2009年37卷第3期廣州化工植物纖維原料酶水解制取燃料乙醇的研究程荷芳,衛(wèi)民中國林業(yè)科學研究院林產化學工業(yè)研究所,國家林業(yè)局林產化學工程重點開放性實驗室,江蘇南京210042)摘要:綜述了植物纖維原料酶水解制燃料乙醇的幾種常見預處理方法兩步法發(fā)酵和同步糖化發(fā)酵國內外植物纖維酶水解法制燃料乙醇產業(yè)化現狀并總結了目前酶水解制取燃料乙醇存在的問題及對應的對策關鍵字植物纖維;水解;燃料乙醇;預處理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植物纖維是地球上廉價且豐富的可再生資源,植物通過光合碎、振動球磨碾磨及壓縮碾磨鬥。其中振動球磨的效率相對較高,作用使光能以生物能形式固定生成量每年高達50×10°噸干物碾磨之后的原料粒徑一般在02-2mm之間。但總體而言機械粉質這些能量相當于目前世界能耗總量的10倍目前,世界各國碎法的成本較高而且處理的材料也有一定的局限性燃料乙醇的生產原料主要是糧食和經濟作物。美國以玉米,巴西12蒸汽爆破法以甘蔗歐盟國家以甜菜和小麥為主要原料制取燃料乙醇。而植蒸汽爆破法是使高溫蒸汽與生物質混合,經一定時間后開閥物纖維原料作為世界上最豐富,數量多而且可再生性的原料,其降壓,在以水蒸氣為有效熱載體的條件下,使纖維原料迅速升溫中的纖維素、半纖維素可水解為六碳糖、五碳糖。以它為原料制取而不使生成的糖過分稀釋,噴射出的蒸汽和液化物質由于壓力降燃料乙醇是可再生能源中最有希望取得重大突破的領域。低而迅速冷卻。而且高溫高壓使纖維素內部氫鍵破壞結晶結構1植物原料的預處理方法松散也促進了半纖維素水解成酸類和木質素的轉化叫蒸汽爆破的效果主要取決于停留時間、處理溫度、原料粒度和含水量等預處理是酶水解所特有的。由于構成植物纖維的三大主要成較高溫度和較短停留時間(270℃,1min)或是較低溫度和較長停分纖維素、半纖維素和木質素間相互纏繞及纖維素的晶體結構,留時間(190℃,10mn均有利于半纖維素溶解及水解的條件廖利用植物纖維原料酶水解制燃料乙醇的工藝中一個首要解決的雙泉等用蒸汽爆破法處理椰衣纖維結果使纖維素含量比未處問題是原料的預處理。預處理的目的是除去或降低木質素含量,理樣品提高17.05%,同時木質素含量降低663%,其他成分含量溶解半纖維素,破壞纖維素天然的結晶結構使原料變得疏松從降低了1042%,實現了原料雜質組分的有效降低。陳洪章等采而增大酶與纖維素的接觸面積提高酶的水解率。目前植物纖維用低壓無污染蒸汽爆破法處理秸稈將纖維素原料放裂成細小的原料預處理的方法應用比較廣泛的有:物理法中的機械粉碎法、纖維束狀實現了原料的組分分離和結構變化。南京林業(yè)大學余蒸汽爆破法;化學法中的酸處理堿處理及生物酶法預處理世袁教授在植物纖維經蒸汽爆破預處理后,用里氏木霉制備的1.1機械粉碎法纖維素酶進行酶水解纖維素和半纖維素水解得率達71.3%。機械粉碎法是指通過切碾、磨等機械粉碎工藝使生物質原稀硫酸或甘油濕潤生物質后再以蒸汽爆破更有利于提高預處理料的粒度變小、增加纖維原料的內表面積并破壞纖維素的結晶結效率并構,以增加其和酶的接觸面積。機械粉碎法包括干法粉碎濕法粉汽爆破YH中國煤化工硫酸預漫原料再用桊結果表明酶解率升高。CNMHG嘔金項目:引進國際先透棘業(yè)科學技術創(chuàng)新項(200-4-c06)。作者簡介:程荷芳(1983-),女,湖北威寧人,碩士生,主要從事纖維素略用于纖維素發(fā)酵制酒精的研寬:E- maikcychfc@163c通訊作者:衛(wèi)民,副研究員,項士生導師,主從事木質章化季利用、植物纖維水解和樹脂研究開發(fā)工作。廠州化工2009年37卷第3期陳洪章等將蒸汽爆破法與甘油進行組合預處理實現了秸稈原料的化學水平組分分離;二氧化碳纖維素酶該法比機械粉碎法消耗低可間歇也可連續(xù)操作但木糖損失酒精,水多,且產生對發(fā)酵有害的物質消耗大量蒸汽。