木质纤维素水解制取燃料乙醇研究进展

木质纤维素处理转化为乙醇的研究进展潘春雷081143020 生科制药班摘要：木质纤维素是廉价易得，来源广泛的生物质，将其转化为生物无污染的，可再生的乙醇燃料具有很好发展前景。

本文介绍了对木质纤维素的物理处理，物理化学处理，化学水解处理，生物处理的方法。

关键词：木质纤维素，乙醇，处理方法。

研究背景：目前世界温室效应及能源危机日益上升，人们在不断地寻找一种可再生的污染小的能源。

各国将焦点放在乙醇的生产上。

乙醇可以从粮食以及木质纤维素的发酵中得到，但由于全球仍然面临粮食危机，所以研究的焦点转到了对纤维素的处理上。

纤维素原料是地球上产出量很大的可再生资源,其来源包括树木的枝叶、农作物的秸秆等, 据估计木质纤维素原料占世界生物质量(100 亿～500 亿t)的50 %【1】在整个生态系统的能量循环中有重要地位。

在近几年的生态环境调查中表明农作物秸秆大多被焚烧，以获得钾肥，但此做法不仅污染了环境，而且浪费了资源，开发以木质纤维素为原料制备乙醇的工艺是未来工业燃料生产的发展方向。

1、木质纤维素生物质的主要成分木质纤维素物质的主要组成是纤维素、半纤维素和木质素，纤维素和半纤维素可通过处理得到糖类。

纤维素是由葡萄糖分子通过高度脱水缩合连接而成的高分子聚合物，纤维素的水解产物是葡萄糖单体。

半维素也是生物高聚物，是由各种不同糖基组成的，主要是六碳糖和五碳糖，在特定条件下可以水解成单糖。

木质素是由苯丙烷结构单体组成的天然高分子化合物，在细胞壁中起支撑和把纤维素和半纤维素结合起来的作用，但是木质素不能水解为单糖。

2、木质纤维素的预处理技术（1） 物理处理方法常见处理方法是机械破碎法、液相热水处理法等。

其优点在于处理方便，装置简单，且处理过程中产生的污染小，但物理法处理要很高的能量, 如电能和热能，所以会增加生产成本。

机械破碎法：通常木质纤维素经碾碎处理后的原料大小通常为10～30 mm, 而经粉碎、研磨之后的原料颗粒大小一般为0.2～2 mm。

大连化物所木质纤维素制乙醇研究工作取得新进展燃料乙醇是一种优质可再生的清洁能源，添加于汽油燃料里可替代部分石油基燃料并能降低污染物排放，已在国际上得到广泛使用。

目前燃料乙醇主要依靠粮食淀粉和植物糖类为原料经发酵制得。

利用来源广泛的农、林废弃物等各类木质纤维素为原料生产燃料乙醇有着极为广阔的前景，也是数十年来生物化工技术领域研究的一个焦点。

木质纤维素制乙醇至少需要经过预处理、酶解、发酵三步完成，其中预处理过程中产生的毒性物质（如乙酸、糠醛、苯酚等）严重抑制酵母生长和乙醇发酵，成为纤维素乙醇生产的主要技术瓶颈。

目前主要通过水洗、物理、化学和生物等方法对预处理木质纤维素及其酶解液进行深度脱毒才能实现较好的发酵效果，但是复杂的工艺、昂贵的设备投资、大量的水耗以及可发酵糖的损失等极大地降低了纤维素乙醇生产的经济效益，从而制约了纤维素乙醇的工业化进程。

中科院大连化物所生物质转化技术研究组（DNL0602）张宗超研究团队在木质纤维素制乙醇研究工作中，发现聚乙二醇（PEG）与酵母细胞有很好的生物兼容性，而且PEG对工业酿酒酵母细胞（淀粉基）具有显著的外保护“原位脱毒”功能。

