木质纤维素乙醇发酵及生物炼制

木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术刘旭亮发布时间：2021-08-06T07:31:51.419Z 来源：《中国科技人才》2021年第12期作者：刘旭亮[导读] 木质纤维是地球上数量最大的可再生资源，木质纤维生物量可用来生产乙醇，能替代有限的石油产品，而乙醇是一种可再生能源，可通过糖发酵获得。

基于此，本文详细探讨了木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术。

刘旭亮新疆中泰纺织集团库尔勒纤维公司摘要：木质纤维是地球上数量最大的可再生资源，木质纤维生物量可用来生产乙醇，能替代有限的石油产品，而乙醇是一种可再生能源，可通过糖发酵获得。

基于此，本文详细探讨了木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术。

关键词：木质纤维；乙醇；生物转化技术随着现代工业的发展，开发环境友好型可再生资源变得越来越重要。

纤维素乙醇作为一种环境友好的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

此外，我国植物纤维资源丰富，若能充分利用这些木质纤维资源，开发新的利用途径，将是我国能源可持续发展的必由之路。

一、木质纤维特性木质纤维（xylem fiber）是天然可再生木材经化学处理、机械法加工得到的有机絮状纤维物质，广泛用于混凝土砂浆、石膏制品、木浆海棉、沥青道路等领域。

可用于制造中纤板，用于家居建材行业。

其具有以下特性：①木质纤维素不溶于水、弱酸和碱性溶液；pH值中性，可提高系统抗腐蚀性；②木质纤维素比重小、比表面积大，具有优良的保温、隔热、隔声、绝缘和透气性能，热膨胀均匀不起壳不开裂；更高的湿膜强度及覆盖效果；③木质纤维素具有优良的柔韧性及分散性，混合后形成三维网状结构，增强了系统的支撑力和耐久力，能提高系统的稳定性、强度、密实度和均匀度；④木质纤维的结构粘性，使加工好的预制浆料均匀性保持原状稳定，并减少系统的收缩和膨胀，大幅提高施工或预制件的精度；⑤木质纤维具有很强的防冻和防热能力，当温度达到150℃能隔热数天；当高达200℃能隔热数十小时；当超过220℃也能隔热数小时。

一种木质纤维原料的生物炼制方法
1生物炼制木质纤维原料
近年来，科学家已经发现了一种省时省力的新型木质纤维原料生物炼制方法。

该方法即采用人工改良的生物，如酵母菌，从小型木质原料中提取木质分子的方法。

由于改良后的生物可以自动恢复，原料投入量大大降低，而生产效率提高。

考虑到这种新型生物炼制木质纤维原料的优点，它正在被越来越多地用于新材料、装饰和替代包装等行业中。

2生物改良原理
新型木质纤维原料的生物炼制技术，采用的是一种令人惊叹的生物改良原理。

主要步骤是种植木质分子成分的酵母菌在木质原料内分解，异质酶加入酵母菌，在胃液系统中构建了特定结构，活性物质降解木质材料，最终提出木质分子成分，用于制造纤维水性涂料或柔性薄膜。

3优势亮点
木质纤维原料生物炼制技术具有多门技术优势，它比传统的化学炼制技术具有更大的生命力，并且耗能低。

其次，新的生物炼制方法可以有效提高整体的清洁性，可以大大改善对自然环境的影响。

此外，它可以实现低成本的木质分子提取，可以提高木材材料，甚至其他木质状态材料的利用率，节约原料资源。

4应用领域
基于上述特点，生物炼制木质纤维原料正在被广泛应用于新材料、装饰以及替代包装等广泛领域中。

例如，该方法于建筑领域中用来制造具有优质木质效果的新型建筑装饰材料。

此外，由于其出色的耐热性能，以及抗腐蚀性等，在替代包装领域中也非常活跃。

5结论
生物炼制木质纤维原料是一种前沿的新制造工艺，可以大大提高利用木材原料，以及其他木质状态材料的利用率，节约原料资源也更有效地保护环境。

它正在被越来越多地应用于新材料、装饰和替代包装等多个领域，为人类带来了无限可能。

生物质制备生物乙醇醇实验报告生物质制备生物乙醇实验报告一、实验目的本次实验旨在探究利用生物质制备生物乙醇的可行性和最佳工艺条件，为开发可持续的生物能源提供实验依据。