蒸汽爆破法是目前預處理酶水解葡萄糖發(fā)研究較熱且被寄予厚望的一種預處理方法并已用于商業(yè)化水解半纖維素可溶性糖醪塔木糖發(fā)酵醪塔13酸處理酸處理是最經典的植物纖維原料的預處理方法有濃酸和稀酸處理兩種思路。濃酸對纖維素的水解很有成效但濃酸腐蝕性釜液大,對其設備要求很高。而且必須對酸回收利用以減少環(huán)境污染。圖1兩步法工藝流程圖稀酸預處理已被廣泛應用于植物纖維原料酶水解中。半纖維素在100℃以下就能較好的溶解在稀酸中,因此稀酸預處理能降解大糖的溶液和葡萄糖溶液在不同的反應器內進行發(fā)酵,所得的醪液部分的半纖維素為木糖和其它糖這些單糖在預處理階段就能脫再一起混合進行發(fā)酵。不過,此法需所用微生物發(fā)酵木糖和葡萄除且有較好的得率。Sun等用06%、0.%、1,2%、15%的稀硫的能力較高。酸在121℃下預處理黑麥,處理時間為3060、90min。當預處理22同步糖化發(fā)酵法濃度高于12%,時間超過60min時有50%~66%的木聚糖(半該法是由Cau等最先提出的。是在酶水解糖化纖維素的纖維素的主要成分被水解為木糖。 Kyoung等用二次稀硫酸水同一容器中加入產生乙醇的纖維素發(fā)酵菌使糖化產生的葡萄糖解100g鐵杉木碎屑,得到136g葡萄糖10.5g甘露糖和半乳糖和纖維二糖轉化為乙醇其工藝可表示如圖2:由圖可看出,SF以及28g木糖分別為理論值的46%,8%,85%。不過酸預處法與兩步法最大的區(qū)別在于纖維素的水解和糖液的發(fā)酵在同一理容易產生發(fā)酵抑制物,且發(fā)酵前需使酸中和。稀硫酸預處理已個反應器內進行簡化了流程。這樣,葡萄糖不斷被發(fā)酵成酒精被用于生產糠醛嗝14堿處理酒精,水堿處理是利用木質素能溶解于堿性溶液的特點,用稀堿溶液二氧化碳纖維素酶二氧化碳處理破壞植物纖維原料的木質素結構使木質纖維素溶脹,內表面積增加,從而降低纖維素結晶性。使用較多的堿有NaOH、KOH預處理木糖發(fā)酵纖維素水解醪液葡萄糖發(fā)酵Ca(OHh和氨等稀NaOH溶液的預處理最廣泛。Xu等叫用1MNaOH分別在20℃、25℃、30℃、35℃和40℃下處理甘蔗渣18h得到半纖維素分別分解掉555%,573%591%,60.9%和621%,木質素分別分解掉547%,586%,641%,70.2%和74.%。堿處圖2同步糖化發(fā)酵法工藝流程圖理在常溫常壓下就可達到很好的預處理效果,但半纖維素被分解促進了反應的動力學過程,從而減輕了水解產物葡萄糖對酶的反損失,且中和堿后,堿轉化為不可回收的鹽后處理麻煩饋抑制作用;縮短了反應時間;提高了發(fā)酵產率。但也存在著一些1.5生物法缺點:水解和發(fā)酵的溫度不協(xié)調(酶水解的最佳溫度在45生物法是真菌作用使木質素降解的過程,目前研究最多的是55℃,酵母發(fā)酵的最佳溫度在28-30℃);木糖等其它物質的抑白腐菌。杜甫佑等研究了三株白腐菌對木質纖維素的作用規(guī)制作用;此法是目前很受國內外關注最有前景的制取燃料酒精的律,結果表明,三株菌株都能較快地降解木質素降解的程度比纖新工藝。維素和半纖維素要深但三者降解量較小。該預處理條件溫和降解的最終產物是二氧化碳和水能耗低無污染。但該過程的降解3植物原料酶水解國內外產業(yè)化進展速度太慢,目前還只在實驗室階段,無法實際應用。3.1國外產業(yè)化進展2植物原料酶水解工藝方法研究隨著石油資源的緊缺植物纖維原料制取燃料乙醇來替代石油已成為全球可再生能源研究的熱點之與酸法相比植物原料纖維素酶解條件溫和常溫下可進行,加拿大 logen公司叫及其技術伙伴經過25年的深入研究和酶選擇性高產物單一從而提純過程相對簡單能耗低,也避免了開發(fā)耗資近13億加元。