利用作物秸稈發(fā)酵生產(chǎn)工業(yè)乙醇

利用作物秸稈發(fā)酵生產(chǎn)工業(yè)乙醇第一頁，共四十頁，2022年，8月28日利用作物秸稈發(fā)酵生產(chǎn)工業(yè)乙醇姓名：高飛學(xué)號：MG1430073第二頁，共四十頁，2022年，8月28日化石資源是現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)石油、煤炭、天然氣不僅提供了基本的能源，而且提供了99%的有機工業(yè)原料。第三頁，共四十頁，2022年，8月28日中國的石油生產(chǎn)和需求：

-----現(xiàn)狀和預(yù)測第四頁，共四十頁，2022年，8月28日Environmentalproblem化石經(jīng)濟(jì)，付出了巨大的環(huán)境代價（空氣污染和溫室效應(yīng)等）第五頁，共四十頁，2022年，8月28日廉價石油時代終結(jié)了---人類必須戒除“油癮”第六頁，共四十頁，2022年，8月28日生物質(zhì)資源開發(fā)是人類繼續(xù)生存的必然選擇面對日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題，開發(fā)利用風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源已成為世界各國的共同選擇。孫鳳蓮,杜巍.生物質(zhì)能源開發(fā)利用中的產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)進(jìn)展與評述[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(24):8323-8326第七頁，共四十頁，2022年，8月28日生物質(zhì)生物質(zhì)是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機體，即一切有生命的可以生長的有機物質(zhì)通稱為生物質(zhì)。它包括植物、動物和微生物。廣義概念：生物質(zhì)包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動物及其生產(chǎn)的廢棄物。有代表性的生物質(zhì)如農(nóng)作物、農(nóng)作物廢棄物、木材、木材廢棄物和動物糞便。生物質(zhì)定義第八頁，共四十頁，2022年，8月28日生物質(zhì)是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，也是我國可再生能源發(fā)展的重點。生物質(zhì)柳枝稷芒草第九頁，共四十頁，2022年，8月28日020301秸稈預(yù)處理物理法、物理化學(xué)法、化學(xué)法和生物法糖化將纖維素酶解為多糖或單糖。微生物發(fā)酵和蒸餾提取乙醇糖酵解階段、丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙醇以及乙醇的提取的階段秸稈發(fā)酵機理PrachandShrestha,MaryRasmussen.Solid-substratefermentationofcornfiberbyphanerochaetechrysosporiumandsubsequentfermentationofhydrolysateintoethanol[J].J.Agric.Food.Chem,2008,56,3918-3924第十頁，共四十頁，2022年，8月28日纖維素的結(jié)構(gòu)纖維素的分子結(jié)構(gòu)第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日

木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)植物細(xì)胞壁含有多糖和木質(zhì)素

纖維素分子結(jié)晶纖維素分層網(wǎng)格的微纖維植物細(xì)胞壁次結(jié)晶纖維素第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日纖維素約45%（主要由葡萄糖聚合而成）、半纖維素約30%（主要由木糖聚合組成）、木質(zhì)素約25%（主要由復(fù)雜酚類聚合而成）。木質(zhì)纖維素組成第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日（作物秸稈）木質(zhì)纖維素預(yù)處理工藝一、木質(zhì)纖維素預(yù)處理的作用

天然纖維素的高度結(jié)晶性和木質(zhì)化，阻礙了酶與纖維素的接觸使其難以直接被降解。必須通過預(yù)處理，以降低纖維素的結(jié)晶度，增加纖維原料的多孔性，脫除木質(zhì)素的保護(hù)作用，增加酶與底物的接觸面積，從而提高酶解的效率。二、預(yù)處理方法

物理法、物理化學(xué)法、化學(xué)法和生物法。李海濤,姚開,賈冬英等.秸稈纖維素生物轉(zhuǎn)化預(yù)處理方法研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2010,14:56-58第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日纖維素原料預(yù)處理方法1.物理方法

機械粉碎是纖維原料預(yù)處理的常用方法，通過切、碾和磨等工藝使纖維原料的粒度變小，增加底物和酶接觸的表面積，降低纖維素的結(jié)晶度。機械粉碎包括干法粉碎、濕法粉碎、振動球磨碾磨等。2.物理化學(xué)法

蒸汽爆破：將木質(zhì)纖維原料用160~260℃水蒸汽處理適當(dāng)時間(30sec~20min)后，突然減壓，蒸汽從反應(yīng)釜中迅速噴出，使原料爆破。該預(yù)處理加劇了纖維素內(nèi)部氫鍵的破壞和有序結(jié)構(gòu)的變化，游離出新的羥基，增加了纖維素的吸附能力，也促進(jìn)了半纖維素的水解和木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化。

氨纖維爆破(ammoniafiberexplosion,AFEX)法：和蒸汽爆破預(yù)處理類似，但是避免了高溫條件下糖的降解以及有害物質(zhì)的產(chǎn)生。第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日纖維素原料預(yù)處理方法3.化學(xué)法

