纖維素水解

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纖維素水解范文第1篇

關鍵詞：木質纖維素水解液；抑制物；釀酒酵母

引言

我國每年產生數量龐大的固體廢棄物，焚燒已成為最常見的固廢處置方式，該方式不僅浪費資源，還嚴重影響空氣質量。報道顯示微生物可將生物質轉化為液態、氣態的燃料，具有能耗低、轉化效率高和不產生二次污染等優點，因此，以生物質材料作為原材料開發新能源已受到世界范圍的關注[1]。

農作物秸稈和木材廢棄物在固體廢棄物中占重要地位，其主要成分是木質纖維素。木質纖維素是一種典型的生物質，利用微生物代謝木質纖維素產生清潔能源已成為研究熱點之一。目前，釀酒酵母產乙醇被廣泛應用于木質纖維素的資源化處理工藝，其具有成本低、原料豐富等優點。在釀酒酵母利用木質纖維素發酵之前，需對木質纖維素進行預處理和糖化，此時木質纖維素中的纖維素與半纖維素等轉化為可發酵糖，在纖維素與半纖維素等大分子物質的分解過程中，引入了一些小分子化合物，這些物質對發酵有抑制作用，統稱為抑制物。

1 抑制物的種類及抑制作用

木質纖維素水解液中的抑制物大致分為三類：弱酸類、呋喃類和酚類化合物。弱酸類主要包括甲酸、乙酸和乙酰丙酸，弱酸會破壞細胞內外的滲透壓平衡，并進入細胞內部，這部分弱酸在細胞內部進一步解離，使得細胞內環境酸化，影響細胞內部的酶促反應，最終抑制細胞的生長[2]。呋喃類抑制物主要是糠醛和HMF，這類物質對微生物中的乙醇脫氫酶、丙酮酸脫氫酶和醛脫氫酶產生抑制，減緩釀酒酵母的生長；醛類抑制物會產生細胞內活性氧，導致DNA分解，進而阻礙RNA和蛋白質的合成[3、4]。相對于其他類型抑制物，酚類抑制物的毒性更強，低濃度的酚類就可以抑制釀酒酵母的生長，研究表明，低分子量的酚類化合物對釀酒酵母生長具有更高的抑制作用[5]。

2 降低抑制物對釀酒酵母抑制作用的措施

2.1 木質纖維素水解液脫毒

發酵前對木質纖維素水解液進行脫毒是降低抑制物抑制作用的有效途徑。脫毒方法主要分為物理法、化學法和生物法，物理方法包括真空干燥濃縮、蒸煮、活性炭吸附、離子交換吸附和溶劑萃取等，這些方法可將水解液中的有毒物質在不改變分子結構的前提下去除，不同處理方法的去除效率具有差異[6]?；瘜W方法是利用各種堿性物質（如NH4OH、NaOH、Ca（OH）2等）及過量石灰法對水解液進行處理，通過化學反應改變水解液中的成分以降低抑制物毒性[7]。生物方法是利用特定酶或微生物脫毒，其中，漆酶是一種常用的脫毒酶，通過氧化聚合反應將毒性較高的小分子量酚類化合物轉化為毒性較低的大分子量酚類化合物[8]。

2.2 提高釀酒酵母對抑制物的耐受性

除了減少木質纖維素水解液中的有毒物質，還可提高釀酒酵母對抑制物的耐受性，目前比較常用的方法是基因工程方法、誘變方法和馴化育種方法?；蚬こ谭椒ㄊ峭ㄟ^添加、敲除或高表達某一種或幾種與抑制物代謝相關的基因以提高釀酒酵母對抑制物的耐受性的方法。改造基因可以直接、快速地使釀酒酵母表現出我們所期望的特性，但木質纖維素水解液中的抑制物種類繁多，基因工程方法難以使得釀酒酵母同時具有多種抑制物耐受性，且釀酒酵母的新陳代謝途徑復雜，改造基因可能使得釀酒酵母失去原本的優良特性[9]。誘變方法以自然突變為依據，利用誘變劑加快釀酒酵母細胞基因突變的速度，在短時間內產生大量突型釀酒酵母，經過進一步的篩選，可獲得具有抑制物耐受性的釀酒酵母，而誘變方法具有不確定性和誘變范圍廣等缺陷，因此需大量的誘變型細胞增加獲得目標菌株的幾率，且誘變劑可能損壞出發菌株原始基因，丟失優良特性。馴化育種是一種模擬自然選擇的過程，根據生物和環境共同進化的規律，對微生物施與一定的選擇壓力，使得微生物在自然突變的基礎上定向進化。馴化方法中存在的環境壓力使得微生物突變具有明確方向，可在短時間內富集突變子，在長期的馴化過程中，菌株的優良性質可以在代際之間傳遞，增加了優良性質的穩定性[10]；馴化育種的不足之處在于菌株的突變機理尚未明確，難以通過其他手段獲得該菌株。

3 結束語

木質纖維素水解液中的抑制物會影響釀酒酵母的發酵效率，降低代謝產物乙醇的濃度，因此需采取措施降低抑制物對釀酒酵母的抑制作用。將水解液脫毒與釀酒酵母改進進行對比，水解液的脫毒成本較高，不利于木質纖維素資源化利用的工業化發展，因此有必要提高釀酒酵母對抑制物的耐受性。木質纖維素水解液中抑制物的組分與原材料種類和預處理方式密切相關，不同改良釀酒酵母的方法各有其優缺點，在實際應用中可將多種方式有效結合，有利于獲得具有較高耐受性的釀酒酵母。

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纖維素水解范文第2篇

關鍵詞：木質纖維；預處理；進展

作為世界經濟支柱的石油資源預計在數十年左右將會枯竭，因此，石油替代品的開發研究迫在眉睫。目前有很多國家在研究以木質生物資源為原料用生物轉化法制備燃料乙醇，以替代或部分替代儲量有限的石油。

木質生物資源的主要成分是纖維素、半纖維素和木素。其中，纖維素、 半纖維素是可發酵糖的來源，含量占66%～75%（纖維質原料的絕干重量）[1]。由己糖通過釀酒酵母發酵生成乙醇是很成熟的工藝，當采用纖維素酶水解木質生物資源制造乙醇時，纖維素酶必須接觸吸附到纖維素底物上才能使反應進行，因此，纖維素對纖維素酶的可及性是決定水解速度的關鍵因素。木素的存在阻礙了纖維素對酶的可及性，且纖維素的結晶結構以及木質生物資源的表面狀態、木質生物資源的多組分結構、木素對纖維素的保護作用以及纖維素被半纖維素覆蓋等結構與化學成分的因素致使木質生物資源難以水解。木質生物資源隨著種類的不同，結構與化學成分存在差異，對酶的可及性也有所差異?？偟膩碇v，未經預處理的天然狀態的木質生物資源的酶解率小于20%，而經預處理后的水解率可達理論值的90%以上。預處理方法的選擇主要從提高效率、降低成本、縮短處理時間和簡化工序等方面考慮。理想的預處理應能滿足下列要求：產生活性較高的纖維，其中戊糖較少降解;反應產物對發酵無明顯抑制作用；設備尺寸不宜過大，成本較低;固體殘余物較少，容易純化；分離出的木素和半纖維素純度較高，可以制備相應的其他化學品，實現生物質的全利用。

