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)乙醇姓名：高飛學號：MG1430073當前第1頁\共有39頁\編于星期五\3點化石資源是現(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。當前第2頁\共有39頁\編于星期五\3點中國的石油生產(chǎn)和需求：

-----現(xiàn)狀和預測當前第3頁\共有39頁\編于星期五\3點Environmentalproblem化石經(jīng)濟，付出了巨大的環(huán)境代價（空氣污染和溫室效應等）當前第4頁\共有39頁\編于星期五\3點廉價石油時代終結了---人類必須戒除“油癮”當前第5頁\共有39頁\編于星期五\3點生物質(zhì)資源開發(fā)是人類繼續(xù)生存的必然選擇面對日益嚴峻的能源和環(huán)境問題，開發(fā)利用風能、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)體系建設進展與評述[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2014,42(24):8323-8326當前第6頁\共有39頁\編于星期五\3點生物質(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)定義當前第7頁\共有39頁\編于星期五\3點生物質(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)柳枝稷芒草當前第8頁\共有39頁\編于星期五\3點020301秸稈預處理物理法、物理化學法、化學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當前第9頁\共有39頁\編于星期五\3點纖維素的結構纖維素的分子結構當前第10頁\共有39頁\編于星期五\3點

木質(zhì)纖維素結構植物細胞壁含有多糖和木質(zhì)素

纖維素分子結晶纖維素分層網(wǎng)格的微纖維植物細胞壁次結晶纖維素當前第11頁\共有39頁\編于星期五\3點纖維素約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%（主要由復雜酚類聚合而成）。木質(zhì)纖維素組成當前第12頁\共有39頁\編于星期五\3點（作物秸稈）木質(zhì)纖維素預處理工藝一、木質(zhì)纖維素預處理的作用

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

物理法、物理化學法、化學法和生物法。李海濤,姚開,賈冬英等.秸稈纖維素生物轉化預處理方法研究進展[J].農(nóng)業(yè)技術與裝備,2010,14:56-58當前第13頁\共有39頁\編于星期五\3點纖維素原料預處理方法1.物理方法

機械粉碎是纖維原料預處理的常用方法，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.物理化學法

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

氨纖維爆破(ammoniafiberexplosion,AFEX)法：和蒸汽爆破預處理類似，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。當前第14頁\共有39頁\編于星期五\3點纖維素原料預處理方法3.化學法

稀酸預處理：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構，從而促進了酶解效果。

堿法預處理：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，導致纖維內(nèi)部表面積增加，聚合度降低，結晶度下降，從而促進酶水解的進行。常用的堿包括NaOH,KOH,Ca(OH)2和氨水等。4.生物法

生物法預處理條件溫和，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。當前第15頁\共有39頁\編于星期五\3點纖維素酶水解工藝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酶將他們進一步分解成葡萄糖。CXC1Cb纖維二糖當前第16頁\共有39頁\編于星期五\3點

發(fā)酵三個階段兩種途徑四步十二個反應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。2.磷酸果糖到磷酸甘油醛，2步反應。3.磷酸甘油醛到丙酮酸，5步反應4.丙酮酸降解成乙醇，2步反應。當前第17頁\共有39頁\編于星期五\3點發(fā)酵微生物學生產(chǎn)中能夠發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的微生物主要有酵母菌和細菌。目前工業(yè)上生產(chǎn)乙醇應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23%，v/v）。細菌由于其生長條件溫和，pH高于5.0，易染菌，細菌還易感染噬菌體，一旦感染了噬菌體將帶來重大經(jīng)濟損失。所以迄今為止，生產(chǎn)中大規(guī)模使用的仍是酵母。當前第18頁\共有39頁\編于星期五\3點酵母的生長條件

（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，細菌污染即可消除。當前第19頁\共有39頁\編于星期五\3點（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培養(yǎng)，等長至對數(shù)期快結束時停止通風，進行厭氧培養(yǎng)，從而使細胞進行發(fā)酵產(chǎn)乙醇。當前第20頁\共有39頁\編于星期五\3點發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的其它細菌和真菌當前第21頁\共有39頁\編于星期五\3點乙醇生產(chǎn)對酵母要求

能應用于生產(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。當前第22頁\共有39頁\編于星期五\3點Process當前第23頁\共有39頁\編于星期五\3點工藝流程當前第24頁\共有39頁\編于星期五\3點

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化為乙醇的階段。

在糖酵解階段葡萄糖經(jīng)過轉化形成丙酮酸。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,2009,37(3):922-925當前第25頁\共有39頁\編于星期五\3點葡萄糖發(fā)酵生成乙醇的總反應式C6H12O6+2ADP+2H3PO42C2H5OH+2CO2+2ATP則1mol葡萄糖生成2mol乙醇，理論轉化率為

（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%，即乙醇對糖的轉化率約為48.5%。當前第26頁\共有39頁\編于星期五\3點甘油正常發(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，2013當前第27頁\共有39頁\編于星期五\3點每噸無水乙醇生產(chǎn)成本估算表當前第28頁\共有39頁\編于星期五\3點蛋白質(zhì)組學組學Discovery-driven轉錄組學代謝組學通量組學DNA芯片技術二維電泳/質(zhì)譜技術多維色譜/質(zhì)譜技術同位素-核磁共振技術計算生物學基因組模型化技術涉及的技術途徑實驗生物科學Hypothesis-driven分子遺傳學分子微生物學蛋白質(zhì)工程結構生物學代謝工程重組DNA技術蛋白質(zhì)結晶及晶體衍射技術酶的定向進化技術高通量篩選技術微生物生理學反向代謝工程技術從基因組到產(chǎn)品當前第29頁\共有39頁\編于星期五\3點秸稈發(fā)酵乙醇的主要難題原料分散---集運增加成本組分復雜---必先預加處理多酶體系---效率急待提高戊糖難用---酵母先要改造

當前第30頁\共有39頁\編于星期五\3點中期目標

在完善萬噸級木糖相關產(chǎn)品-纖維素乙醇聯(lián)產(chǎn)示范工廠的基礎上：擴大原料品種（如玉米秸和麥秸等）擴大聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品（如乳酸、PHA等化學品、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示范企業(yè)當前第31頁\共有39頁\編于星期五\3點黑龍江華潤酒精公司

纖維素乙醇試驗基地當前第32頁\共有39頁\編于星期五\3點中科院過程所秸桿乙醇生產(chǎn)線由中國科學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”和“萬噸級秸稈酶解發(fā)酵乙醇產(chǎn)業(yè)化技術”項目，分別于2014年5月和8月通過了中國科學院長春分院組織的技術成果鑒定。鑒定委員會一致認為：“萬噸級秸稈酶解發(fā)酵丁醇和乙醇產(chǎn)業(yè)化技術創(chuàng)新強，具有自主知識產(chǎn)權，達到國際領先水平”乙醇發(fā)酵吸附耦合塔100m3纖維素酶發(fā)酵罐當前第33頁\共有39頁\編于星期五\3點中國的燃料乙醇企業(yè)當前第34頁\共有39頁\編于星期五\3點美國的燃料乙醇企業(yè)當前第35頁\共有39頁\編于星期五\3點Broin公司投資：8000萬美元廠址：愛荷華州的埃米茨堡

原料：842噸玉米纖維、芯、秸稈等

/天計劃年產(chǎn)：1.25億加侖的乙醇，其中大約25%是纖維質(zhì)乙醇

（約10萬噸）參與者：duPont、Novozymes以及能源部國家可再生能源實驗室（Nationa