这种化学分子的外保护使酵母细胞在与毒性物质共同存在时，仍具有将速生杨、玉米秸秆等木质纤维素水解液发酵生产乙醇的能力。

研究结果表明，工业酿酒酵母（淀粉基）在PEG保护的条件下可直接将木质纤维素水解液转化为乙醇，无需进行基因改造、适应性培养。

该方法可有效简化生产工艺、减少水耗和设备投资，推动纤维素乙醇的工业化进程。

相关研究结果在线发表于近期的Scientific Reports（doi:10.1038/srep20361）上。

木质纤维原料生物转化燃料乙醇的研究进展第12卷第1期2004年3月纤维素科学与技术Journal of Cellulose Science and TechnologyVol.12 No.1Mar. 2004文章编号：1004-8405(2004)01-0045-10木质纤维原料生物转化燃料乙醇的研究进展许凤1,2，孙润仓2，詹怀宇2（1. 齐齐哈尔大学轻工纺织系，黑龙江齐齐哈尔 161006；2. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州510640）摘要：木质纤维生物量能够用来生产一种可替代有限的石油产品的能源——乙醇。

木质纤维的转化主要分两个步骤：木质纤维生物量中纤维素水解生成还原糖；糖发酵成乙醇。

基于目前的技术，木质纤维原料生产乙醇的主要问题是得率低、水解成本高。

促进木质纤维水解的方法包括：木质纤维原料预处理脱除木素和半纤维素；纤维素酶的优化；同步糖化发酵法（SSF）。

关键词：纤维素酶；乙醇；纤维素水解；木质纤维生物量中图分类号：TS721+.1 文献标识码：A随着世界人口的增加和各国工业化程度的提高，能源的消耗也在稳步增加。

石油是满足能源需求的主要资源，但是石油资源是有限的，科学家们预测2050年原油的生产将由现在的每年250亿桶下降到50亿桶[1]，所以开发新的可替代能源引起科学家们广泛的兴趣。

乙醇是一种可以通过糖发酵获得的可再生能源。

在美国，乙醇已经被广泛地作为特殊的石油替代品。

从20世纪80年代开始，用玉米生产的燃料乙醇就被作为酒精－汽油混合燃料或者氧化燃料来使用。

这些气体燃料中包含乙醇的体积量高达10%。

使用乙醇混合燃料不但可以减少汽油的用量，还可以减少温室气体的排放。

然而使用玉米生产的乙醇燃料比石化燃料成本高，因为玉米既要提供食品和饲料、又要用于大量地生产乙醇，这是不可行的，毕竟土地资源是有限的。

废弃木质纤维原料比如农林废弃物、草、锯末和木片等是潜在的生产乙醇的可再生性资源。

木质纤维素生产燃料乙醇的关键技术研究现状作为仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，生物质能源地位越来越重要。