二、实验原理生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。

通过预处理、酶解和发酵等步骤，可以将生物质中的碳水化合物转化为可发酵糖，进而发酵生成生物乙醇。

预处理过程旨在破坏生物质的结构，提高后续酶解的效率。

酶解则是利用纤维素酶和半纤维素酶将纤维素和半纤维素分解为葡萄糖和木糖等单糖。

发酵阶段，微生物（通常为酿酒酵母）在适宜的条件下将单糖转化为乙醇和二氧化碳。

三、实验材料与设备（一）实验材料1、生物质原料：玉米秸秆2、酶制剂：纤维素酶、半纤维素酶3、微生物：酿酒酵母4、化学试剂：硫酸、氢氧化钠、葡萄糖标准品等（二）实验设备1、粉碎机2、高压灭菌锅3、恒温培养箱4、摇床5、气相色谱仪6、分光光度计四、实验方法（一）生物质预处理将玉米秸秆粉碎至一定粒度，用稀硫酸在一定温度和时间下进行预处理，然后用氢氧化钠中和至中性。

（二）酶解将预处理后的生物质加入适量的纤维素酶和半纤维素酶，在一定温度和 pH 值下进行酶解反应。

（三）发酵将酶解液过滤，调整糖浓度，接入酿酒酵母，在一定温度和通气条件下进行发酵。

（四）分析检测1、采用 DNS 法测定酶解液中的还原糖含量。

2、使用气相色谱仪测定发酵液中的乙醇浓度。

五、实验结果与分析（一）预处理条件对生物质结构的影响不同的预处理温度、时间和硫酸浓度对玉米秸秆的结构破坏程度不同。

经过优化，发现预处理温度为_____℃，时间为_____小时，硫酸浓度为_____%时，能够较好地破坏生物质的结构，提高后续酶解效率。

（二）酶解条件的优化研究了酶用量、温度、pH 值和反应时间对酶解效果的影响。

结果表明，在酶用量为_____g/L，温度为_____℃，pH 值为_____，反应时间为_____小时的条件下，酶解液中的还原糖含量最高。

木质纤维素生物炼制实验名称：木质纤维素生物炼制一、摘要生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料。

根据近来研究开发的不同情况，生物炼制分为木质纤维素炼制、全谷物炼制和绿色炼制。

本实验属木质纤维素炼制，这是利用自然界中干燥的原材料如含纤维素的生物质和废弃物作原料进行的生物炼制。

生物炼制大幅扩展可再生植物基原材料的应用，使其成为环境可持续发展的化学和能源经济转变的手段。

纤维素生物转化燃料乙醇对解决当前世界能源危机、粮食短缺和环境污染等问题具有重要意义，已成为当前研究的热点。

二、实验目的、原理2.1实验目的本课程的目的是在生物反应器工程国家重点实验室生物炼制微型工厂公共平台实验室通过进行以类似工厂化的木质纤维素生物炼制流程操作，以玉米秸秆为起始原料经过典型的生物炼制过程生产燃料乙醇。

通过对玉米秸秆的预处理和预处理效果评价以及玉米芯残渣的酶解制糖过程，使学生理解生物炼制工程的基本原理在科学研究和工业生产上的应用，掌握生物炼制工程的基本实验流程和技能，学会正确使用生物炼制专用仪器，观察记录实验数据，并对实验结果进行分析讨论。

2.2实验原理高温稀酸预处理原理：玉米秸秆主要由大分子聚合物纤维素、半纤维素和木质素组成，而且在长期进化过程中演化出了对周围环境、生物酶、病虫害等具有极强生物抵抗性的致密结构。

在高温的酸性环境中，可以促使半纤维素快速降解，破坏木质素的结构和纤维素的晶体结构，提高玉米秸秆中纤维素的酶解转化率。

预处理效果评价及玉米芯残渣糖化原理：在纤维素酶的作用下，将预处理后玉米秸秆中的纤维素/玉米芯残渣中的纤维素组分酶解生成葡萄糖。

三、实验材料、方法3.1原材料与纤维素酶原料：含有木质纤维素的生物质样品：外地产农作物玉米秸秆，用烘箱烘干后备用，采用稀释硫酸进行预处理。

试剂：已知酶活的纤维素酶(20FPU/g)，beta-葡萄糖苷酶(30CBU/ml)，柠檬酸缓冲液：0.1mol/L，3.5%的稀硫酸，调节pH至4.8。

利用木质纤维素联合生物加工生产生物乙醇的展望和新方向李金伟张姗姗（青岛科技大学化工学院，山东青岛266042）摘要：美国能源部能源独立和安全法案要求，到2022年全国的生物燃料产量达到360亿加仑，其中210亿加仑必须来自可再生可持续的原料（例如木质纤维素）。