2004年4月開始纖維素制乙醇商業(yè)化環(huán)境污染。目前被認為是利用植物纖維原料制乙醇的最有前途的生產,其纖維素制乙醇生產技術在國際上處于領先地位。使用農發(fā)展方向。其代表性工藝主要有兩步法和同步糖化發(fā)酵兩種。作物秸稈或木材廢料生產纖維素制乙醇也為加拿大農村開辟了2.1兩步法新的經濟增長點利用植物纖維制取燃料乙醇目前主要有兩條工藝。傳統(tǒng)的工fV凵中國煤化工公司在m地風成藝是兩步法:植物纖維原料先經預處理然后經水解(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發(fā)酵水解等農業(yè)人小CNMHG每天將使用70噸麥秸呼產品。液即得目標產物酒精。此法是目前研究應用最多的一種方法2008年5月剛投入運行的 Verenium%纖維乙醇工廠是美國其工藝流程可表示如下圖1。從圖中可看出預處理得到的含木第一個示范性的纖維乙醇廠,年產140萬加侖的乙醇。該公司期209年37卷第3期廣州化工73望將生產成本控制在2美元每加侖,并計劃于2009年達到2000500℃下活化50min,制備出吸附性能較高的粉狀活性碳萬~3000萬gMa的生產能力從而開始商業(yè)化規(guī)模的建設。43同步糖化發(fā)酵中溫度不協(xié)調因素32國內產業(yè)化進展如上所述,SF工藝中水解和發(fā)酵的溫度不協(xié)調性,使得纖鑒于我國豐富的植物纖維原料有經濟分析顯示,我國發(fā)展維素酶水解和酵母菌發(fā)酵的酶活都不能達到最大。為此有人致以植物纖維原料制取燃料乙醇有更大優(yōu)勢。我國在這一領域也力于研究耐熱酵母或耐熱細菌的分離和培養(yǎng)還有人設計了非等投入了大量的財力物力進行工業(yè)化相關研究叫溫的SSF工藝,即NSF工藝2007年山東澤生生物科技有限公司建立了3000a的秸稈隨著基因工程技術的不斷突破酶成本的降低及同步糖化發(fā)酶解發(fā)酵燃料乙醇產業(yè)化示范工程包括5立方米汽爆系統(tǒng)、100酵的不斷優(yōu)化,利用植物纖維原料酶水解制取燃料乙醇應用于工立方米纖維素酶固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)和110立方米秸稈固態(tài)酶解、同步業(yè)化將成為可能。糖化發(fā)酵吸附分離三重耦合反應裝置及配套設備等建設。2008年河南天冠在南陽市建成投入試運行年產5000噸秸參考文獻稈乙醇項目,總投資3150萬元。據現有500a秸稈乙醇示范生]張坤吳楨梅廣纖維素發(fā)酵生產燃料酒精研究門糧食與油脂,產線試運行情況,每產1噸乙醇需65-70噸的秸稈。200年計2007,(2上10-12.劃建成1萬噸每年的植物纖維乙醇標準化示范工廠。2)辛芬陳漢平王賢華等木質纖維素生物質生產乙醇的預處理技術們新能源及工藝,200603):24-284植物原料酶法生產存在問題及對策3] Avellar B K, Glasser W G. Steam-assisted biomass fractionation 1: pro通過水解植物纖維原料來制取燃料乙醇是個世界性的難題,considerations and economic evaluation Biomass and Bioenergy各國都在尋求突破以充分利用植物資源并希望以燃料乙醇來緩998,143):205-218.減對石油的依賴。