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)乙醇化石資源就是現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)得物質(zhì)基礎(chǔ)石油、煤炭、天然氣不僅提供了基本得能源,而且提供了99%得有機(jī)工業(yè)原料。中國(guó)得石油生產(chǎn)和需求:

-----現(xiàn)狀和預(yù)測(cè)Environmentalproblem化石經(jīng)濟(jì),付出了巨大得環(huán)境代價(jià)(空氣污染和溫室效應(yīng)等)廉價(jià)石油時(shí)代終結(jié)了---人類必須戒除“油癮”生物質(zhì)資源開發(fā)就是人類繼續(xù)生存得必然選擇面對(duì)日益嚴(yán)峻得能源和環(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(guó)得共同選擇。孫鳳蓮,杜巍、生物質(zhì)能源開發(fā)利用中得產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)進(jìn)展與評(píng)述[J]、安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(24):8323-8326生物質(zhì)生物質(zhì)就是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生得各種有機(jī)體,即一切有生命得可以生長(zhǎng)得有機(jī)物質(zhì)通稱為生物質(zhì)。她包括植物、動(dòng)物和微生物。廣義概念:生物質(zhì)包括所有得植物、微生物以及以植物、微生物為食物得動(dòng)物及其生產(chǎn)得廢棄物。有代表性得生物質(zhì)如農(nóng)作物、農(nóng)作物廢棄物、木材、木材廢棄物和動(dòng)物糞便。生物質(zhì)定義生物質(zhì)就是僅次于煤炭、石油和天然氣得第四大能源,也就是我國(guó)可再生能源發(fā)展得重點(diǎn)。生物質(zhì)柳枝稷芒草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)化為乙醇以及乙醇得提取得階段秸稈發(fā)酵機(jī)理PrachandShrestha,MaryRasmussen、Solid-substratefermentationofcornfiberbyphanerochaetechrysosporiumandsubsequentfermentationofhydrolysateintoethanol[J]、J、Agric、Food、Chem,2008,56,3918-3924纖維素得結(jié)構(gòu)纖維素得分子結(jié)構(gòu)大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)

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)格得微纖維植物細(xì)胞壁次結(jié)晶纖維素纖維素約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(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)處理得作用

天然纖維素得高度結(jié)晶性和木質(zhì)化,阻礙了酶與纖維素得接觸使其難以直接被降解。必須通過預(yù)處理,以降低纖維素得結(jié)晶度,增加纖維原料得多孔性,脫除木質(zhì)素得保護(hù)作用,增加酶與底物得接觸面積,從而提高酶解得效率。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纖維素原料預(yù)處理方法1、物理方法

機(jī)械粉碎就是纖維原料預(yù)處理得常用方法,通過切、碾和磨等工藝使纖維原料得粒度變小,增加底物和酶接觸得表面積,降低纖維素得結(jié)晶度。機(jī)械粉碎包括干法粉碎、濕法粉碎、振動(dòng)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(shí)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)部氫鍵得破壞和有序結(jié)構(gòu)得變化,游離出新得羥基,增加了纖維素得吸附能力,也促進(jìn)了半纖維素得水解和木質(zhì)素得轉(zhuǎn)化。

氨纖維爆破(ammoniafiberexplosion,AFEX)法:和蒸汽爆破預(yù)處理類似,但就是避免了高溫條件下糖得降解以及有害物質(zhì)得產(chǎn)生。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%得H2S04于110~220℃下處理一定時(shí)間。由于半纖維素被酸水解成單糖,纖維殘?jiān)纬啥嗫谆蛉苊浶徒Y(jié)構(gòu),從而促進(jìn)了酶解效果。

堿法預(yù)處理:就是利用木質(zhì)素能夠溶于堿性溶液得特點(diǎn),脫除木質(zhì)素,引起木質(zhì)纖維原料潤(rùn)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)酶水解得進(jìn)行。常用得堿包括NaOH,KOH,Ca(OH)2和氨水等。4、生物法

生物法預(yù)處理?xiàng)l件溫和,能耗低,無污染,但通常處理得時(shí)間較長(zhǎng),而且許多白腐真菌在分解木質(zhì)素得同時(shí)也消耗部分纖維素和半纖維素。纖維素酶水解工藝1、纖維素酶得定義能水解植物纖維或經(jīng)物理、化學(xué)方法處理過得纖維素(如CMC)得β-1,4糖苷鍵得酶。

2、纖維素酶得分類(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就是各組酶(C1、Cx、Cb)協(xié)同作用得結(jié)果:

1、首先Cx酶在纖維素內(nèi)部隨機(jī)得切割,使其露出許多供外切酶作用得末端。

2、然后在C1酶得作用下生成大量纖維二糖和纖維寡糖。

3、最后Cb酶將她們進(jìn)一步分解成葡萄糖。CXC1Cb纖維二糖

發(fā)酵三個(gè)階段兩種途徑四步十二個(gè)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(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌發(fā)酵1、發(fā)酵前期:發(fā)酵菌種繁殖時(shí)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)。發(fā)酵微生物學(xué)生產(chǎn)中能夠發(fā)酵生產(chǎn)乙醇得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)用得菌株主要就是釀酒酵母,這就是因?yàn)樗l(fā)酵條件要求粗放,發(fā)酵過程pH低,對(duì)無菌要求低,以及其乙醇產(chǎn)物濃度高(實(shí)驗(yàn)室可達(dá)23%,v/v)。細(xì)菌由于其生長(zhǎng)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)模使用得仍就是酵母。酵母得生長(zhǎng)條件

