1、秸秆发酵简介秸秆发酵简介 玉米秸秆利用1、玉米秸秆简介 主要由植物细胞壁组成,基本成分为纤维素、纤维素、半纤维素和木质素等半纤维素和木质素等。木质素将纤维素和半纤维素层层包 围。纤维素纤维素是一种直链多糖,多个分子平行排列成丝状不溶 性微小纤维;半纤维素半纤维素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成；木质素木质素是以苯丙烷及衍生物为基本单位组成 的高分子芳香族化合物。其中,木质素是一种燃料,半纤维素可水解为五碳糖,而纤维素水解为六碳糖比较困难。2、玉米秸秆预处理 因玉米秸秆结构复杂,不仅纤维素、半纤维素被木质素包裹,而且半纤维素部分共价和木质素结合,同时纤维素 具有高度有序晶体结构。要经
2、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。常见预处理方法有：物理法、化学法、物理化学法和微物理法、化学法、物理化学法和微生物法等。生物法等。2.1挤压膨化法（物理处理法）是将原料粉碎后调节至一定 水分,加入挤压机内,物料在螺杆的旋转推动下向前运动,同时被剪切、挤压剪切、挤压。并且在摩擦热的作用下温度可接近 140;在从挤压机中喷出,物料的压力突然降低、体积迅 速膨胀,纤维素晶体结构被破坏,从而为纤维素的酶解处理 创造条件。该方法生产过程连续,不需要消耗蒸 汽,而且具有灭菌效果。2.2 湿氧化法湿氧化法（化学处理法）是指在加温加压条件下,水 和氧
3、气共同参加的反应。湿氧化法对玉米秸秆处理效果很 好,纤维素遇碱,只引起纤维素膨胀,形成了碱化纤维素,但 能保持原来骨架,加入Na2CO3后起缓和作用,能防止纤维素被破坏,使木质素和半纤维素溶解于碱液中而与纤维素 分离。这样得到的纤维素纯度较高,且副产物很少。匈牙利 Eniko等人采用湿氧化法在195,15min,1200千帕O2,Na2CO32g/L条件下,对60g/L玉米秸秆进行预处理。其中 60%半纤维素、30%木质素被溶解,90%纤维素呈固态分离出 来,纤维素酶解转化率(ECC)达85%左右。2.3 酸处理法（化学处理法）该方法可追溯到 1980年。该法是采用硫酸、硝酸、盐酸、磷酸等对纤
4、维素原料进行预处理,其中以硫酸研究和应用 的最多。处理后,半纤维素首先水解得到无碳糖,纤维素的 结晶结构被破坏,原料疏松,可发酵性强。但水解前必须将 pH值调整到中性,还应该注意反应器的耐酸性。2.4 蒸汽爆破法（蒸汽爆破法（物理化学处理法）是用蒸汽将原料加 热至180200,维持530min,也可加热到245,维持 0.52.0min。高温高压造成木质素的软化,在迅速使原料 减压,造成纤维素晶体和纤维束的爆裂,使木质素和纤维素 分离。该法成本较高,间歇蒸汽汽爆器对玉米秸秆进行爆破处理,经这 种爆破器爆破的玉米秸秆,纤维素水解转化率(ECC)可达 70%以上。2.5 生物方法具有节约化工原料、
5、能源和减轻环境污 染等方面的优点。有许多微生物能产生木质素分解酶,如白白 腐菌腐菌,其分解木质素的能力较强,但活性较低,而且微生物 处理周期长、菌体会破坏部分纤维素和半纤维素,降低纤维 素的水解率,因此难以得到利用瑞典等北欧国家则利用无纤维素酶的担子菌突变株对纤维素材料进行脱木质素处 理,取得了一定的效果。3.1浓酸水解 用70%硫酸50的反应器中反应26h,半纤维素首先被降解,溶解物质经几次浓缩沥干后得到糖,水解后的固体残渣经脱水后,在30%40%的硫酸中浸泡14h。溶液再经脱水和干燥后,在70%硫酸下反应14h,回收的糖和酸溶液经离子交换,分离出的酸在高效蒸发器中重新浓缩,剩余的固体残渣则
6、再循环利用到下一次的水解中。3 工艺过程工艺过程l主要优点是糖的回收率高,大约有90%的半纤维素和纤维素转化的糖被回收。l浓硫酸腐蚀性强,且从经济方面考虑必须回收浓硫酸,增加了工艺的复杂程度。3.2 稀酸水解 为解决浓酸水解法存在的问题,一般采用稀硫酸(0.2%0.5%),在较温和条件下进行。一般分2个 阶段:第1阶段为低温操作,从半纤维素获得最大糖产量;第2阶段采用高温操作使纤维素水解为六碳糖,糖的转化 率一般为50%左右。但稀酸水解容易产生大量副产物。3.3酶水解 酶水解是利用产纤维素酶的微生物或者纤维素酶制 品,直接将半纤维素、纤维素水解成可发酵糖。优点：在常压下进行,反应条件温和、效率
