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摘 要 本文主要阐述了目前国内外利用纤维素生产燃料乙醇研究中秸秆的预处理的指导理论及其技术发展。
关键词 预处理 乙醇 纤维素
近年来,随着石油、煤炭等不可再生能源的日益枯竭,温室气体的大量排放,环境的恶化,寻找一种可再生的石油替代品已经迫在眉睫。燃料乙醇作为一种新的燃料替代品,可以减少对石油的消耗,作为可再生能源,可直接作为液体燃料或者同汽油混合使用,可减少对不可再生能源——石油的依赖。它的出现缓解了人类所面临的资源危机和环境问题。世界上90%以上的乙醇是通过发酵生物质来生产的,故它属可再生能源。目前出于对粮食安全的全盘考虑, 国家限制发展粮食基燃料乙醇。2007 年我国出台的《生物燃料乙醇暨车用乙醇汽油中长期发展规划》明确提出发展生物燃料产业必须坚持非粮原料路线。而纤维素是自然界中十分丰富的资源,地球上每年光合作用可产生大于100 亿吨的植物干物质,其中一半以上是纤维素和半纤维素。纤维素的聚合度(DP )非常大,从大约2 000到15 000以上。目前众多学者从事于纤维素原料生产燃料乙醇的研究,而利用纤维素所面临的首要问题就是纤维素的预处理,本文主要讲述了目前国内外纤维素的预处理技术。
一、预处理技术的理论指导
通过理想的预处理技术,可以得到活性较高的纤维,其中的戊糖只有一小部分降解;反应产物对发酵没有明显的抑制作用;设备的尺寸不能太大,成本较低;固体残余物较少,容易纯化;分离出的木质素和半纤维素纯度较高,可以制备相应的其他化学品,实现生物质的全利用。
二、纤维素的预处理技术
(一)微生物处理技术。微生物法主要是利用一些真菌降解木质素,消除木质素对纤维素酶分子的空间阻碍和无效吸附,从而提高糖化效率。现在常用的真菌主要有白腐菌、褐腐菌、李氏木霉和软腐菌等,其中白腐菌的降解能力最强,并且分泌胞外酶,在木质素降解过程中不会产生色素,具有很好的开发利用前景。其中黄孢原毛平革菌是研究最为透彻的模式菌种,Ratna等人用黄孢原毛平革菌来降解棉杆中的木质素,液体培养(SmC)和固态培养(SSC)降解木质素分别为19.38%和35.53%。
(二)蒸汽爆破。蒸汽爆破最初是由Mason于1927 年提出的。后来,人们在他的基础上又作了改进,利用酸与蒸汽爆破相结合显示了更好的效果,Martinez等人在用蒸汽爆破法处理阔叶木片1～2 min后,再用酶进行处理,酶解率达到90%以上。Karr用蒸汽爆破预处理甘蔗渣,也得出了蒸汽爆破法预处理有助于酶水解的结论。蒸汽爆破法是指将物料和水放在密闭的容器中,加热到一定温度,保持恒定压力几秒到几分钟,然后突然降低压力对物料进行爆破,使得半纤维素和木质素连接层破坏,使纤维素露出更多的活性基团,能够与纤维素酶分子充分接触而降解。
(三)蒸气爆破与乙醇抽提结合法。蒸气爆破与乙醇抽提结合法的即是先用高压饱和蒸气处理玉米秸秆,然后突然减压,使原料爆破降解。爆碎后先用水抽提,则可溶物为半纤维素,不溶物为木质素和纤维素;接着,水不溶物再用乙醇进行抽提,则可溶物为木质素,不溶物为纤维素。
(四)稀酸水解处理。在纤维素的稀酸水解过程中,水中的氢离子能和纤维素上的氧原子相结合,使其变得不稳定,容易和水反应,使纤维素长链在该处断裂,同时又放出氢离子。但是,所得的葡萄糖还会进一步反应,生成副产品乙酰丙酸和甲酸。
三、结语
在燃料乙醇的生产中,原料成本占燃料乙醇生产成本的绝大部分,而从粮食安全的角度考虑,利用粮食作物生产燃料乙醇并不是走可持续发展道路。因此,
利用纤维质原料生产乙醇就应运而生。究竟如何能够提高秸秆纤维素的提取效率,降低生产成本,完成燃料乙醇的工业化生产是目前科研工作者亟需解决的问题。
参考文献:
[1]孙清. 燃料乙醇技术讲座(一)燃料乙醇及其发展概况[J].可再生能源,2010,28(1):153-155
[2] Leschine S B. Cellulose degradation in anaerobic environments. Annu Rev Microbiol, 1995, 49: 399-426.
[3] 张景强,林鹿等. 纤维素结构与解结晶的研究进展[ J ]. 林产化学与工业,2008,28(6):109-114.
[4] Jian Shi, Ratna R Sharma-Shivappa. Effect of microbial pretreatment: on enzymatic hydrolysis and fermentation of cotton stalks for ethanol production[J]. Biomass and Bioenergy, 2009, 33(1): 88-96.
[5] Mason W H. Apparatus for and process of explosion fibration of lignocelluloses material[P]. CN1655618.1928.
[6] Martinez J, Negro M J, Saez F, et al. Effect of acid steam explosion on enzymatic hydrosis of O. Nervosumand C.carduncalus[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 1990(24/25): 127-134.
[7] Karr W E, Holtz apple M T. The multiple benefit of adding non-ionic surfactant during the enzymatic hydrolysis of corn stover[J]. Biotechnology and Bioengineering, 1998, 59: 419-427.
