第1期總第187期農業(yè)科技與裝備No. 1 Total No, 1872010年1月Agricultural Science& Technology and Equipmentan.2010玉米秸稈制取燃料乙醇的研究進展馮麗敏(遼寧職業(yè)學院遼寧鐵嶺112001)摘要:針對玉米秸稈的組分成分特點,探討以玉米秸稈為原料制取燃料乙醇的機理,以及玉米秸稈預處理、水解發(fā)酵工藝的最新研究進展,并對各種T藝進行比較,以便為玉米秸稈原料制取燃料乙醇關鍵技術研究和實現(xiàn)產業(yè)化提供技術支持。關健詞:玉米桔稈;燃料乙醇;預處理;發(fā)酵中圖分類號:TS2622文獻標識碼:A文章編號:1674-1161(201001-0029-03近年來,生物質能的研究已成為令人關注的研究為大量的五碳糖(木糖和阿拉伯糖)和六碳糖(葡萄糖課題,其中利用農業(yè)廢棄物發(fā)酵生產燃料乙醇逐步成半乳糖和甘露糖)。木糖是木質纖維素水解物中含量為研究熱點。玉米秸稈作為一種重要的農業(yè)廢棄物,僅次于葡萄糖的一種單糖,含量可達30%。分析表到了廣泛的關注。目前,我國玉米秸稈除了少部明,適宜的木糖發(fā)酵產率和乙醇濃度可以使整個生物分被利用外,大部分以堆積、荒燒等方式直接傾入環(huán)轉化工藝總成本降低25%。由此可見,對已有菌株境,造成極大的環(huán)境污染和資源浪費,且這種直接燃進行改造使其能高效利用木糖生產乙醇,是木質纖維燒的方法熱效率很低,只有10%左右。如果將它們轉素資源得以廣泛利用的關鍵?；蓺怏w或液體燃料,如乙醇、氫氣、柴油等,其熱效普通酒精酵母無法利用五碳糖發(fā)酵產生乙醇η,率可達30%以上,而且可以緩解人類所面臨的資源而產阮假絲酵母可以發(fā)酵五碳糖并產生乙醇。在產阮危機、食物短缺、環(huán)境污染問題,從而為人類可持續(xù)發(fā)假絲酵母和酒精酵母的共同作用下,可同時將五碳糖展提供保證。和六碳糖發(fā)酵生成乙醇,其化學反應方程式周為1玉米秸稈組分C6H12O%- 2C2HS OH + 2C0玉米精稈組分成分見表12C5HoOs-3CHsOH 4c0表1玉米秸稈的化學組成2制備燃料乙醇的原理Table 1 Chemical compositions of corn stalk /以木質纖維素為原料制備燃料乙醇的原理如圖組成含量1所示。纖維素3733水解工藝半纖維素木質纖維素的水解方法主要有稀酸水解濃酸水木質素解、酶水解等?；曳?.1稀酸水解工藝醋酸鹽由于稀酸水解具有成本低、過程簡單、水解率高、可溶出物13.0木聚糖轉化成木糖的轉化率高等特點,因而被廣泛應其他用。木質纖維素在稀酸水解過程中會產生大量的抑玉米秸稈結構復雜,纖維素、半纖維素被木質素制因子阻礙生物質轉化為乙醇"。這些抑制門子包裹,半纖維素部分共價和木質素結合,而纖維素具包括呋喃衍生物、弱酸、酚類,其中糠醛5-羥甲基有高度有序的晶體結構,因此,必須經過預處理使纖糠醛是酵母生長和發(fā)酵的最主要抑制因子,可以減維素、半纖維素、木質素分離開,切斷它們的氫鍵,破少酶的活性打斷DNA的復制抑制蛋白和RNA的壞晶體結構,降低聚合度。表達叫,甚至殺死酵母菌。為了促進發(fā)酵,應先用傳統(tǒng)利用酸解或酶解的方法可以將木質纖維素轉化方法共物筧哩里方法)對水解液進中國煤化工行脫高發(fā)酵成本和增加收稿日期:200-12發(fā)酵」CNMHG部分碳源。因此,尋作者簡介:馮麗敏(1965-),女,副教授,高級工程師,從事機械找耐毒的高產酒精酵母菌,對燃料乙醇的工業(yè)化生產工程方面的教學與研究工作。具有重要意義。農業(yè)科技與裝備2010年1月葡萄糖發(fā)酵直接發(fā)酵]發(fā)酵本質纖維素預處理纖維系料乙醇直接發(fā)酵木質素(不能轉化為可代謝糖源)圖1以木質纖維素為原料制備原料乙醇的原理Figure 1 Mechanism of extracting raw ethanol with lignocellulose as the raw material32濃酸水解工藝表2玉米秸稈預處理方法濃酸水解的原理是:在較低溫度下,結晶纖維素Table 2 Pretreatments of corn stalk完全溶解在硫酸中,并轉化成含幾個葡萄糖單元的低方法聚糖,再把此溶液加水稀釋并加熱,經過一定時間后物理法機械粉碎、高溫分解、聲波、電子射線蒸汽爆破法、氨纖維爆破(即AFEX)、CO2纖就可把低聚糖水解為葡萄糖。濃酸水解的優(yōu)點在于:物理化學法維爆破擠壓膨化是糖的回收率高,可達90%以上;二是水解相對迅酸水解{稀酸(HSO)濃酸(HSO4HCD速,只需10~12h;三是極少降解。其缺點是對設備要堿水解(NaOH、堿性過氧化氫氨水)求高,且酸必須回收?；瘜W法氧化脫木素(OO2NCO3)、有機溶劑(甲醇、Arkenol公司采用離子排斥法分離出水解液中的乙醇、丁醇、苯)酸和糖。