利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇

1、利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料酒精,姓名：張曉峰 專業(yè)：化學(xué)工程 學(xué)號：201331678,主要內(nèi)容,生物乙醇發(fā)展現(xiàn)狀 木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理 木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝 存在問題以及自己的看法,生物乙醇發(fā)展現(xiàn)狀,經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以能源為重要?jiǎng)恿Γ?jīng)濟(jì)越發(fā)展，能源消 耗越多。到2059年，也就是世界上第一口油井開鉆200周年之 際，世界石油資源大概所剩無幾。而生物質(zhì)能是由植物的光合 作用固定于地球上的太陽能，最有可能成為21世紀(jì)主要的新能 源之一。 然而燃料乙醇的生產(chǎn)如均以糖類或糧食為原料，其產(chǎn)量受到 糧食資源的限制，難以長期滿足能源需求。從長遠(yuǎn)考慮必須進(jìn) 行科技創(chuàng)新，擴(kuò)大原料來源。含木質(zhì)纖維素

2、的生物質(zhì)廢棄物是 生產(chǎn)燃料乙醇的另一原料來源，它包括農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工 廢料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的廢棄生物質(zhì)等。,生物乙醇發(fā)展現(xiàn)狀,注:生物乙醇比重按照0. 79公斤/升折算, 1加侖=3. 785升,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理,木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇的步驟主要分為兩步：纖維素水解 成糖，糖發(fā)酵成醇。由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，纖維素、半纖 維素（半纖維素是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體， 這些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。） 不但被木質(zhì)素包裹，而且半纖維素部分共價(jià)和木質(zhì)素結(jié)合， 纖維素具有高度有序晶體結(jié)構(gòu)。 因此必須經(jīng)過預(yù)處理，使得纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分 離開

3、，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結(jié)構(gòu)，降低聚合度，以提高 水解效率。表2列出了幾種木質(zhì)纖維素中纖維素、半纖維素和木 質(zhì)素的含量。,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理,植物細(xì)胞壁構(gòu)成示意圖,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理,表2 不同生物質(zhì)原料的組成,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理,纖維素類 物質(zhì),纖維素,木糖,木質(zhì)素,水解,纖維素酶,葡萄糖,木酮糖,發(fā)酵,直接發(fā)酵,異構(gòu)化,發(fā)酵,直接發(fā)酵,木糖異構(gòu)酶,（不能轉(zhuǎn)化為酒精）,乙醇,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的路線,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理,纖維素是一種有100-1000個(gè)-D-吡喃型葡萄糖單體以- 1,4-糖苷鍵連接的直鏈多糖，多個(gè)分子平行緊密排列成絲狀不 溶性微小

4、纖維。在工業(yè)上，纖維素經(jīng)酸解或酶解預(yù)處理后，釋 放出的葡萄糖可進(jìn)入乙醇發(fā)酵途徑。半纖維素是由多種多糖分 子組成的支鏈聚合物，不同來源的半纖維素其單糖的組成各異。 經(jīng)測算，木質(zhì)纖維素原料中半纖維素組分的有效利用有可能使 乙醇燃料的生產(chǎn)成本降低25%，這主要是木糖的作用。 利用產(chǎn)纖維素酶的微生物或纖維素酶先將纖維素水解成可 發(fā)酵性糖，再利用酵母將其發(fā)酵成乙醇。,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原理,典型的真菌產(chǎn)纖維素酶是 由葡聚糖內(nèi)切酶、葡聚糖 外切酶、-葡萄糖苷酶3 個(gè)主要成分組成的誘導(dǎo) 型復(fù)合酶系。,嗜熱厭氧細(xì)菌在生長速度和纖維 素代謝速度上比其他菌株快，同 時(shí)它所產(chǎn)生的纖維素酶的穩(wěn)定性 也有很大的提