为达到这个目标，必须研制出能将植物生物质转变成可发酵糖且经济合算的工艺技术。

生产生物乙醇的一种重要途径是利用微生物，通过联合生物加工（CBP）将生物质转化成可发酵糖并将生成的糖发酵成乙醇。

CBP技术一体化程度高，能有效降低生产成本。

关键词：生物乙醇；联合生物加工；木质纤维素中图分类号: TQ223. 122 文献标识码: ＡPerspectives and new directions for the production of bioethanol using consolidated bioprocessing of lignocelluloseLI Jin-wei ,ZHANG Shan-shan(College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao, 266042 China) Abstract:The U.S. DOE Energy Independence and Security Act (EISA) mandated attainment of a national production level of 36 billion gallons of biofuels by 2022, of which 21 billion gallons must be derived from renewable/sustainable feedstocks (e.g. lignocellulose). In order to attain these goals, the development of cost effective process technologies that can convert plant biomass to fermentable sugars must occur. An alternative route to production of bioethanol is the utilization of microorganisms that can both convert biomass to fermentable sugars and ferment the resultant sugars to ethanol in a process known as consolidated bioprocessing (CBP). CBP features cellulase production, cellulose hydrolysis and fermentation in one step.Key words:bioethanol；consolidated bioprocessing；lignocellulose1、引言目前生物燃料的的生产以生物质糖的发酵为主。

纤维原料制备生物乙醇工艺
纤维原料制备生物乙醇是一种常见的生物燃料工艺。

以下是纤维原料制备生物乙醇的一般工艺步骤：
1. 原料预处理：选择适宜的纤维原料，如稻草、木材、秸秆等，进行切碎、破碎或研磨处理，以增大表面积，便于后续的酶解和发酵过程。

2. 酶解：将经过预处理的纤维原料与适量的水混合，加入纤维酶，进行酶解反应。

纤维酶可以将纤维原料中的纤维素分解为糖类物质，如葡萄糖。

3. 糖化：将酶解后的糖类物质与适量的酵母菌菌种混合，进行糖化反应。

酵母菌将糖类物质经过发酵作用转化为乙醇和二氧化碳。

4. 发酵：将经过糖化的混合物在恒定的温度和pH值下进行发
酵反应。

发酵时间根据纤维原料类型和工艺条件的不同而有所差异。

5. 蒸馏：将发酵产生的混合物进行蒸馏，以分离乙醇和其他杂质。

蒸馏过程可以使用多级蒸馏塔或其他分离技术进行。

6. 脱水：通过进一步的处理，去除乙醇中的水分，提高乙醇的纯度。

常使用分子筛吸附、蒸馏或其他脱水方法进行。

7. 乙醇精制：对脱水后的乙醇进行精制处理，去除余留的杂质，
得到高纯度的生物乙醇。

需要注意的是，纤维原料制备生物乙醇过程中存在一些挑战，如纤维原料的选择和处理、酶解和糖化过程的优化以及废物处理等问题，需要综合考虑各种因素来优化工艺流程。

目前，我国在经济快速发展的同时，能源短缺和能源消费所引起的问题也成为人们所担忧的问题。

如何能够获得无污染的可再生能源是重中之重。

用生物法制取纤维素乙醇技术，不仅有广泛的原料来源，而且制作过程环保无污染，是最有前景的制作乙醇的方法。

1 纤维素的水解发酵工艺(1)浓酸水解工艺 浓酸水解的原理是将结晶纤维素在较低温度下可以在浓硫酸溶液完全溶解为低聚糖。

然后再在此基础上加水加热并稀释，经过一定的时间就可以水解为单个的葡萄糖了。

浓酸水解有很大的优点，它可以溶解不同的的原料，回收率非常高，溶解速度也非常快。

但是浓酸水解往往条件苛刻，对设备的要求极高，因此造成了成本高。

而且浓酸用完之后一定要做好残余物的回收工作，不然极其容易造成严重的环境污染。

(2)稀酸水解工艺 稀酸水解主要是利用化学反应，它的原理是稀酸溶液中的氢离子是自由的，它可以与纤维素反应，从而破坏纤维素的稳定性，使其与水反应，从而实现纤维素长链的连续解聚，直到纤维素最终分解成为一个一个的葡萄糖单元。