而木质纤维素的预处理技术则能够对燃料乙醇的生产具有直接的影响。

本文主要从木质纤维素乙醇生产的关键技术入手，重点预处理技术、水解及发酵等关键环节进行了分析和阐述，并对木质纤维素生产燃料乙醇的市场前景进行了展望。

标签：木质纤维素；燃料；乙醇；预处理技术引言木质纤维素取材广泛且造价低廉，主要由纤维素、半纤维素构成，是重要的燃料乙醇的生产原料。

就目前而言，虽然利用木质纤维素进行燃料乙醇的生产技术已经初具可行性，但因其生产工艺十分复杂，且耗能较高等问题，对木质纤维素生产燃料乙醇形成严重的阻碍。

本文针对其生产过程的几项关键技术进行了分析、研究。

1、木质纤维素乙醇生产的关键技术1.1 预处理1.1.1 物理方法（1）机械粉碎。

所谓的机械粉碎指的是使用球磨、碾磨等设备对纤维素加以粉碎的过程。

粉碎后的物料粉末是不具备膨润性的，且体积较小，基质浓度较高，对于酶解过程中的木质素酶以及纤维素酶的挥发有着重要作用，然而处理效果不尽人意，且具有较高的耗能。

（2）热液处理。

将物料投入高压热水中，可以使得物料中的半缩醛键断裂并形成酸，而在酸的作用下，半纤维素就会水解成为单糖。

经过预处理的纤维素酶解效率较高，且其水解物可以直接用于燃料乙醇的生产。

（3）微波处理。

微波处理操作简便、用时短且具有明显的糖化效果，然而成本较高，使得工业化应用过程中受到限制。

微波处理不仅能够对植物纤维素中的超分子结构加以改变，导致纤维素结晶区的尺寸出现变化，还能对木质素和半纤维素进行讲解，有效提升植物纤维素的糖化效率。

（4）超声波。

超声波形成的空化作用对传质具有一定的强化作用，同时对材料结构也具有一定影响。

众所周知，木质纤维素是由纤维素、半纤维素以及木质素三部分构成，因此想要取得良好的处理效果，就必须进一步降低发酵过程中的传质阻力，同时将其包裹结构打破。

木质纤维素类原料燃料乙醇生产技术进展木质纤维素是地球上最丰硕的可再生资源，据测算年总产量高达1500亿吨，蕴储着庞大的生物质能。

我国是一个农业大国，作物秸秆(如稻草、麦秆等)的年产量超级庞大(年产可达7亿吨左右，相当于5亿吨标煤)，据统计，目前的秸秆利用率33%，但通过必然技术处置后利用的仅占2.6%，其余大部份只是作为燃料等直接利用，开发前景超级广漠。

一、木质纤维素的降解技术木质纤维素降解能够采纳酸水解和酶水解两条不同的技术线路来实现。

1.1酸水解技术在酸水解工艺中，能够利用盐酸或硫酸，依照利用酸的浓度不同能够进一步分为浓酸水解和稀酸水解。

法国早在1856 年即开始进行了浓硫酸水解法进行乙醇生产，浓酸水解进程为单相水解反映,纤维素在浓酸作用下第一溶解,然后在溶液中进行水解反映。

浓酸能够迅速溶解纤维素,但并非是发生了水解反映。

浓酸处置后成为纤维素糊精,变得易于水解(纤维素经浓酸溶液生成单糖,由于水分不足,浓酸吸收水分,单糖又生成为多糖,但这时的多糖不同于纤维素,它比纤维素易于解) ,但水解在浓酸中进行得很慢,一样是在浓酸处置以后再与酸分离,利用稀酸进行水解。

稀酸水解木质纤维素的技术可谓历史悠长，1898年德国人就尝试以林业生产的废弃物为原料生产乙醇，并成立了工业化规模的装置，每吨生物量能够生产50 加仑的乙醇。

与浓酸水解的工艺线路相较，稀酸水解需要在比较高的温度下进行，才能使半纤维素和纤维素完全水解。

稀酸水解木质纤维素通常采纳二级水解的工艺方案：第一级水解反映器的温度相对第二级来讲略低一些，比较容易水解的半纤维素能够降解；第二级反映器要紧降解难降解的纤维素，水解后剩余的残渣主若是木质素，水解液中和后送入发酵罐进行发酵。

1.2 酶水解技术同植物纤维酸法水解工艺相较,酶法水解具有反映条件温和、不生成有毒降解产物、糖得率高和设备投资低等优势。

而妨碍木质纤维素资源酶法生物转化技术有效化的要紧障碍之一,是纤维素酶的生产效率低、本钱较高。

关于利用微生物用于木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的研究进展综述摘要：木质纤维素生物质是一种廉价、易得的可持续发展的潜在新能源材料，随着能源危机的加剧，由木质纤维素生物质转化为燃料乙醇成为开发新能源的一个新突破口。

国内外近年来在这个领域都有很多研究成果。

本文就微生物在木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的预处理、水解中的应用作出综述，分析了现在木质纤维素生物质转化为燃料乙醇要想实现产业化所遇到的问题，并提出几条对策。

关键词：木质纤维素、燃料乙醇、发酵、纤维素酶、研究进展随着现代工业与经济的发展，能源需求日益增加。

特别是石油能源，由于人类社会的不断开采，石油资源目前面临着枯竭的危险。

据2010年11月8号《环境科学与技术杂志》发表的研发报告显示，以当前的使用速度，化石燃料原料将在2050年前枯竭，而石油开采量下降10%～15%足以令发达工业国家的经济完全瘫痪1。