目前，木質纖維原料預處理的方法主要有物理法，化學法，物理化學法，生物法等。

1　物理方法

常用的物理方法有剪切和研磨，高溫液態法，高溫分解，微波處理，蒸汽爆破和高能輻射等。

1.1 剪切和研磨

Stuart等[2，3]發明了一種特殊的纖維素漿的高速剪切裝置，可有效破壞纖維素與木質素和半纖維素的物理、化學結合，并顯著降低纖維素大分子的結晶度，提高比表面積。研磨的方法有球磨、錘磨等，比較有效的是球磨。1946年有人用球磨制得了完全無定形結構的纖維素，但這種結構很不穩定，很快又重新形成晶態結構，這也是機械物理方法常有的弊端。球磨可使纖維素的結構松散和使微纖中和微纖間晶區間存在的氫鍵斷裂[5，6]。使用三輪球磨處理木質纖維素，對糖化反應極為有效。但存在的問題是，機械處理方法的能耗很高，這無疑增加了生產成本。

1.2 高溫液態法

液態熱水法是指將物料置于高壓狀態的熱水中，溫度為200～230℃，處理物料2～15min使物料的40%～60%溶解，可除去4%～22%的纖維素，35%～60%的木素以及所有的半纖維素[3]。用酸水解生成的糖液，可使以單糖形式存在的半纖維素的回收率高于90%，并且，可使活性纖維轉化率高達90%，但只能在較低固體含量（20%）下對物料進行處理，因此能耗較大，生產效率較低[7]。

1.3 高溫分解

當原料在300℃以上的高溫條件下處理時，纖維素快速分解成為氣體和殘留固體[8]。如果溫度降低，分解速度就會減慢，而且還會產生揮發性的副產物。高溫分解后的木質纖維經0.5mol/L H2SO4、97℃、2.5h水解可使80%～85%的纖維素生成糖，其中葡萄糖占50%以上[1]。在熱解過程中加入氧會加快分解過程，當用氯化鋅或碳酸鈉作催化劑時，可以在較低溫下實現對純纖維素的分解。

1.4 微波處理

微波是頻率在300MHz到300GHz的電磁波（波長1m～1mm）。微波處理能使纖維素的分子間氫鍵發生變化，處理后的粉末纖維素類物質沒有脹潤性，能提高纖維素的可及性和反應活性，可以提高基質濃度，得到較高濃度的糖化液，處理時間短，操作簡單，但由于處理費用較高而難以得到工業化應用。

1.5 高能輻射

利用高能射線如電子射線、γ射線來對纖維素原料進行預處理，以獲得所期望的纖維素聚合度和增加纖維素的活性，以減少溶解用或反應用化學藥品造成的廢水、環境等污染。文獻[7]指出，電離輻射的作用，一方面是使纖維素聚合度下降，分子量的分布特性改變，使其分子量分布比普通纖維素更集中；另一方面是使纖維素的結構松散，并影響到纖維素的晶體結構，從而使纖維素的活性增加，可及度提高。但是輻射處理的成本較高，目前還很難用于大規模的生產。

2　化學預處理法

常用的化學法有臭氧法、酸水解法、堿法、氧化脫木素法、有機溶劑法等。

2.1 臭氧分解法

臭氧可以用來降解麥草、甘蔗渣、干草、花生、松木、棉桿和楊木鋸末等許多木質纖維原料的木素和半纖維素。該法中木素受到很大程度的降解，而半纖維素只受到輕微攻擊，纖維素幾乎不受影響。臭氧預處理的楊木鋸末酶法水解得率為0～57%，木素含量從29%降低為8%。臭氧分解有下列優點：（1）高效脫除木素；（2）不產生有毒的阻礙生物過程的化合物；（3）反應在室溫、常壓下進行。缺點是預處理需要大量的臭氧，生產成本昂貴[8]。

2.2 酸水解

主要有濃酸水解和稀酸水解兩種。稀酸處理的優點在于半纖維素水解得到的糖量大，催化劑成本低，易于中和。但半纖維素水解產物五碳糖易在催化下進一步降解（糠醛）。稀酸水解過程為多相水解反應，硫酸濃度一般0.5%～2%，溫度為180～240℃，時間為幾分鐘到幾小時。Brink[9]為天然纖維素轉化為葡萄糖提出了一個兩步法過程。第一步，把半纖維素解聚為木糖和其他糖類。第二步，把纖維素解聚為葡萄糖。由于酸的濃度低，可以不必進行酸的回收。但葡萄糖的最大產率僅占纖維素的55%，并且有較多的解聚產物會阻止酵母發酵生成乙醇[10]。法國在1856年即開始進行了濃硫酸水解法進行乙醇生產。濃酸水解過程為單相水解反應，纖維素在濃酸作用下首先溶解，然后在溶液中進行水解反應。濃酸能夠迅速溶解纖維素，但并不是發生了水解反應。濃酸處理后成為纖維素糊精，變得易于水解，（纖維素經濃酸溶液生成單糖，由于水分不足，濃酸吸收水分，單糖又生成為多糖，但這時的多糖不同于纖維素，它比纖維素易于水解）但水解在濃酸中進行得很慢，一般是在濃酸處理之后再與酸分離，使用稀酸進行水解。傳統的酸水解流程包括固定水解法、分段水解法和滲濾水解法。一般采用連續滲濾反應器，固體物料充填其中，酸液連續流過。這樣水解所產的糖可連續流出，減少了在床內停留時間，相應也減少了糖的進一步反應。也有人提出了兩步法稀酸水解。首先原材料用0.5～2.5 mol/L的稀硫酸處理，約有50%的半纖維素轉化為可溶性的低聚糖或單糖， 然后在62.5%～87.5%的液體乙醇中，用2mol/LH2SO4處理，脫除木素。通過以上兩步，總纖維素得率>60%[11]。近年來，人們還研究了助催化劑的作用。即用某些無機鹽（如ZnCl2，FeCl3等）來進一步促進酸的催化作用[11]。加電解液NaCl溶液可觀察到非均相稀酸水解速率的提高，酸解速率與添加的電解液的濃度成線性關系。還有人嘗試在滲濾反應器酸解過程中添加非水溶劑。如在稀硫酸中使用丙酮，葡萄糖產率為83.4%，不用丙酮，產量為65%。這表明，在適合的糖化條件下，可用丙酮、酸、水混合體系[12]。酸解法已有近一百年的歷史，發展至今，仍存在許多問題，如酸回收問題、設備腐蝕、工程造價等。另外，酸水解產生大量的副產物如甲酸、乙酸、糠醛、5-HMF（5-羧甲基糠醛）和苯系化合物，對后續發酵有相當的抑制作用。使得乙醇的產量和產率都不是太理想，因此酸法水解正逐漸被生物法所取代。