稀酸預(yù)處理：通常采用0.3~3%的H2S04于110~220℃下處理一定時間。由于半纖維素被酸水解成單糖，纖維殘渣形成多孔或溶脹型結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)了酶解效果。

堿法預(yù)處理：是利用木質(zhì)素能夠溶于堿性溶液的特點，脫除木質(zhì)素，引起木質(zhì)纖維原料潤脹，導(dǎo)致纖維內(nèi)部表面積增加，聚合度降低，結(jié)晶度下降，從而促進(jìn)酶水解的進(jìn)行。常用的堿包括NaOH,KOH,Ca(OH)2和氨水等。4.生物法

生物法預(yù)處理條件溫和，能耗低，無污染，但通常處理的時間較長，而且許多白腐真菌在分解木質(zhì)素的同時也消耗部分纖維素和半纖維素。第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日纖維素酶水解工藝1.纖維素酶的定義

能水解植物纖維或經(jīng)物理、化學(xué)方法處理過的纖維素（如CMC）的β-1,4糖苷鍵的酶。

2.纖維素酶的分類（一）內(nèi)切β-1,4葡聚糖水解酶－Cx

（二）外切β-1,4葡聚糖水解酶－C1（三）β-1,4葡萄糖苷酶－Cb

作用方式

纖維素酶水解纖維素是各組酶（C1、Cx、Cb）協(xié)同作用的結(jié)果：

1.首先Cx酶在纖維素內(nèi)部隨機的切割，使其露出許多供外切酶作用的末端。

2.然后在C1酶的作用下生成大量纖維二糖和纖維寡糖。

3.最后Cb酶將他們進(jìn)一步分解成葡萄糖。CXC1Cb纖維二糖第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日

發(fā)酵三個階段兩種途徑四步十二個反應(yīng)1.酵母乙醇發(fā)酵法：利用釀酒酵母、管囊酵母、卡爾酵母、清酒酵母在無氧條件下，得到乙醇

2.細(xì)菌乙醇發(fā)酵法：利用厭氧發(fā)酵單胞菌、棕櫚發(fā)酵菌、運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵1.發(fā)酵前期：發(fā)酵菌種繁殖時期2.主發(fā)酵期：繁殖基本停止，主要厭氧乙醇發(fā)酵3.發(fā)酵后期：糖濃度降低，發(fā)酵作用減弱，菌種死去1.葡萄糖到二磷酸果糖，3步反應(yīng)。2.磷酸果糖到磷酸甘油醛，2步反應(yīng)。3.磷酸甘油醛到丙酮酸，5步反應(yīng)4.丙酮酸降解成乙醇，2步反應(yīng)。第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日發(fā)酵微生物學(xué)生產(chǎn)中能夠發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的微生物主要有酵母菌和細(xì)菌。目前工業(yè)上生產(chǎn)乙醇應(yīng)用的菌株主要是釀酒酵母，這是因為它發(fā)酵條件要求粗放，發(fā)酵過程pH低，對無菌要求低，以及其乙醇產(chǎn)物濃度高（實驗室可達(dá)23%，v/v）。細(xì)菌由于其生長條件溫和，pH高于5.0，易染菌，細(xì)菌還易感染噬菌體，一旦感染了噬菌體將帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。所以迄今為止，生產(chǎn)中大規(guī)模使用的仍是酵母。第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日酵母的生長條件

（1）溫度。其正常的生活和繁殖溫度是29—30℃。在很高或很低的溫度下，酵母的生命活動消弱或停止。酵母發(fā)育的最高溫度是38℃，最低為-5℃；在50℃時酵母死亡。（2）pH。酵母的生長pH為3—8，但最適生長pH為3.8—5.0。當(dāng)pH降到4.0以下時，酵母仍能繼續(xù)繁殖，而此時乳酸菌已停止生長，酵母的這種耐酸性能被用來壓制和消除其它細(xì)菌的生長，即將該培養(yǎng)料加酸調(diào)至pH3.8—4.0，并保持一段時間，在此期間酵母生長占絕對優(yōu)勢，細(xì)菌污染即可消除。第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日（3）溶氧。釀酒酵母是兼性厭氧菌。在有氧時靠呼吸產(chǎn)能，無氧時借發(fā)酵或無氧呼吸產(chǎn)能。所以乙醇酵母在菌種生長起始通風(fēng)培養(yǎng)，等長至對數(shù)期快結(jié)束時停止通風(fēng)，進(jìn)行厭氧培養(yǎng)，從而使細(xì)胞進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)乙醇。第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的其它細(xì)菌和真菌微生物種類產(chǎn)物細(xì)菌熱纖梭菌（Clostridiumthermocellum）乙醇，乙酸，乳酸熱硫化氫梭菌(C.thermohydrosulfuricum)乙醇熱解糖梭菌(C.thermosacchaolyticum)乙醇產(chǎn)乙醇熱厭氧桿菌(Thermoanaerobacterethanolicus)乙醇，乙酸，乳酸布氏熱厭氧桿菌(Thermoanaerobacterbrockii)乙醇，乙酸，乳酸乙酰乙基熱厭氧桿菌(Themobacteroidesacetoethylicus)乙醇，乙酸，乳酸真菌粗糙脈孢霉(Neurosporacrassa)乙醇具柄畢赤氏酵母(Pichiastipitis)乙醇第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日乙醇生產(chǎn)對酵母要求能應(yīng)用于生產(chǎn)酵母菌株必須基本符合以下要求：能快速并完全將糖分轉(zhuǎn)化為乙醇，有高的比生長速度，有高的耐乙醇能力，抵抗雜菌能力強，對培養(yǎng)基適應(yīng)性強，不易變異。要耐滲透壓能力強，耐酸耐溫能力強，對金屬特別是Cu2+的耐受性強，并且產(chǎn)生泡沫要少。第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日Process第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日工藝流程第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日