关键词 预处理 乙醇 纤维素
近年来,随着石油、煤炭等不可再生能源的日益枯竭,温室气体的大量排放,环境的恶化,寻找一种可再生的石油替代品已经迫在眉睫。燃料乙醇作为一种新的燃料替代品,可以减少对石油的消耗,作为可再生能源,可直接作为液体燃料或者同汽油混合使用,可减少对不可再生能源——石油的依赖。它的出现缓解了人类所面临的资源危机和环境问题。世界上90%以上的乙醇是通过发酵生物质来生产的,故它属可再生能源。目前出于对粮食安全的全盘考虑, 国家限制发展粮食基燃料乙醇。2007 年我国出台的《生物燃料乙醇暨车用乙醇汽油中长期发展规划》明确提出发展生物燃料产业必须坚持非粮原料路线。而纤维素是自然界中十分丰富的资源,地球上每年光合作用可产生大于100 亿吨的植物干物质,其中一半以上是纤维素和半纤维素。纤维素的聚合度(DP )非常大,从大约2 000到15 000以上。目前众多学者从事于纤维素原料生产燃料乙醇的研究,而利用纤维素所面临的首要问题就是纤维素的预处理,本文主要讲述了目前国内外纤维素的预处理技术。
一、预处理技术的理论指导
通过理想的预处理技术,可以得到活性较高的纤维,其中的戊糖只有一小部分降解;反应产物对发酵没有明显的抑制作用;设备的尺寸不能太大,成本较低;固体残余物较少,容易纯化;分离出的木质素和半纤维素纯度较高,可以制备相应的其他化学品,实现生物质的全利用。
二、纤维素的预处理技术
(一)微生物处理技术。微生物法主要是利用一些真菌降解木质素,消除木质素对纤维素酶分子的空间阻碍和无效吸附,从而提高糖化效率。现在常用的真菌主要有白腐菌、褐腐菌、李氏木霉和软腐菌等,其中白腐菌的降解能力最强,并且分泌胞外酶,在木质素降解过程中不会产生色素,具有很好的开发利用前景。其中黄孢原毛平革菌是研究最为透彻的模式菌种,Ratna等人用黄孢原毛平革菌来降解棉杆中的木质素,液体培养(SmC)和固态培养(SSC)降解木质素分别为19.38%和35.53%。
(二)蒸汽爆破。蒸汽爆破最初是由Mason于1927 年提出的。后来,人们在他的基础上又作了改进,利用酸与蒸汽爆破相结合显示了更好的效果,Martinez等人在用蒸汽爆破法处理阔叶木片1～2 min后,再用酶进行处理,酶解率达到90%以上。Karr用蒸汽爆破预处理甘蔗渣,也得出了蒸汽爆破法预处理有助于酶水解的结论。蒸汽爆破法是指将物料和水放在密闭的容器中,加热到一定温度,保持恒定压力几秒到几分钟,然后突然降低压力对物料进行爆破,使得半纤维素和木质素连接层破坏,使纤维素露出更多的活性基团,能够与纤维素酶分子充分接触而降解。
(三)蒸气爆破与乙醇抽提结合法。蒸气爆破与乙醇抽提结合法的即是先用高压饱和蒸气处理玉米秸秆,然后突然减压,使原料爆破降解。爆碎后先用水抽提,则可溶物为半纤维素,不溶物为木质素和纤维素;接着,水不溶物再用乙醇进行抽提,则可溶物为木质素,不溶物为纤维素。
(四)稀酸水解处理。在纤维素的稀酸水解过程中,水中的氢离子能和纤维素上的氧原子相结合,使其变得不稳定,容易和水反应,使纤维素长链在该处断裂,同时又放出氢离子。但是,所得的葡萄糖还会进一步反应,生成副产品乙酰丙酸和甲酸。
三、结语
在燃料乙醇的生产中,原料成本占燃料乙醇生产成本的绝大部分,而从粮食安全的角度考虑,利用粮食作物生产燃料乙醇并不是走可持续发展道路。因此,
利用纤维质原料生产乙醇就应运而生。究竟如何能够提高秸秆纤维素的提取效率,降低生产成本,完成燃料乙醇的工业化生产是目前科研工作者亟需解决的问题。
参考文献:
[1]孙清. 燃料乙醇技术讲座(一)燃料乙醇及其发展概况[J].可再生能源,2010,28(1):153-155
[2] Leschine S B. Cellulose degradation in anaerobic environments. Annu Rev Microbiol, 1995, 49: 399-426.
[3] 张景强,林鹿等. 纤维素结构与解结晶的研究进展[ J ]. 林产化学与工业,2008,28(6):109-114.
[4] Jian Shi, Ratna R Sharma-Shivappa. Effect of microbial pretreatment: on enzymatic hydrolysis and fermentation of cotton stalks for ethanol production[J]. Biomass and Bioenergy, 2009, 33(1): 88-96.
[5] Mason W H. Apparatus for and process of explosion fibration of lignocelluloses material[P]. CN1655618.1928.
[6] Martinez J, Negro M J, Saez F, et al. Effect of acid steam explosion on enzymatic hydrosis of O. Nervosumand C.carduncalus[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 1990(24/25): 127-134.
[7] Karr W E, Holtz apple M T. The multiple benefit of adding non-ionic surfactant during the enzymatic hydrolysis of corn stover[J]. Biotechnology and Bioengineering, 1998, 59: 419-427.