2.3 堿水解

某些堿可以用來預處理木質纖維原料，處理效果主要取決于原料中的木素含量。堿水解的機理是基于連接木聚糖半纖維素和其他組分內部分子之間（比如木素和其他半纖維素之間）酯鍵的皂化作用。連接鍵的脫除增加了木質纖維原料的多孔性。稀 NaOH 處理引起木質纖維原料潤脹，結果導致內部表面積增加，聚合度降低， 結晶度下降，木素和碳水化合物之間化學鍵斷裂， 木素結構受到破壞。 隨著木素含量從24%～55%降低到20%， NaOH處理的闊葉木消化性從14%增加到55%。 但是稀NaOH預處理對于木素含量超過26%的針葉木沒有效果。 對于木素含量低（10%～18%）的草類原料，稀 NaOH預處理是有效的[13]。

2.4 氧化脫木素

在過氧化氫存在的情況下木素可被過氧化物酶催化降解。采用過氧化氫預處理甘蔗渣可以增強其對酶水解的敏感度。在2%過氧化氫、 30℃條件下預處理8h，后續糖化作用中（45℃條件下經過纖維素酶水解 24h）大約 50%的木素和大部分半纖維素溶解，纖維素轉化成葡萄糖的轉化率為95%。Bjerre等[14]研究發現（20g/L麥草，170℃，5～10min）經氧化和堿預處理后水解，麥草纖維素轉化成葡萄糖的轉化率可達85%。

2.5 有機溶劑法

在有機溶劑法中，有機溶劑或水性有機溶劑和無機酸催化劑混合物可用來斷裂木素和半纖維素內在的化學鍵。使用的有機溶劑包括甲醇、乙醇、丙酮、 乙烯基乙二醇、三甘醇及四氫化糠基乙醇。有機酸比如草酸、乙酰水楊酸和水楊酸可作為有機溶劑法的催化劑。在高溫條件下無需添加催化劑即可獲得滿意的脫木素度。使用的溶劑經過排放、蒸發、濃縮和回收處理，既可降低成本又避免了阻礙微生物生長、酶法水解和發酵的化合物生成。

3　物理化學法

常用的物理化學法有蒸汽爆裂法、氨纖維爆裂、CO2爆破法、蒸汽爆裂與乙醇抽提結合法、氨冷凍爆破法等。

3.1 蒸汽爆裂法

這一方法主要指蒸汽爆破技術。蒸汽爆破是將木質纖維原料先用高溫水蒸氣處理適當時間，然后連同水蒸氣一起從反應釜中急速放出而爆破，由于木質素、半纖維素結合層被破壞，并造成纖維素晶體和纖維束的爆裂，使得纖維素易于被降解利用。但蒸汽爆理后可能會提高纖維素的結晶指數[15]。最初的蒸汽爆破由Mason于1927年提出并取得專利[16]。此后各國的研究者進一步結合化學處理，使蒸汽爆破技術更加完善。蒸汽爆破與酸結合，分兩步預處理。

軟木質纖維，糖的回收率可大大提高，并可降低后續酶解過程的酶的用量[17]。蒸汽爆破楊木時加入NaOH，隨堿濃度的增加，木質素脫除率可提高到90%[18]。蒸汽爆破的處理效果不僅與使用的化學試劑有關，而且與纖維材料的粒度大小有關。采用較大的粒度（8～12mm）不僅可節約能耗，而且可采用較劇烈的操作條件，具有較高的纖維素保留度，較少的半纖維素水解糖類損失，提高纖維素酶的酶解率[19]。

3.2 氨纖維爆裂

氨纖維爆破法比較相似于蒸汽爆破法，氨纖維爆破是指將物料置于高溫高壓狀態的液態氨中，保持一段時間，然后將壓力驟然釋放，使物料爆破。

氨纖維爆破法適合于木素含量低的草本科植物、 闊材和農作物的剩余物的預處理，氨纖維爆破法可有效提高各種木素含量低的草本科植物、闊葉材和農作物剩余物的糖化率[20]。Yoon等以氨的水溶液在連續式反應器中對木質纖維原料進行預處理，把5%～15%的氨的水溶液注入有木質纖維原料的柱式反應器，使木質纖維原料被氨浸泡，反應溫度為160℃～180℃，氨的水溶液的流速為1ml/cm2min，反應時間為14min。結果顯示，脫除木素效果好，并且木素脫除的程度可以控制。木素是影響酶解的主要因素之一，因此，脫除木素可以降低酶的量。氨纖維爆破法對半纖維素的去除程度不高，避免了半纖維素損失； 破壞纖維素的結晶結構提高纖維素的酶解可及性；同時處理過程中產生的抑制性降解產物少。由于氨的成本高，為了降低成本，避免對環境造成污染，在預處理結束后，需對氨進行回收再用。對氨的回收是在溫度高達200℃的高溫下進行的，用氨的過熱蒸汽來蒸發和剝離殘留在處理過的木質纖維原料上的氨，然后，通過調節壓力，將氣態氨從反應器里排出，再回用。氨回收的設備成本及能耗高，并且氨本身的成本高，使得氨纖維爆破法的成本高，無法推廣。

3.3 CO2爆破法

與蒸汽和氨爆破法一樣，CO2爆破法也是對木質纖維原料預處理的方法。所不同的是該方法處理過程中CO2必須形成碳酸以增加水解率。Walsum[21]等使用CO2爆破法對玉米秸稈進行預處理，結果表明：CO2爆破法處理后的玉米秸稈比水蒸汽爆破后的玉米秸稈水解后木糖和呋喃糖得率明顯提高，處理的效果與CO2的壓力有關，同時也證實了碳酸可以作為后續水解的催化劑。比較甘蔗渣和廢紙的蒸汽爆破、氨爆破和CO2爆破預處理，發現CO2爆破法比氨爆破法更加有效，而且不產生抑制后續水解的副產物。

3.4 蒸汽爆裂與乙醇抽提結合法

蒸汽爆裂與乙醇抽提結合法是用高壓飽和蒸汽處理生物質原料，然后突然減壓，使原料爆裂降解，然后通過原料洗滌再進行乙醇抽提。Hongzhang， Chen[22]等用該方法對小麥秸稈進行了預處理，工藝為：先用壓力為1.5MPa， 濕度34.01%，處理時間4.5min（無酸無堿），突然減壓爆裂降解。接著對原料進行洗滌，再用乙醇進行抽提，工藝為：乙醇40%，纖維/抽提液1:50（w/v）， 溫度180℃ ，抽提時間20min， 0.1% NaOH。結果表明：通過該法處理后的原料中半纖維素、木質素含量明顯降低。