由葡萄糖到乙醇的過程主要分成兩個階段，即糖酵解階段和丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙醇的階段。在糖酵解階段葡萄糖經(jīng)過轉(zhuǎn)化形成丙酮酸。酵母菌在無氧條件下，丙酮酸繼續(xù)降解，生成乙醇。丙酮酸乙醛乙醇丙酮酸脫羧酶Mg2+CO2乙醇脫氫酶NADHNAD乙醇發(fā)酵總過程袁麗婷.玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(3):922-925第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日葡萄糖發(fā)酵生成乙醇的總反應(yīng)式C6H12O6+2ADP+2H3PO42C2H5OH+2CO2+2ATP則1mol葡萄糖生成2mol乙醇，理論轉(zhuǎn)化率為

（2*46.05/180.1）*100%=51.1%

但在實際生產(chǎn)實踐中有約5%的葡萄糖用于合成酵母細(xì)胞和副產(chǎn)物，實際上乙醇生成量約為理論值的95%，即乙醇對糖的轉(zhuǎn)化率約為48.5%。第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日甘油正常發(fā)酵條件下，發(fā)酵醪中只有少量的甘油生成，其含量為發(fā)酵醪量的0.3%—0.5%。但在一些條件下，酵母可以轉(zhuǎn)化糖分為甘油雜醇油在乙醇發(fā)酵過程中，由于原料蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生了氨基酸，氨基酸的氨基被酵母菌同化，用作氮源，余下的部分脫羧生成相應(yīng)的醇類，這些醇類就是雜醇油。有機酸除琥珀酸之外，其他有機酸均是由于雜菌污染的結(jié)果。乙酸菌可以利用乙醇生成乙酸，乙酸的生成往往會增加揮發(fā)酸的含量。酒精發(fā)酵的副產(chǎn)物詹美榮.電子受體對超高濃度乙醇發(fā)酵副產(chǎn)物形成的影響[D].華僑大學(xué)，2013第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日每噸無水乙醇生產(chǎn)成本估算表項目單耗單價（元）金額（元）主要原輔材料1730木糖渣3.92噸52.00204纖維素酶液3.38噸391.44

1323燃料及動力1591汽15.1噸92.921399電292kwh0.54161其它費用

432直接生產(chǎn)成本3753第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日蛋白質(zhì)組學(xué)組學(xué)Discovery-driven轉(zhuǎn)錄組學(xué)代謝組學(xué)通量組學(xué)DNA芯片技術(shù)二維電泳/質(zhì)譜技術(shù)多維色譜/質(zhì)譜技術(shù)同位素-核磁共振技術(shù)計算生物學(xué)基因組模型化技術(shù)涉及的技術(shù)途徑實驗生物科學(xué)Hypothesis-driven分子遺傳學(xué)分子微生物學(xué)蛋白質(zhì)工程結(jié)構(gòu)生物學(xué)代謝工程重組DNA技術(shù)蛋白質(zhì)結(jié)晶及晶體衍射技術(shù)酶的定向進(jìn)化技術(shù)高通量篩選技術(shù)微生物生理學(xué)反向代謝工程技術(shù)從基因組到產(chǎn)品第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日秸稈發(fā)酵乙醇的主要難題原料分散---集運增加成本組分復(fù)雜---必先預(yù)加處理多酶體系---效率急待提高戊糖難用---酵母先要改造

第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日中期目標(biāo)

在完善萬噸級木糖相關(guān)產(chǎn)品-纖維素乙醇聯(lián)產(chǎn)示范工廠的基礎(chǔ)上：擴(kuò)大原料品種（如玉米秸和麥秸等）擴(kuò)大聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品（如乳酸、PHA等化學(xué)品、蛋白飼料、紙漿、木素產(chǎn)品、沼氣、二氧化碳等）建立植物全株綜合精練技術(shù)示范企業(yè)第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日黑龍江華潤酒精公司

纖維素乙醇試驗基地第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日中科院過程所秸桿乙醇生產(chǎn)線由中國科學(xué)院過程工程研究所與吉林省松原市石化園區(qū)的公司合作完成的“萬噸級秸稈酶解發(fā)酵丁醇產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”和“萬噸級秸稈酶解發(fā)酵乙醇產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”項目，分別于201