稀酸水解的优点是时间短，比较适合工业化生产，但是由于稀酸水解的产物不彻底，产生的糖会继续分解，影响糖收率。

因此为了减少单糖的分解，一般稀酸水解工艺不可以直接进行，要分为两个步骤。

首先是分解半纤维素，分解条件为低温，产物以木糖为主。

第二个步骤是分解纤维素，分解条件为高温，产物主要是葡萄糖。

这一步的高温条件对设备的要求极高，因此稀酸溶解也不适合大产量的工业化生产。

(3)酶水解工艺 在化学反应中，酶是一种能促进反应进行的活性物质。

在纤维素的酶水解工艺中最不可或缺的物质就是纤维素酶。

纤维素酶并不是单一的一种酶，它是促进纤维素分解为单糖的一类酶的统称。

主要包括内切葡萄糖酶、外切葡萄糖酶和纤维素二糖酶。

在纤维素的水解过程中，这三种酶在不同的阶段发挥着不同的作用。

纤维素的水解需要这三种酶的共同协同作用来完成。

酶水解工艺相对于浓酸水解和稀酸水解工艺而言，因为它所需要的条件(如酸碱度和温度)都比较温和，因此对设备的要求不是很高。

纤维素乙醇生产工艺纤维素乙醇是一种可再生燃料，可通过生物质材料中的纤维素转化而成。

由于纤维素是植物细胞壁的主要成分，因此纤维素乙醇生产工艺主要涉及纤维素的预处理和生物转化两个步骤。

下面将介绍一种常用的纤维素乙醇生产工艺。

首先，纤维素的预处理是将木质纤维素从生物质材料中提取出来。

这可以通过磨碎、纤维化和蒸煮等方式实现。

首先，生物质材料如玉米秸秆或木材被粉碎成小颗粒以增加表面积。

然后，经过纤维化处理，将材料进一步细化为纤维素纤维。

最后，将纤维素纤维置于高温高压环境下进行蒸煮。

这一步骤中的蒸煮过程有助于分解纤维素颗粒和降低纤维素纤维的结晶度，使其更易于生物转化。

接下来是生物转化步骤，主要包括糖化和发酵两个过程。

首先，经过蒸煮的纤维素纤维被糖化成可发酵的糖分子，例如葡萄糖和木糖。

糖化是通过添加酶来实现的，酶可以将纤维素纤维中的糖链断裂为单糖。

这一过程需要在适当的温度和酸碱度下进行。

接下来，将糖溶液进行发酵，转化为乙醇。

发酵是通过添加酵母等微生物来实现的，它们能够利用糖分子进行代谢并产生乙醇和二氧化碳。

发酵过程需要在适当的温度和pH值下进行，并控制好氧气的供应以维持合适的微生物活性。

生物转化过程中还需要进行废物处理，如处理发酵剩余物和废水。

发酵剩余物可以通过压榨和干燥等方式得到固体废物，并可以用作饲料或肥料。

废水则需要经过处理，以达到环境排放标准。

最后，乙醇产物需要经过蒸馏和精炼等步骤进行纯化。

这些步骤包括蒸馏、脱水、分离等操作，可以将乙醇纯度提高到适用于工业和交通领域的要求。

总而言之，纤维素乙醇生产工艺主要包括纤维素预处理和生物转化两个步骤。

通过这些步骤，纤维素可以被转化为可再生的乙醇燃料，并且废物可以得到有效处理，从而实现了可持续发展的目标。

纤维素乙醇作为一种绿色能源，具有巨大的潜力在减少对化石燃料依赖和减少温室气体排放方面发挥重要作用。

木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术研究进展一、本文概述随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，可再生能源的开发与利用已成为研究的热点。

木质纤维素作为一种广泛存在的可再生生物质资源，具有储量丰富、价格低廉、可再生等优点，因此在生物燃料领域，特别是在燃料乙醇的生产中，其潜在的应用价值日益受到关注。

本文旨在对以木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术的研究进展进行全面的综述和分析。

本文首先介绍了木质纤维素的组成、性质及其作为燃料乙醇原料的优势，阐述了木质纤维素在燃料乙醇生产中的重要地位。

随后，重点回顾了近年来在木质纤维素预处理、酶解糖化、酵母菌发酵以及后续分离提纯等关键技术环节的研究进展，分析了各种技术的优缺点以及适用条件。

本文还讨论了当前研究中存在的问题和挑战，如木质纤维素的复杂结构导致的预处理难题、酶解效率低、酵母菌对木质素和半纤维素的耐受性差等问题，并提出了相应的解决策略和发展方向。

本文展望了木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术的未来发展前景，认为通过持续的技术创新和优化，以及产业链上下游的协同合作，有望实现木质纤维素基燃料乙醇的高效、绿色、可持续生产，为可再生能源的发展做出重要贡献。