3.5 氨冷凍爆破法

氨冷凍爆破[23]是利用液態氨相對較低的壓力（1.5MPa左右）和溫度（50～80℃）下將原料處理一定時間，然后通過突然釋放壓力爆破原料。在此過程中由于液態氨的迅速汽化而產生的驟冷作用不但有助于纖維素表面積增加，同時還可以避免高溫條件下糖的變性以及有毒物質的產生。氨冷凍爆破中采用的液態氨可以通過回收循環利用，整個過程能耗較低，被認為是一種較有發展前途的預處理技術。

4　生物預處理

在生物預處理法中，褐腐菌、白腐菌和軟腐菌等微生物被用來降解木素和半纖維素。褐腐菌主要攻擊纖維素，白腐菌和軟腐菌攻擊纖維素和木素。生物預處理法中最有效的白腐菌是擔子菌類。Azzam A M[24]研究了19種白腐菌預處理麥草效果，發現在5星期內35%的麥草被糙皮側耳菌（Pleurotus ostreatus）轉化成還原糖。為了降低纖維素的損失，可采用較少纖維素酶變種的側孢霉屬白腐菌 Pulverulentum 來降解木片中的木素。據報道[25]兩種白腐菌對百慕大草有降解作用，用白腐菌 Ceriporiopsis subvermispora 和 Cyathus stercoreus 預處理6周，生物降解率分別提高到29%～32%和 63%～77%。

白腐菌黃孢原毛平革菌（ P.chrysosporium ）在二次代謝過程中產生木素降解酶、木素氧化酶和依賴錳過氧化物酶。其它酶，包括多酚氧化酶、漆酶、H2O2產生酶和醌還原酶也能降解木素[26]。生物預處理的優點是能耗低，所需環境條件溫和。但是生物預處理后水解率很低。

5　結　語

木質纖維生產燃料酒精已成為一個熱門研究課題，預處理技術作為木質纖維轉化為能源的關鍵步驟，也成為科研工作者關注的焦點。傳統的化學處理、機械處理技術等耗能較多，且不同程度地存在環境污染；蒸汽爆破具有處理時間短、減少化學藥品用量、無污染、能耗低等優點，是很有發展前途的預處理新技術；生物處理技術從成本和設備角度考慮，占有獨特的優勢，但處理效率較低，利用基因工程和傳統的生物技術對菌種和酶進行改造，提高酶活力，降低酶成本，也有望應用于大規模工業生產；利用多種預處理方法相結合，開發更加高效、無污染且成本低的預處理手段，將是今后木質纖維原料預處理的發展趨勢。木質纖維原料預處理問題的解決，將為今后以木質纖維為原料的燃料酒精工業化生產打下堅實的基礎。

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[23] Ward John Patrick，Grethelein Hans. [J]. Biomass， 1988， 17（3）：153-163.

[24] Azzam A M. [J]. Biomass，1987，12（1）：71-77.

纖維素水解范文第3篇

關鍵詞：糠醛渣；乙酰丙酸；產率

我國每年能生產約數百萬噸含有大量纖維素的糠醛渣，在提倡節約資源的今天，應充分利用糠醛渣中的纖維素來生產高附加值的化工產品。乙酰丙酸可用來制取各種各樣的化工產品，用途極為廣泛。因此，研究將廢棄糠醛渣水解轉化制取乙酰丙酸具有重要意義[1]。

本文通過考察各反應條件對乙酰丙酸產率的影響，尋求最優工藝條件，為糠醛渣酸水解制乙酰丙酸工藝的優化與放大研究奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與設備

糠醛渣取自本實驗室玉米芯制糠醛所得，98%H2SO4、乙酰丙酸均為市售分析純。實驗使用100ml間歇式高壓反應釜（鞏義市英峪玉華儀器廠）；DZ-2BC 型真空干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；FA2004 電子天平（上海上平儀器公司）；GC-14B型氣相色譜（日本島津制作所）。

1.2 實驗原理與步驟

糠醛渣中主要成分為纖維素，糠醛渣中的纖維素在高溫下催化水解可生成葡萄糖，葡萄糖再脫水生成5-羥甲基糠醛，最后5-羥甲基糠醛脫羧可生成乙酰丙酸[2]。

將一定量干燥后的糠醛渣和一定比例的硫酸水溶液與磁力轉子加入到100ml高壓反應釜中，加熱反應一定時間后冷卻。冷卻后抽慮分離得到反應液和固體殘渣，用氣相色譜分析反應液中乙酰丙酸的量。殘渣清洗干燥后稱量固相殘渣的質量。用Van Soest法[3]分析糠醛渣及乙酰丙酸渣的組成。

1.3 分析方法

采用氣相色譜分析法來分析反應后的液體中乙酰丙酸的含量。氣相色譜條件設定為：毛細管柱， 氫火焰離子化檢測器；程序升溫：初始柱溫柱溫100℃， 保持3 min，然后以10 ℃/min速度升至210 ℃，再保持10 min；汽化室的溫度為240 ℃； 檢測器的溫度為250 ℃；進樣量1 μL，分流進樣；載氣為高純氮氣。

乙酰丙酸產率（mol%）=；

失重率（%）= 。

2 結果與討論

經Van Soest法測定糠醛渣中纖維素含量為54.4%，為了將糠醛渣中的纖維素最大程度的轉化為乙酰丙酸，對硫酸濃度、溫度、反應時間等因素進行考察，結果如下：

2.1 硫酸濃度對乙酰丙酸產率的影響

由文獻[4]可知酸料比對纖維素的水解影響很大，在固液比1：20，溫度200℃、時間40min的條件下，改變水溶液中硫酸濃度，結果如下：

由圖1可以看出隨著硫酸濃度的增加，失重率逐漸增加，纖維素水解率逐漸增加。在硫酸濃度由2%增大到6%的過程中，水解液中乙酰丙酸的摩爾收率也逐漸增加，再增加硫酸濃度，乙酰丙酸的收率基本趨于穩定，這是由于當無定形區內的纖維素鏈分子水解完畢后，酸分子較難進入結晶區，故水解速度變得緩慢而逐漸趨于穩定，所以乙酰丙酸的收率也趨于穩定。

2.2 溫度對乙酰丙酸產量的影響

在固液比1：20、水溶液中硫酸濃度6%、時間40min的條件下，改變反應溫度，結果如下：

由圖2可以看出當溫度升高時，乙酰丙酸的產率與原料失重率逐漸增加，反應溫度為200℃時，乙酰丙酸產率最高為51.97mol%；繼續增加反應溫度乙酰丙酸的產率略有下降，而失重率基本不變。這是因為在一定溫度范圍內溫度越高，反應體系中電子轉移越快，反應速度越快，水解所需時間越短。而繼續升高溫度，糠醛渣中的纖維素已幾乎完全分解，反應中的中間產物則在高溫下生成其他聚合副產物，生成的乙酰丙酸也會在高溫下分解，使乙酰丙酸的產率下降[5]。