这就意味着，要想保证人类社会的继续发展，寻求清洁、可持续的新能源已经成为了人类一项必须要完成的任务。

因此，越来越多的国家已将生物质能源产业作为国家的一项重大战略推进，纷纷投入巨资进行生物质能源的研发。

20世纪70年代石油危机以来，一些国家开始尝试利用生物质资源生产液体燃料2。

继美国和巴西用玉米和甘蔗生产燃料乙醇成功后，欧盟、日本、加拿大、印度等国家和地区也先后加大用粮食制备燃料乙醇的投入，2006年，仅美国由玉米淀粉生产乙醇的产量就达到了50亿加仑3。

然而，随着随着世界耕地面积的缩小和人口数量的急剧增多，世界粮食价格也在近年出现大幅攀升。

如何寻求价格低廉且来源广泛的替代原料来生产燃料乙醇，成为了发展生物质能转化为乙醇新能源亟待解决的问题。

木质纤维素生物质如农林牧业加工废弃物，是可再生、价廉易得和来源丰富的资源和能源。

全球每年光合作用的产物高达1500-2000亿吨，其中80%以上为木质纤维素生物质(如秸秆、草类、树木等)4。

利用木质纤维素生物质生产乙醇不仅有利于环境保护和资源再利用，而且可减少温室气体的排放和缓解化石能源的危机，因此成为了一条解决新能源问题的新途径，其研究得到了世界各国的大力支持，并且也取得了很多阶段性的进展。

纤维质原料生产燃料乙醇的研究进展自1910年Heinerch等利用木材酸水解生产乙醇以来，木质纤维素制备乙醇的研究经历了100连年的进展。

初期生产纤维乙醇的方式是利用化学物质把原料中的纤维素水解为单糖，然后将单糖发酵成为乙醇，并在美国和前苏联建有工厂。

该工艺的原料价钱尽管廉价，但生产本钱却很高，随着石油的大量开采、以淀粉质和糖质原料发酵生产乙醇的大量生产，这种工厂多数关闭，只有前苏联还有必然程度的应用。

我国黑龙江省伊春市的南岔木材水解厂是20世纪60年代引进前苏联设备建成的，80年代末又引进该国设备与技术进行改造，以木屑为原料，年产酒精3000，以后因缺乏原料等缘故此停产。

在20世纪石油危机后，通过科学论证分析，西方国家又开始重视纤维素生产乙醇技术，这是因为生物质液体燃料的燃料特性和应用方式与化石液体燃料有许多一起点，便于纳入现有的交通液体燃料体系。

我国在“十五”期间已将纤维乙醇研究工作提上日程，并在国家“863”打算中作为研究课题进行重点攻关。

另外，国内的一些相关企业也在进行这方面的研究工作，诸如河南天冠、安徽丰原和河北唐山的太博尔等。

目前，许多国家尽管建造了纤维质原料的燃料乙醇示范性工厂，但其产业化仍存在三大技术瓶颈，一是秸秆等木质纤维素类原料降解产生的木糖难以发酵生成乙醇，二是纤维素酶生产本钱偏高，三是原料要进行复杂的预处置。

当前随着国际石油价钱的持续走高及世界各国对能源需求的增加，使乙醇燃料比汽油更具本钱优势，因此对利用纤维质原料生产乙醇工艺的研究和开发成为目前国内外寄与厚望的重点课题。

如何开发高效廉价的纤维质原料预处置技术、选育诱变产酶活高的纤维素酶生产菌株、构建能同化五碳糖的菌株和实现相对高浓度醪液发酵等是降低纤维乙醇本钱的关键。

1国外纤维乙醇的研究与应用现状。

纤维乙醇的生产包括酸水解和酶水解两种工艺。

酸水解生产工艺最具代表性的是前苏联的持续渗滤水解流程、美国Vulcan化工公司与加拿大的Stake公司联合研制的Vulcan-Stake流程。