5、高。,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝,木質(zhì)纖維素制 備生物乙醇的 基本工藝,預(yù)處理,水解,發(fā)酵,純化,預(yù)處理可以去除木質(zhì)素和半纖維素，降低纖維素 的結(jié)晶性，從而增大原料的可接觸表面積，使得 酶容易接近纖維素表面并進(jìn)行水解。,發(fā)酵過程是對水解產(chǎn)物(五碳糖 和六碳糖)進(jìn)行發(fā)酵，獲得乙醇。,水解過程是利用酸 或酶水解聚合物，使之成 為可溶性的單糖。,通過蒸餾、過濾等手段，獲得純凈的乙醇,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝,1.木質(zhì)纖維素的預(yù)處理 由于木質(zhì)纖維素的組成成分復(fù)雜、穩(wěn)定，使得其生物降解 難于迅速進(jìn)行。木質(zhì)素雖然對纖維素分解物質(zhì)（如酶等）反應(yīng) 沒有阻礙作用，但它阻止纖維素分解物對纖維素的作用，因此

6、人們不得不借助化學(xué)的、物理的方法進(jìn)行預(yù)處理，使纖維素與 木質(zhì)素、半纖維素等分離開；使纖維素內(nèi)部氫鍵打開，使結(jié)晶 纖維素成為無定型纖維素，以及進(jìn)一步打斷部分-1,4-糖苷鍵， 降低聚合度；半纖維素被水解成木糖、阿拉伯糖等單糖。經(jīng)預(yù) 處理后，有的纖維素的酶法降解速率甚至可以與淀粉水解相比。,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝,木質(zhì)纖維素材料的預(yù)處理方法,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝,2. 纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 纖維素是一種有100-1000個(gè)-D-吡喃型葡萄糖單體以- 1,4-糖苷鍵連接的直鏈多糖，多個(gè)分子平行緊密排列成絲狀不 溶性微小纖維。在工業(yè)上，纖維素經(jīng)酸解或酶解預(yù)處理后，釋 放出的葡萄糖可進(jìn)入乙醇

7、發(fā)酵途徑。,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝,3. 木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,木糖,木酮糖,木酮糖-5-磷酸,細(xì)菌,木糖異構(gòu)酶,木酮糖激酶,木糖醇,酵母,NADPH NADH,木糖還原酶,NADP NAD,NAD,木糖醇脫氫酶,NADH,戊糖磷酸途徑,糖酵解途徑,乙醇,木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝,4.發(fā)酵方式,發(fā)酵方法,1）直接發(fā)酵法：基于纖維分解細(xì)菌直接發(fā)酵纖維素生產(chǎn)乙醇，不需要經(jīng)過酸解或酶解前處理過程。特點(diǎn)是設(shè)備簡單，成本低廉；但乙醇產(chǎn)率不高，產(chǎn)生有機(jī)酸等副產(chǎn)物。,2）間接發(fā)酵法：先用纖維素酶水解纖維素，酶解后的糖液作為發(fā)酵碳源。乙醇產(chǎn)物的形成受末端產(chǎn)物抑制和低細(xì)胞濃度以及基質(zhì)抑制。為了克服乙醇產(chǎn)物

8、的抑制，必須不斷的從發(fā)酵罐中移出。,3）混合菌種發(fā)酵：采用氣升柱發(fā)酵木糖和溢流柱發(fā)酵葡萄糖的串聯(lián)發(fā)酵工藝。串聯(lián)發(fā)酵是首先經(jīng)P.s酵母的限氧發(fā)酵后，再經(jīng)S.c的厭氧過程而結(jié)束。,4）同時(shí)糖化發(fā)酵法（SSF法）：在同一個(gè)反應(yīng)罐中進(jìn)行纖維素糖化和乙醇發(fā)酵的同步糖化發(fā)酵法。這樣水解產(chǎn)物葡萄糖由菌體的不斷發(fā)酵而被利用，消除了葡萄糖因基質(zhì)濃度對纖維素酶的反饋抑制作用。,6）固定化細(xì)胞發(fā)酵：固定化細(xì)胞發(fā)酵具有能使發(fā)酵器內(nèi)細(xì)胞濃度提高，細(xì)胞 可連續(xù)使用，使最終發(fā)酵液乙醇濃度得以提高。,5）非等溫同時(shí)糖化發(fā)酵（NSSF法）：在纖維素酶糖化過程中，纖維素酶的最 適溫度為50左右，而酵母發(fā)酵的控制溫度是31-38。利用NSSF法很好地解 決了纖維素酶糖化與酵母發(fā)酵兩個(gè)過程中溫度不協(xié)調(diào)的矛盾。,存在問題以及自己的看法,1.木質(zhì)纖維素發(fā)酵生