2.3 反應時間對乙酰丙酸產量的影響

在反應溫度200℃，固液質量比1：20，酸質量濃度6%，改變反應時間，結果如下：

由圖3可以看出反應時間增加，乙酰丙酸產率增加，而失重率基本保持穩定，此反應時間范圍內纖維素幾乎已完全分解。反應時間40min時，乙酰丙酸產率最高為51.977mol%；繼續增加反應時間乙酰丙酸的產率略有下降。這可能是因為反應時間過短，反應未達到平衡，乙酰丙酸的生成量較少，而反應時間過長，副產物逐漸增多，使乙酰丙酸收率下降。

2.4 固液比對乙酰丙酸產量的影響

在酸度6%、溫度200℃，反應40min條件下，改變固液比，結果如下：

由圖4中可以看出，固液比增加時，失重率減少，乙酰丙酸產率下降，說明在較稀的固相濃度的反應體系中，硫酸水解的氫離子與纖維素及5-羥甲基糠醛等中間產物的接觸機率大大增加，從而能更好地催化纖維素水解且能夠快速的將中間產物在催化作用下轉化為乙酰丙酸。

3 總結

本文對糠醛渣酸水解制乙酰丙酸的實驗進行了研究，考察反應條件對乙酰丙酸產率的影響，可得出在反應溫度200℃，硫酸濃度6%，反應時間為40min，固液比1：20時，乙酰丙酸的產率最高，為51.9mol%。

參考文獻：

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[3]陳賢情，商晉，宋慧芳等.秸稈中纖維素/半纖維素和木質素的幾種測定方法對比[J].中國農業工程學會2011年學術年會論文集，2011.

[4]張建立.以淀粉和木屑為原料制備乙酰丙酸的工藝研究[D].鄭州大學，2006.

纖維素水解范文第4篇

1發酵抑制物解除策

抑制物解除的基本策略按照處理對象的不同，可以分為3種：木質纖維素物料脫毒、抑制物耐受菌篩選和過程控制優化。

1.1木質纖維素物料脫毒木質纖維素物料脫毒是指針對酸解、堿解、汽爆等預處理后的物料，通過一定手段，去除抑制物的過程。目前木質纖維素物料脫毒策略大體上可以分為物理法、化學法和生物法預處理3大類。物理法是直接去除水解液中的有毒物質，而化學法和生物法在于將有毒物質轉化為無毒物質。目前，文獻已報道的物理法包括水洗法、蒸發法、吸附法、萃取法、離子交換法、電滲析法等。水洗法常用于去除汽爆預處理產生的可溶性發酵抑制物[9]。蒸發法是一種簡單地去除預處理水解液中乙酸和糠醛等揮發性抑制物的方法[10]。萃取法則是利用糖類與抑制物在萃取劑中溶解性的不同，用溶劑將抑制物從發酵溶液中分離出來，如采用乙酸乙酯萃取可以去除木質纖維素水解液中56%的乙酸和所有的糠醛、香草醛和4-羥苯甲酸[11]。吸附法主要利用樹脂和活性炭具有的較強的吸附能力，去除水解液中的抑制物。一般地，脫毒的效果依次為陰離子交換樹脂>中性樹脂>陽離子交換樹脂[12]。在堿性條件下，陰離子交換樹脂能有效地去除陰離子和中性抑制物?；钚蕴繉σ种莆锏娜コЧ芤种莆镄再|、水解液pH、處理溫度和時間以及活性炭濃度的影響[13]。電滲析是將陰陽離子交換膜交替排列于正負電極之間，用特質的隔板將其隔開，組成淡化和濃縮兩個系統，在直流電源的作用下，以電位差為推動力，利用膜材料的選擇透過性，把電解質從溶液中分離出來，從而實現溶質的分離、濃縮、精制和提純。雙極性膜是一種新型的離子交換復合膜。它由陽離子交換層(N型膜)和陰離子交換層(P型膜)復合而成，在直流電場的作用下將水離解，在膜兩層分別得到氫離子和氫氧根離子。雙極性膜電滲技術目前已經應用于酸的生產和回收工藝[14-15]?；瘜W法主要是通過加入化學試劑使水解液中的抑制物形成沉淀或者通過調節pH使抑制物解離以去除毒性化合物的方法。目前應用最廣泛的是1945年Leonard和Hajny[16]報道的過量堿法(Overliming)，即先向預水解液中加入Ca(OH)2，調節pH到9−12，使抑制物沉淀，經過離心后再向得到的上清水解液中加入稀硫酸，調節pH到5.5。生物法是指利用酶或者微生物的降解作用以達到改變抑制物結構、降低毒性的方法[17]。生物法可分為酶處理和微生物處理。由于酶具有專一性，所以酶處理只能去除特定的抑制物。漆酶對酚類化合物的去除作用是明顯的，但對于乙酸、糠醛和羥甲基糠醛無去除作用[18]?；疑w鬼傘擔子菌CoprinuscinereusIFO8371生產的過氧化物酶在H2O2存在的情況下，可以將香豆酸、阿魏酸、4-羥基苯甲酸、香草醛、紫丁香醛、香草酸6種化合物轉化成高分子量化合物，從而提高拜氏梭菌Clostridiumbeijerinckii利用木質纖維素水解液發酵丁醇的性能[19]。微生物脫毒指的是利用絲狀軟腐菌Trichodermareesei等微生物，去除水解液中乙酸、糠醛和安息香酸衍生物等的方法。例如，利用絲狀軟腐菌處理蒸汽爆破預處理過的柳樹半纖維素水解液，乙醇的產率可以提升3−4倍[20]。不同抑制物去除方法的優缺點對比見表1。

