低细胞浓度以及基质抑制。为了克服乙醇产物的抑制，必须不断的从发酵罐中移出。3）混合菌种发酵：）混合菌种发酵：采用气升柱发酵木糖和溢流柱发酵葡萄糖的串联发酵工艺。串联发酵是首先经P.s酵母的限氧发酵后，再经S.c的厌氧过程而结束。4）同时糖化发酵法（）同时糖化发酵法（S
10、SF法）：法）：在同一个反应罐中进行纤维素糖化和乙醇发酵的同步糖化发酵法。这样水解产物葡萄糖由菌体的不断发酵而被利用，消除了葡萄糖因基质浓度对纤维素酶的反馈抑制作用。6）固定化细胞发酵：）固定化细胞发酵：固定化细胞发酵具有能使发酵器内细胞浓度提高，细胞可连续使用，使最终发酵液乙醇浓度得以提高。5）非等温同时糖化发酵（）非等温同时糖化发酵（NSSF法）：法）：在纤维素酶糖化过程中，纤维素酶的最适温度为50左右，而酵母发酵的控制温度是31-38。利用NSSF法很好地解决了纤维素酶糖化与酵母发酵两个过程中温度不协调的矛盾。存在问题以及自己的看法1.木质纤维素发酵生产酒精中木糖不能被有效地转化成乙醇（采用双载体系统、采用PCR技术克隆木糖异构酶基因)2.当前限制木质纤维素发酵生产燃料乙醇的主要原因是成本太高，降低成本的主要措施是降低纤维素酶的价格，对纤维素酶生产菌株进行改良以降低纤维素酶的价格是当务之急。