7、高、能耗低、选 择性强、环保效果好,显示出良好的应用价值和前景。水解后可形成单一产物,产率较高(95%)。4发酵工艺 农作物秸秆的相当部分由半纤维素构成,其水解产物为以木糖为主的五碳糖木糖为主的五碳糖,还有相当量的阿拉伯糖生成(可占五碳糖的10%20%),故五碳糖的发酵效率是决定过 程经济性的重要因素。木糖的存在对纤维素酶水解起抑制 作用。目前人们研究最多且最有工业应用前景 的木糖发酵产乙醇的微生物有3种酵母菌种,即管囊酵母、管囊酵母、树干毕赤酵母和体哈塔树干毕赤酵母和体哈塔假丝酵母假丝酵母。4.1直接发酵法l是基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产 乙醇,不需要经过酸水解或酶水解前处理过程。一般
8、利用混 合菌直接发酵,例如热纤梭菌(Clostridium thermoceUum)能 分解纤维素,但乙醇产率较低(50%),热硫化氢梭菌(Col-stridium thermohydz)不能利用纤维素,但乙醇产率相当高,如果进行混合发酵,产率可达70%。l热纤梭菌产生乙醇也存在以下问题:发酵 不完全、发酵速度慢、终产物乙醇和有机酸对细胞有相当大 的毒性,需进一步改进。4.2间接发酵法间接发酵法l 目前研究最多的一种方法。l使用纤维素酶水解纤维素,收集酶解后的糖液作为酵母发酵的碳源,先用 纤维素酶水解纤维素,酶解后的糖液作为发酵碳源。但是受末端产物抑制,低细胞浓度以及底物基质抑制作用影响乙醇产
9、量。l采取的措施:减压发酵法和阿尔法拉伐 公司的Bi-otile法,还可以通过筛选在高糖浓度下存活并能 利用高糖的微生物突变菌株来克服基质抑制。4.3同步糖化发酵法(SSF法)l 由Gauss等提出的在同一反应器中糖化和发酵同 步进行。这样纤维素酶对纤维素的酶水解和发酵糖化过程在同一装置内连续进行。水解产物葡萄糖由于菌体的不断 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。l在工艺上采用一步发酵法,简化了设备,节约 了总生产时间,提高了生产效率。l当然也存在一些例木糖的抑制作用,糖化和发酵温度不协调。4.4固定化细胞发酵l 使发酵罐内细胞浓度提高,细胞可 连续使用,使最终发酵
10、液酒精浓度得以提高。常用的固定化 载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃璃等。l固定化细胞的新动向是混合固定细胞发酵,如酵母与纤维二糖酶一起固定化。将纤维二糖基质转化成乙醇,被看作是玉米秸秆生产乙醇 的重要方法。5 结论与展望l 5.1预处理方法 l单纯的物理法和化学法不足以破坏纤维素晶体结构以 及去除半纤维素和木质素,应综合运用物理法与化学法,一 步完成预处理和水解2个阶段,有效提高纤维素的水解率。5.2糖化工艺l发酵过程的酒精产率受许多因素影响,其中主要是水 解效率和单糖产量。l酶水解较酸水解有较大的优 越性,将成为今后糖化工艺的主要发展方向。5.3发酵菌株l菌种是发酵工
11、业的灵魂,运用现代的育种技术培育出高效的直接发酵菌株,在适 应特殊基质条件、简化生产工艺等方面将会有所突破。l若能 筛选到抗高浓度糖的基因突变菌株则可以克服纤维素原料 水解过程的抑制效应,提高发酵效率。5.4发酵工艺采用一定的技术手段,将发酵过程产生的乙醇不 断抽出,使发酵罐中的乙醇浓度10%,减轻乙醇对菌株生 长及乙醇生成的抑制作用,降低生产成本。以玉米秸秆等纤维素生产酒精技术是世界各国研究的 热点,与其他生物能源、替代能源技术相比,无论是在经济合理性、技术可行性方面,还是在资源可持续性和环境协调性方面都具有明显的优势,可解决石油资源短 缺和环境污染问题,有利于保证国家能源安全和社会协调发展。l