1.2抑制物耐受菌選育物理、化學或生物等脫毒方法只能部分去除纖維素水解液中的抑制物，無法完全克服抑制物對宿主細胞的毒害作用，并且生物脫毒的費用一般占到總投入的30%−40%，幾乎是木質纖維素生物轉化過程中投入最大的一項工序，使得諸如丁醇等發酵產物進一步降低了自己在同類產品中的競爭力[21]。因此，從發酵微生物本身出發選育高耐受的菌株，則成為解決底物抑制物問題的另一種有效方法。根據育種方式的不同，可以分為傳統誘變、代謝工程和合成生物學。傳統誘變是指通過一些強烈的化學誘變因子，如甲基磺酸乙酯(EMS)、亞硝基胍(NTC)、丙烯醇等，以及紫外線等物理誘變條件對出發菌進行誘變以獲取抑制物耐受菌株的方法。由于單一的誘變方法具有菌種性狀不穩定、突變方向隨機等缺點，最近幾年的研究多集中于復合誘變和菌種馴化。復合誘變是指利用多種誘變劑同時或者依次對出發菌進行處理。誘變劑的復合處理有一定的協同誘變效應，能增強誘變效果，并能將多種優良性狀集中于同一菌株[22]。馴化是指讓細胞長期在某一環境下生長，使其能夠適應并具有良好性狀的進化過程。馴化是在對機理知識理解不足的情況下獲得具有目標特性菌株的有效方法。丁明珠等以釀酒酵母為出發菌種，通過紫外誘變結合馴化的方法篩選出1株對于糠醛、苯酚和乙酸都有很強耐受能力的菌株[23]。Keating等[24]利用糠醛、5-羥甲基糠醛和乙酸溶液對釀酒酵母進行馴化，得到了一株在纖維素水解液中具有良好發酵效果的酵母菌株。Liu等[25]也利用馴化的方法得到了能耐受糠醛的酵母菌株，從而實現了對纖維素水解液中糠醛抑制物的原位脫毒。分子生物學技術的發展，使得產溶劑梭菌代謝工程改造成為了可能，外源基因和調控因子的引入，使代謝工程有別與傳統意義上的菌種改造。利用重組技術調控細胞中酶反應、優化代謝物的轉化與轉運，可以有效增強宿主細胞對于抑制物的耐受能力。楊雪雪[26]對釀酒酵母同源二倍體單基因缺失株文庫進行篩選，經過初篩、復篩、驗證等步驟，得到了163個糠醛抗性相關基因，并成功構造出雙倍體單基因缺失株siz1/siz1，dep1/dep1，sap30/sap30和單倍體單基因缺失株siz1，dep1，sap30菌株，其對10mmol/L糠醛的抗性比各自相應的野生型菌株要高出100倍。Li等[27]利用酵母全基因組表達譜芯片，研究了釀酒酵母在轉錄組水平上對糠醛和醋酸的代謝響應，發現增強HMG1基因可以提高胞內糠醛的轉化效率，從而增強菌體的耐受能力。Gorsich等[28]通過對釀酒酵母單基因突變體庫的篩選找到62種與糠醛耐受性相關的基因。過表達其中的葡萄糖-6-磷酸脫氫酶基因ZWF1后，釀酒酵母可以在高濃度的糠醛下生長，這可能是因為過表達ZWF1使得葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的活性增加，為糠醛還原酶或依賴NADPH的脅迫應激酶類提供了更多的還原動力(NADPH)，進而提高了菌體耐受性。目前為止，所得到的各種抑制物耐受菌大多是通過馴化或者傳統誘變篩選得到的。由于抑制物對于宿主細胞的抑制機理還不明確，很難通過定向設計獲得具有高耐受性的菌種。因此，深入了解水解液中抑制物與細胞的相互作用關系，揭示細胞的脫毒機制，進而定向改造菌株，是當前代謝工程亟待解決的問題。

2新型抑制物解除工藝傳統預處理方法

[29-31]、菌種改造[24]等方法，對于突破木質纖維素抑制物瓶頸、實現木質素產業化生產是必不可少的[32]。但它們只專注于單一的技術突破，忽略了木質纖維素本身所具有的結構特點[33]。實際上，木質纖維素獨特的組成特點，可以為我們提供新的研究思路[34]；基于此，陳洪章課題組提出了“源頭降低抑制物——纖維素木質素分級轉化”煉制模式，為木質纖維素的開發和利用，探索出了一條全新的工藝路線；并在此基礎上，進一步提出了“原位脫毒——發酵促進劑設計技術”，它們共同組成了當前最新型的抑制物解除工藝。

2.1源頭降低木質纖維素抑制物的分級轉化煉制工藝木質纖維素原料具有結構復雜、不均一的多級結構。從細胞組成上，可以分為纖維狀的纖維細胞和雜細胞(包括導管、薄壁細胞、表皮細胞等)。纖維細胞木質素含量較高，具有較發達的次生壁，因此厚度較大。薄壁細胞腔大、壁薄、長度短，其成分主要為纖維素[35]。由于結構和形態上的差異，這兩類細胞所要求的預處理條件也是不同的[21]。纖維細胞，細胞壁木質化程度高，結構致密，受熱過程中傳質熱阻力大，且不易被撕裂；薄壁細胞，壁薄而腔大，即有利于傳質傳熱，有利于水蒸氣閃蒸對其物理撕裂。因此，針對不同組織細胞分別優化處理條件，開發出了二段汽爆分梳技術。其具體的工藝過程如下：1)將汽爆壓力控制在0.5−1.0MPa、維壓1−10min，對秸稈原料進行第一段蒸汽爆理。2)通過氣流分級裝置，將第一段汽爆物料進行分級，得到薄壁組織和纖維組織。薄壁組織可以直接用于纖維素發酵。3)將分梳得到的纖維組織在壓力為1−1.5MPa、維壓時間為1−10min條件下進行二段蒸汽爆理。二段汽爆分梳工藝，不同于傳統所指的二段汽爆工藝，前者采用較溫和的汽爆條件進行第一段汽爆，通過氣流分梳裝置將第一段物料(薄壁細胞)分級，得到薄壁組織和纖維組織，再將纖維組織在適當的條件下進行第二段汽爆。該工藝可以實現纖維素組分的有效分離，即能保證纖維組織達到較好的預處理效果，提高纖維原料的酶解效果，又能避免薄壁細胞的過度降解，從源頭控制了抑制物的產生，減少了脫毒單元操作的引入，簡化了工藝。在二段汽爆以后，將汽爆后的秸稈渣送入1.2m3酸水解罐中，同時加入0.3%−0.5%的稀硫酸，物料和稀硫酸的體積比控制在1∶5−1∶7，在110−120℃的溫度下水解0.5−1.0h，然后利用螺旋擠壓機將水解液中的液體和固體分開，分別得到水解液和水解渣。水解液主要成分為非半纖維素，水解渣中主要為木質素和纖維素。繼而采用2%的堿液提取殘渣中的木質素，提取率可達96%，隨后利用逐級酸性沉淀(pH5−2)分級木質素的方法，可以制得小于6kDa，6−10kDa，10−20kDa和大于20kDa等不同分子量范圍的木質素，用于不同功能原料的開發。本課題組的研究發現，汽爆秸稈酶解液中并不存在糠醛、5-羥甲基糠醛與乙酸的抑制問題，而汽爆秸稈木質素降解物才是抑制丁醇發酵的主要原因[36]。由于從源頭去除了木質素對于半纖維素和纖維素發酵的干擾，發酵液中的抑制物種類較少，濃度較低，經過簡單脫毒(5%−10%的活性炭吸附室溫下處理8−12h)，即可用于正常的丁醇發酵。基于以上重大技術突破，組建出與其技術相配套的自主加工的工業化裝置系統，完成了年產600t秸稈丁醇中試實驗。所建立的技術工藝在中國吉林省松原市成功用于“30萬t/年秸稈煉制”產業化生產。該生產線將為秸稈作為工業原料生產能源、材料和化學品提供新的思路和產業化示范。該工藝有以下幾個特點：1)可以從源頭降低抑制物的產生，簡化了操作工序，降低了預處理的成本。2)通過組分分離，保證了發酵底物的純度，提高了溶質的傳質速率和酶的接觸面積，提高了發酵效率。3)實現了秸稈全組分高價化經濟全利用，通過經濟分攤，增加了木質纖維素的經濟競爭力。本實驗室所提出的“源頭降低抑制物——纖維素木質素分級轉化”煉制模式，為木質纖維素發酵抑制物的解除及木質纖維素開發利用提供了全新的技術路線。