酶水解法制取燃料乙醇主要存在以下一些問 Classer W G, Wright RS.Suam- aSsisted biomasa fractionation II:frctionation behavior of various biomass resources[JL Biomass and Bioenegy,199814(3):219-23541酶法纖維素酶成本高回收問題[ DuffSJ B. Murray W D. Bioconversion of forest products industry was纖維素酶的主要作用是降解纖維素為單糖,一般認為其主要cellulosics to fuel ethanol: a review U Bioresource Technology 1996,包括內切葡聚糖酶外切葡聚糖酶和B-葡萄糖苷酶。以纖維55:1-33素酶水解纖維素,具有化學法水解纖維素所不具有的許多優(yōu)點。阿廖雙泉馬鳳國邵自強等椰衣纖維的蒸汽爆破處理技術俱熱帶但纖維素酶生產成本高,占總生產成本的40%-55%兩,且難回作物學報2003456:17-20收利用。從而制約了以植物纖維原料制燃料乙醇的商業(yè)化發(fā)展?？?Hongzhang C, Liying L Unpolluted fraction of wheat straw by steam四b為降低纖維素酶生產成本,很多研究者正在從多方面改進:微生sion and ethanol extraction) Bioresource Technology 2007, 98: 6646-676.物的選擇和培養(yǎng)條件優(yōu)化;通過誘變篩選出高產纖維素酶菌種,因余世寰植物纖維制備燃料乙醇的關鍵技術識生物質化學工程通過基因工程方法等。劉冠軍等研究纖維素酶固體發(fā)酵的最優(yōu)006,40增刊8-12條件。在稻殼:麩皮:玉米芯=5:3:2,加水比1:3,硫酸銨添加量[9] Schell D. Pretreatment of softwood by acid-catalyzed steam explosion25%,磷酸二氫鉀2%,初始pH值6.0,培養(yǎng)溫度28~30℃的優(yōu)lowed by alkali extraction[J] Applied Biochemical Biotechnology, 199化條件下,纖維素酶固體發(fā)酵84h,可使CMC酶活力達到186570(2):25-35[10] Fubao SHongzhang ENhanced enzymatiu/g干曲。潘春梅等通過響應面分析了液體發(fā)酵法產纖維素酶ous glycerol pretreatment!] Bioresource Technology, 2008,99: 6156-6161的最佳條件。在裝液量565mL、稻草粉濃度374gL和麥麩濃度[l]Yesu, Jay J Cheng Dilute acid pretreatment of rye straw and bermuda113g/L時,通過液體深層發(fā)酵產纖維素酶纖維素酶產量達到grass for ethanol production] Bioresource Technology, 2005, 96(14):63.32UmL纖維素酶活提高了967%。還有通過固定化酶的方法1599-1606使纖維素酶酶固定化以提高酶的利用率且可重復利用,從而大2] Kyoung H MElvin T, Quang N. Conversion of bark- rich biomass大減少酶用量。纖維素酶最大生產商丹麥的 Novozymes生產re into fermentable sugar by twostage dite acid-catalyzed hydrolysislgl(lgl=3785L)的燃料酒精的酶成本從2001年的5美元減U 1. Bioresource Technology 2005 6: 1249-1255. [13] Zeitsch KJ至2005年的01-018美元。但只完成了實驗室規(guī)模的研究。