(1)溫度。其正常得生活和繁殖溫度就是29—30℃。在很高或很低得溫度下,酵母得生命活動(dòng)消弱或停止。酵母發(fā)育得最高溫度就是38℃,最低為-5℃;在50℃時(shí)酵母死亡。(2)pH。酵母得生長(zhǎng)pH為3—8,但最適生長(zhǎng)pH為3、8—5、0。當(dāng)pH降到4、0以下時(shí),酵母仍能繼續(xù)繁殖,而此時(shí)乳酸菌已停止生長(zhǎng),酵母得這種耐酸性能被用來壓制和消除其她細(xì)菌得生長(zhǎng),即將該培養(yǎng)料加酸調(diào)至pH3、8—4、0,并保持一段時(shí)間,在此期間酵母生長(zhǎng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),細(xì)菌污染即可消除。(3)溶氧。釀酒酵母就是兼性厭氧菌。在有氧時(shí)靠呼吸產(chǎn)能,無氧時(shí)借發(fā)酵或無氧呼吸產(chǎn)能。所以乙醇酵母在菌種生長(zhǎng)起始通風(fēng)培養(yǎng),等長(zhǎng)至對(duì)數(shù)期快結(jié)束時(shí)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。發(fā)酵產(chǎn)生乙醇得其她細(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)乙醇乙醇生產(chǎn)對(duì)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,有高得比生長(zhǎng)速度,有高得耐乙醇能力,抵抗雜菌能力強(qiáng),對(duì)培養(yǎng)基適應(yīng)性強(qiáng),不易變異。要耐滲透壓能力強(qiáng),耐酸耐溫能力強(qiáng),對(duì)金屬特別就是Cu2+得耐受性強(qiáng),并且產(chǎn)生泡沫要少。Process工藝流程由葡萄糖到乙醇得過程主要分成兩個(gè)階段,即糖酵解階段和丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙醇得階段。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)乙醇得工藝研究[J]、安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(3):922-925葡萄糖發(fā)酵生成乙醇得總反應(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(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中有約5%得葡萄糖用于合成酵母細(xì)胞和副產(chǎn)物,實(shí)際上乙醇生成量約為理論值得95%,即乙醇對(duì)糖得轉(zhuǎn)化率約為48、5%。甘油正常發(fā)酵條件下,發(fā)酵醪中只有少量得甘油生成,其含量為發(fā)酵醪量得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,氨基酸得氨基被酵母菌同化,用作氮源,余下得部分脫羧生成相應(yīng)得醇類,這些醇類就就是雜醇油。有機(jī)酸除琥珀酸之外,其她有機(jī)酸均就是由于雜菌污染得結(jié)果。乙酸菌可以利用乙醇生成乙酸,乙酸得生成往往會(huì)增加揮發(fā)酸得含量。酒精發(fā)酵得副產(chǎn)物詹美榮、電子受體對(duì)超高濃度乙醇發(fā)酵副產(chǎn)物形成得影響[D]、華僑大學(xué),2013每噸無水乙醇生產(chǎn)成本估算表項(xiàng)目單耗單價(jià)(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(dòng)力1591汽15、1噸92、921399電292kwh0、54161其她費(fèi)用

432直接生產(chǎn)成本3753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(jì)算生物學(xué)基因組模型化技術(shù)涉及得技術(shù)途徑實(shí)驗(yàn)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)品秸稈發(fā)酵乙醇得主要難題原料分散---集運(yùn)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

中期目標(biāo)

在完善萬噸級(jí)木糖相關(guān)產(chǎn)品-纖維素乙醇聯(lián)產(chǎn)示范工廠得基礎(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)黑龍江華潤(rùn)酒精公司

纖維素乙醇試驗(yàn)基地中科院過程所秸桿乙醇生產(chǎn)線由中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所與吉林省松原市石化園區(qū)得公司合作完成得“萬噸級(jí)秸稈酶解發(fā)酵丁醇產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”和“萬噸級(jí)秸稈酶解發(fā)酵乙醇產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”項(xiàng)目,分別于2014年5月和8月通過了中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春分院組織得技術(shù)成果鑒定。鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為:“萬噸級(jí)秸稈酶解發(fā)酵丁醇和乙醇產(chǎn)業(yè)化技術(shù)創(chuàng)新強(qiáng),具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”乙醇發(fā)酵吸附耦合塔100m3纖維素酶發(fā)酵罐中國(guó)得燃料乙醇企業(yè)美國(guó)得燃料乙醇企業(yè)Broin公司投資:8000萬美元廠址:愛荷華州得埃米茨堡