2.2基于木質纖維素發酵特點的過程強化工藝從發酵微生物本身出發，通過增加發酵液殊的物質，來提高微生物細胞對抑制物的耐受能力；或者選育出能夠耐受木質纖維素水解液中各種抑制物，并具有較高發酵性能的微生物，以達到脫毒的目的，這種方法通常被稱為抑制物的原位脫毒。在木質纖維素發酵過程中，往往微量級別(mg/L)的“特殊物質”，就可以實現目標產物發酵效率的成倍增長，具有巨大的開發價值。這些“特殊物質”稱為發酵促進劑，大多數屬于電子穿梭化合物，即具有多種氧化態和還原態的物質。它們在細菌代謝過程中扮演著重要的角色。外源添加這種電子穿梭化合物，可以改變胞內的電子流向，提高電子傳遞速率，進而理性調控生物胞內的能量狀態和生理狀態，提高菌體的耐受性和目標產物的合成能力。常見的電子穿梭化合物，包括中性紅、亞甲基藍、聯芐吡啶、二磺酸蒽醌、Fe(OH)3和甲基紫精等。二磺酸蒽醌常用作腐殖酸的類似物，用于研究醌類物質在電子傳遞中的作用。外源添加還原性的二黃酸蒽醌可以改變Clostridiumbeijerinckii的代謝模式，提高H2的產量。Fe(OH)3是最常用的氫氧化物，在厭氧發酵中是良好的電子載體；甲基紫精同鐵氧化還原蛋白的電勢相似，可以參與一系列生化反應過程中的電子傳遞過程，通過鐵氧化還原蛋白-NAD還原酶增強NAD(P)+的電子流。1979年，Hongo等[37]首次提出了“電子能方法”(Electroenergizing)的概念，他們向黃色短桿菌Brevibacteriumflavum菌發酵液中添加中性紅(電子載體)，發現谷氨酸的產量明顯提高，而且從陰極傳遞的電子幾乎全部被宿主細胞吸收。遺憾的是，他們并沒有深入研究這些電子如何進入生化代謝途徑。Yarlagadda等[38]通過外源添加甲基紫精，使得Clostridiumsp.BC1的乙醇和丁醇產量分別提高了28倍和12倍，同時菌體對于丁醇等物質的耐受性明顯提升。Liu等[39]認為這些物質與胞內的NADPH/NADP+和NADH/NAD+總比例有著直接的聯系，NADPH/NADP+和NADH/NAD+總比例是主導胞內代謝狀態的最主要因素。生物信息數據庫KEGG中包括855和1064個氧化還原反應，分別有106和88種以NAD+和NADP+為輔因子的酶催化反應(到2012年10月為止)，幾乎涉及所有細胞骨架類化合物的構建(如氨基酸、脂類和核酸)。通過改變胞內NADH的水平可以實現胞內代謝流的調控，提高目標產物的產量，增強菌體的抑制物耐受性。遺憾的是，目前對于發酵促進劑的研究，主要集中于抑制物耐受機理的闡明，實驗過程中多采用合成培養基，而實際生產方面的應用幾乎沒有開展?；诖耍覀兟氏乳_展了電子載體物質、氧化還原物質與木質纖維素抑制物原位脫毒關聯性的研究，利用秸稈水解液進行了實驗驗證，取得了良好的發酵結果；首次提出了“發酵促進劑設計技術”理念，綜合運用前體工程、理論化學、計算化學和計算機輔助模擬等手段，構建出促進劑開發平臺技術，為傳統的發酵工藝提出了新的研究思路。其主要內容為：首先，運用組合化學手段，對已有的發酵促進劑進行歸類分析，獲取其決定作用的“母核”，然后運用虛擬組合庫進行大通量篩選。虛擬組合庫主要出自3個來源：一種是基于分子片段的直接枚舉而產生的新的分子庫；一種是基于反合成分析原理的片段化及重組而產生的新分子庫；另一種是基于分子構象疊合和遺傳算法中的雜交原理的分子重組而產生的新的分子。目前，已經成功完成了系列產品的研發，即將進行實際發酵的生產驗證。

3展望

纖維素水解范文第5篇

關鍵詞：生物能源，生物酒精，生物質，纖維素，生產過程

0　引言

由于溫室氣溫排放導致全球氣溫變暖，自然石化資源短缺。生物能源成為世界上研究熱點。中國是世界上消耗石油第二的國家，大約占全世界總量的6％。國際能源中心(IEA)估計中國到2030年每天消耗1.4×107桶汽油；隨著汽車工業的發展和普及，2020年，汽車的使用量從2004年大約2.4×107臺增加到90-140×107臺，運輸所需的能源從現在比例約33％發展到57％左右，每天的所需量從目前的1.6×107桶到5.0×107桶。因此，到2030年，溫室排放氣體將增長至7.14Gt／年。對石油的需求導致中國更加依賴進口石油，2030年，75％的石油將依靠進口。因此，中國面臨能源需求、國家能源安全和環境污染的挑戰。中國作為發展中發展最快，世界上人口最多的國家，在經濟快速發展和國際地位大幅提升的基礎，應該發揮其主導作用，制定研究政策和目標，開發利用可持續“中性碳”能源，其中包括生物酒精的生產和使用。

纖維素生物質轉化成生物酒精是世界上生物能源發展的熱點研究之一。纖維素生物質主要包括農業殘渣(水稻、玉米等秸稈)、森林殘渣(樹枝、鋸末)、廢棄物(廢紙)、草本植物(蘆竹)和木質植物(麻瘋樹、楊樹)，資源非常豐富，中國僅秸稈一年約有8.4億噸，林木廢棄物約2億噸；到2030年，每年農作物殘渣量達5.53EJ；森林殘渣達0.9EJ(3／4來自木材加工，1／4來自森林殘枝殘葉)；加上生物質能源種植(每公頃平均產量15噸干，10％的土地可以作為種植面積)，統計計算，每年可以提供約23EJ的能源，相當于6000億升的石油。而根據IEA的預測，2030年中國需要12.4EJ的交通運輸液體能源。如果能夠充分利用木質纖維素生物質，提高轉化技術，生成酒精，中國可以足夠滿足運輸能源的需求。通過轉化生成生物酒精使用是中性碳排放過程，減少溫室氣體排放，有利于環境和資源的平衡利用。

世界上纖維素生物質轉化生物酒精的技術基本上處于研究階段。我國在纖維素生物質轉化生物酒精的技術方面起步較晚，還是處于初步研究階段。本文主要對纖維素生物質生物酒精生產過程中關鍵技術進行簡要分析，指出存在的難點和可能性的解決方法以便進一步深入研究。