The chemistry and technology of furfural and its many by-products U)42半纖維素轉化,木質素出處問題半纖維素是植物纖維的主要成分之一,主要水解成五碳糖4 F Xu, JX Sun,CFLi, al Comparative study of alkali- -and acidic c(木糖)。為提高原料利用率研究人員將六碳糖和五碳糖混合糖ganic solvent-oluble hemicellulosic polysaccharides from sugarcane共發(fā)酵生產酒精。利用六碳糖生產燃料乙醇技術很成熟但利用bagasse] Carbohydrate Research, 2006, 314(2): 253-261五碳糖發(fā)酵生產燃料乙醇技術相對落后。有學者利用基因工程的5林云琴周少奇白腐菌降解纖維家和木質素的研究進展門環(huán)境術,方法創(chuàng)造了戊糖己糖利用的菌株在發(fā)酵混合糖產乙醇的重組杜1中國煤化工細菌研究中使用最多的是 z. mobilis和Ec明。木質素的含碳CNMHG維素序規(guī)律的研究量達50%,可用來制造酚醛樹脂橡膠用補強劑和活性炭等。王志un王丹,林建強,張蕭直接生物轉化纖維素資源生產燃料乙醇的研究高等叫酸水解木質素以磷酸為活化劑預處理條件:純磷酸:酸進展U山東農業(yè)大學學報(自然科學版),2002,3(4):525-529木質素=22:1(質量比)混合,在140℃下處理%h,再在400(下轉第90頁)廣州化工2009年37卷第3期特征區(qū)域性強數據處理簡單的優(yōu)點能夠有效的對火場殘留助8]梁國福,張海濤毛細管氣相色譜法對油漆稀釋劑的鑒定.火災調查燃劑種類進行鑒別與分析,2004,23(5):503-506門9】周欣,雷培海,劉海吳茱萸藥材的高效液相色譜指紋圖譜研究.中參考文獻華中醫(yī)藥雜志2008,234)313-316!邱榕火場殘留助燃劑的提取分離及氣相色譜/質譜分析中國安全10宋麗明王文燕張智超陜西安康葛根藥材的HPLC指紋圖譜研究生產科學技術,2007,3(1):35-39中草藥,2008,3903):436438d3 Tan, J K. hardy, R.E. Snavely, Accelerant Classification by Gas叫鴻郎李定遠,金杰計算機輔助分析中藥色譜指紋圖譜關鍵技術Chromatography /mass Spectrometry and Multivariate Pattern Recogni-研究中南藥學,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,黃月琴木質纖維素原料生產燃料酒精開發(fā)技術研究進展[29)洪玉梅李建中利用纖維素酶生產燃料酒精的研究進展中國農門生物質化學工程,2006,40增刊:182-187學學報,2007,23(2):46246422張小希張麗春纖維乙醇可持續(xù)發(fā)展道路的操計200828(增刊(30劉冠軍許平纖維素酶固體發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化的研究門黑龍江八2):26-30農墾大學學報,200,191)48-5123]杜風光馮文生秸稈生產乙醇示范工程進展生物煉制技術交流(31]潘春梅,王輝任敏纖維素酶液體發(fā)酵工藝條件的響應面分析優(yōu)化和產業(yè)化研討大會,2008,10:4650門現代科學與技術,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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