生物法纖維素酶木質素酶33酶水解工藝預處理方法。酶水解是一種生化反應,加入水解器的是微生物4發(fā)酵工藝產生的纖維素酶。酶水解的優(yōu)點:1)在常溫下進行,微典型的發(fā)酵工藝方法包括直接發(fā)酵法間接發(fā)酵生物的培養(yǎng)與維持僅需較少的原料,過程能耗低;2)法、同步糖化發(fā)酵法SSF法)和固定化細胞發(fā)酵法。酶有很高的選擇性,可生成單一產物,故糖的產率高41直接發(fā)酵法(大于95%);3)由于酶水解過程中基本不加化學藥直接發(fā)酵法是指用同一微生物完成纖維素的糖品,且僅生成很少的副產物,所以提純過程簡單,可以化水解和發(fā)酵過程。這種發(fā)酵法的工藝設備簡單成避免污染。酶水解的缺點是所需時間較長,一般需要本低,但發(fā)酵速度慢,副產物的抑制作用會使乙醇的幾天,且相應的反應器體積很大酶成本較高,水解原產率降低。實際生產中通常利用混合菌直接發(fā)酵,可料須經預處理使乙醇產率提高到70%。采用酶水解工藝原料在糖化、發(fā)酵前必須進行預42間接發(fā)酵法處理,一方面可以降低纖維素的結晶度,解除木質素間接發(fā)酵法即糖化、發(fā)酵二段發(fā)酵法,是目前研障礙;另一方面能夠降低纖維素的聚合度,增加原料究最多的一種方法它是利用纖維素酶水解纖維的外表面積進而提高纖維素與水解催化劑的可結合素,同時收集酶解后的糖液,作為酵母發(fā)酵的碳源。乙性。預處理必須滿足以下要求一是促進糖的形成,醇產物由于受到末端產物的抑制因此必須不斷地將或提高后續(xù)酶水解成糖的能力;二是避免碳水化合物其從發(fā)酵罐中移出。采用減壓發(fā)酵法和快速發(fā)酵法可的降解或損失;三是避免副產物形成后阻礙后續(xù)水解以對細胞進行循環(huán)使用,提高細胞濃度。還可篩選能和發(fā)酵過程;四是有成本效益。在高糖濃度下存活并利用高糖的微生物突變株,以使預處理的方法主要有物理法化學法物理化學菌體分階段逐步適應高基質濃度,克服基質抑制。該法、生物法等。各方法的具體內容見表2。法需中國煤化工而成本較高。物理化學法甚至可以去掉60%~80%的木質素43使纖維素水解率大大提高。但這種方法的成本高CNMHG素酶對纖維素的酶且同時產生對水解和發(fā)酵起抑制作用的副產品。實踐水解和發(fā)酵糖化過程是在同一裝置內連續(xù)進行的,水證明,運用生物法降解木質素是一種發(fā)展前景較好的解產生的葡萄糖由于菌體的不斷發(fā)酵而被利用,因2010年第1期馮麗:玉米秸稈制取燃料乙醇的研究進展31此,可以消除葡萄糖因基質濃度對纖維素酶的反饋抑璃等。固定化細胞的新動向是混合固定細胞發(fā)酵,如制作用。在工藝上采用同步發(fā)酵法,既可簡化設備和酵母與纖維二糖酶一起固定化后將纖維二糖基質轉節(jié)約總生產時間,又可提高生產效率。但這種發(fā)酵法化成乙醇。這種發(fā)酵方法被看作是秸稈生產乙醇的重存在一些抑制因素,如木糖的抑制作用糖化和發(fā)酵要方法。溫度不協(xié)調等。實踐中常采用耐熱酵母(如假化酵母、5結語克勞林比酵母等)解決溫度不協(xié)調問題。張繼泉等目前,玉米秸稈制取乙醇技術已基本成熟,但由作了有關玉米秸稈同時糖化發(fā)酵生產燃料乙醇的研于纖維素酶的成本太高、預處理過程化學試劑的應用究,并利用燃料乙醇的條件進行了搖瓶試驗。投入過大等原因,致使纖維素乙醇的生產成本過高44固定化細胞發(fā)酵還無法與用糧食生產乙醇相競爭。以纖維素為原料制固定化細胞發(fā)酵能使發(fā)酵罐內細胞濃度提高,細取燃料乙醇距市場化要求尚有一定差距需要科技工胞可連續(xù)使用,并可提高最終發(fā)酵液乙醇濃度。固定作者進一步研究?；毎l(fā)酵的常用載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻參考文獻)黃宇彤杜連祥世界燃料酒精發(fā)展形勢門食品與發(fā)酵T業(yè),200(l}12-14.2]張繼泉王瑞祥利用木質纖維素生產燃料酒精的研究進展門釀酒科技0031):39-41[3] JEEWON LEE Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol[J Journal of Biotechnology, 1997(56): 1-24.4胡代澤我國農作物秸稈資源的利用現(xiàn)狀與前景資源開發(fā)與市場200016(1:19-205]竇克軍孫春寶玉米秸稈發(fā)酵生產乙醇的研究進展小四川食品與發(fā)酵,2007(1)30-34[6JJEFFRIESTW, KURTMAN CP. 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