1　纖維素生物酒精生產

1.1　纖維素生物質作為生物酒精原料的特征

糖類和淀粉轉化酒精的工程通過發酵，在世界上已經實用化；草本纖維素和木材纖維素轉化酒精正處于實用化過程研究階段。從生物質轉化為生物酒精的容易程度來比較可以得出：糖類>淀粉>草本纖維素>木材纖維素。

淀粉和纖維素都是由葡萄糖組成的多分子高聚體。但是淀粉和纖維素的葡萄糖分子的結構不相同，如圖1所示。淀粉容易生物化學分解，但是纖維素大分子是由葡萄糖脫水，通過B－1，4葡萄糖苷鍵連接而成的直鏈結晶性聚合體。在常溫下不發生水解，高溫下水解也很緩慢。另外，纖維素生物質中半纖維素由不同類型的單糖構成的異質多聚體，包括木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等。半纖維素木聚糖在木質組織中約占總量的20％～40％，它結合在纖維素微纖維的表面，并且相互連接(如圖2)。其三，草本和木質纖維素表面因為酚類聚合物木質素的存在，更加難以分解。因此從纖維素生物質轉化為酒精，由于半纖維素和木質素的存在，普通的發酵法不能夠順利完成生物酒精的生成。

1.2　纖維素生物酒精生產過程及有待解決的問題

從纖維素生物質轉化為生物酒精的整個加工過程，如圖3所示，大致可以分為六個過程。

首先是生物質的收集、水分調節和粉碎；然后是生物酒精生成過程，包括前處理、糖化、發酵和脫水；比如采用進行水熱處理、堿化或微生物處理等的前處理措施來使纖維素易于糖化分解；其次，纖維素和半纖維素的糖化處理；接著采用酵母等微生物作用，產生酒精的過程，即發酵過程；然后，進行酒精和水分離，蒸餾脫水過程，完成生物酒精的生成；最后，廢水和廢棄物處理。

12.1　生物質利用

世界上對生物質的種類開發和數量估算等研究比較多，但關于生物質利用收集運輸等相關研究不是太多。很多研究者提出了生物質收集的問題，但沒有進行較深入的研究。主要存在以下問題：1)季節性和地域性強；2)能量密度低；3)輸送成本高。

1.2.2　前處理、糖化技術開發

現在研究集中在生物酒精的轉化過程中前處理分離木質素、纖維素糖化技術的開發和提高發酵效率。按前處理技術分類，可以分為：1)物理方法(粉碎、爆碎和水熱處理等)；2)化學方法(酸處理、堿化處理)；3)微生物方法(酵素、微生物菌類利用)。同樣按糖化技術可以分為三類：1)物理方法(水熱處理等)；2)化學方法(酸處理)；3)微生物方法(酵素、微生物菌類利用)。

按照前處理和糖化綜合技術可分成6大類，對比結果如表1。其中前5種方法，基本完成實驗研究，處于應用初試階段，但可以看出各種方法各有優點和缺點，在現有的工藝條件下，還沒有最佳的生產工藝；微生物菌處理+微粉碎+酵素法是雖然處理速度慢，但能量效益和轉化效果有望比較理想，環境負荷特低，所以前景最好，但各階段都處于開發中?？傮w上，尚未有最佳的纖維素生物酒精的加工工藝。

1.2.3　發酵過程

如圖4所示，三種轉化過程。

1)傳統方法：即纖維素酶法水解與乙醇發酵分步進行，水解和發酵都在最合適的溫度下進行，但在酶解過程中分解糖沒有利用反而反饋抑制酶的活性。

2)同時糖化和發酵：同時糖化和發酵即纖維素酶解與葡萄糖的乙醇發酵在同一個反應器中進行，酶解過程中產生的葡萄糖被微生物所迅速利用，解除了葡萄糖對纖維素酶的反饋抑制作用，提高了酶解效率。要求纖維素酶生產成本和周期的降低，能同時發酵五碳糖和六碳糖的轉基因酵母，優化的預處理手段以及連續工藝的開發和使用：但存在水解和發酵所需的最佳溫度不能匹配。

3)基因轉化微生物直接生成：通過某些微生物的直接發酵可以轉換為酒精。要求微生物既能產生纖維素酶系水解纖維素又能發酵糖產生乙醇。此方法不需添加 額外的酶，但后者需要酶基因的轉入，是一種有前景的方法。

1.2.4　蒸餾、脫水

在這個環節主要要提取高度酒精，去水化；在此過程中主要要注意減少能源消耗。

1.2.5　廢水、廢物處理

減少環境污染，提高廢棄物利用，開發肥料、飼料和燃料利用，并力求低能源消耗和低成本。

2　關鍵技術討論

2.1　生物質收集區域規劃和機械化開發

要使生物酒精工業工廠化生產，首先保證充足的生物質原料；將分散性、季節性和區域性強的生物質進行收集，各個地區的生物質種類及數量、質量都是不相同的，因此進行區域規劃，來有效實現區域作業。如美國NREL研究得出50Km范圍內所消耗的能量和成本是比較合適的。

其次是大力開發生物質收集機械自動化，可以提高生產率，減少成本和解決季節性強等要求。如圖5，稻桿作業機械。

2.2　酒精轉化新研究技術分析

綜合前處理糖化和發酵三種轉化過程，酸化轉化過程比較簡單，但生成后的廢物、廢水處理造成的環境負擔并不符合未來的發展方向；如圖6所示理想的纖維素生產生物酒精的過程。

在此過程中，主要是前處理加熱或酸化處理中，容易產生芳香族化合物等抑制物質；纖維素酶的利用率低等主要問題，主要解決辦法包括：

1)試圖從其他物種中尋找更符合工業應用以及更具有應用前景的纖維素酶，提高酶的適應性，加快水解效率和增強耐熱性能。

2)應用微生物酶工程技術，通過分子演化和設計來提高酶的功能性；通過強化的低成本發酵來生產酶制劑；通過基因工程途徑構建生產纖維素酶提高酶活性。主要包含三個研究方向：(a)根據對纖維素結構和催化機理的研究，合理地設計每一種纖維素酶；(b)對纖維素酶的定向進化，根據隨機突變或分子重組的方法篩選改造后的纖維素酶；(c)重組纖維素酶體系，提高纖維素對不溶性纖維素的水解速率或程度。

3)通過智能控制技術對酶解／發酵過程進行智能化在線監控，可以實時精確地優化動態反應條件，提高酶解／發酵效率。

4)研究開發適合該體系的高效生物反應器和建立描述反應動力學的數學模型對提高效率、掌握過程的機理及指導過程放大都將有重要的意義。

5)開發節能濃縮、脫水裝置，開發膜分離精餾技術。

2.3　廢水、廢物處理

完成酒精轉化后，廢水、廢物處理是容易忽視的研究內容；為了不增加二次環境污染，這個環節必須而且要對纖維素生物酒精的生命周期評價起較重要的作用，因此，必須考慮作為燃料能源利用，肥料開發和排水處理。