二、木质纤维素的结构与性质木质纤维素，作为自然界中最丰富的可再生有机资源，是植物细胞壁的主要成分，由纤维素、半纤维素和木质素三种主要组分构成。

这种复杂的天然高分子化合物具有独特的三维网络结构，赋予了其优良的生物降解性和生物相容性。

纤维素是由β-1,4-糖苷键连接的葡萄糖分子线性链构成，具有较高的结晶度和较强的分子间氢键，因此具有较好的化学稳定性和生物惰性。

半纤维素则是由不同种类的单糖构成的支链聚合物，结构多样且无定形，相较于纤维素，其更易于被微生物降解。

木质素则是一种复杂的酚类聚合物，主要存在于细胞壁中，起着增强植物细胞壁硬度的作用，其结构中含有大量的酚羟基和甲氧基，赋予其良好的化学稳定性和生物抗性。

在燃料乙醇的发酵过程中，木质纤维素的这三种组分各有其重要作用。

纤维素乙醇工艺技术纤维素乙醇工艺技术是一种利用纤维素作为原料制取乙醇的生物质能源化工技术。

由于纤维素广泛存在于植物体内，含量丰富且可再生，因此利用纤维素制取乙醇是一种可持续发展的能源利用方式。

纤维素乙醇工艺技术主要包括纤维素的预处理、水解、发酵和蒸馏四个步骤。

首先是纤维素的预处理。

纤维素通常存在于植物细胞壁中，被一层复合物所包围，使得纤维素在水中难以分解。

因此，预处理的目的是打破细胞壁，释放纤维素分子。

预处理方法包括物理方法（如高温、高压和机械力）、化学方法（如酸处理和碱处理）和生物方法（如微生物处理）。

其次是纤维素的水解。

水解是将纤维素分解为葡萄糖单体的过程。

水解可以通过酸处理、酶处理或气相处理等不同方法进行。

酸处理是将纤维素与浓硫酸或盐酸等强酸进行反应，使纤维素分子断裂，产生葡萄糖。

酶处理则是利用纤维素酶将纤维素水解为葡萄糖。

气相处理是将纤维素与高温和气体反应，产生葡萄糖。

然后是纤维素的发酵。

在这一步骤中，将葡萄糖转化为乙醇。

一般采用微生物发酵的方法，常见的微生物有酿酒酵母和大肠杆菌等。

发酵过程需要提供适宜的温度、pH值和营养物质等条件，以确保微生物能够正常生长和繁殖，并产生乙醇。

最后是纤维素乙醇的蒸馏。

发酵产生的乙醇与其他杂质混合在一起，需要通过蒸馏分离纯净的乙醇。

蒸馏是利用乙醇的沸点较低于其他杂质的特性，通过升温蒸发乙醇，再将蒸汽冷凝为液体，从而得到纯净的乙醇。

纤维素乙醇工艺技术具有多方面的优势。

首先，纤维素作为再生能源的利用方式，具有可持续发展的特点，对环境友好。

其次，纤维素的资源广泛且可再生，可以充分利用农作物秸秆、废弃物和林业残余物等，避免了对食品作物的竞争。

此外，纤维素乙醇技术还可以降低温室气体的排放，减轻对化石能源的依赖，对于解决能源问题具有重要的意义。

然而，纤维素乙醇技术还存在一些挑战和问题。

其中，纤维素的预处理和水解过程中，能耗较高，工艺复杂，需要进一步优化。

同时，纤维素乙醇的生产成本较高，还需要通过技术革新和规模化生产的手段，降低成本，提高经济效益。

[课外阅读]干法木质纤维素生物炼制技术研发获重大进展用秸秆制乙醇，代替汽油跑汽车，这当然不是异想天开，但几十年来始终是一块“画饼”——让人垂涎欲滴却不能入口充饥。

不过，由华东理工大学鲍杰教授领衔研发、首次亮相于正在举行的第十六届中国国际工业博览会（上海工博会）的“干法木质纤维素生物炼制技术”告诉我们，让我国每年7亿吨秸秆物尽其用的一天，可能真的已经不远了。

生物炼制乙醇难在哪儿？在中国这样的农业大国，用玉米秸秆、麦秆、稻草等可再生原料，生产液体燃料和化工产品，无论从哪方面说，都是一个造福国计民生而且深具潜力的发展方向。

表面看来，秸秆制乙醇的生物炼制方法——纤维素经微生物分解成葡萄糖再发酵成乙醇，似乎也不是特别高深。

那么，为什么从上世纪70年代第一次石油危机发生到现在，历经40年的探索，这座宝山依然可望不可即呢？在华东理工教授鲍杰看来，“关键是成本”。

生物炼制成本如果不能大幅度降低，达到让工业生产赢利的程度，秸秆制乙醇就只能是画饼难充饥。

而高成本主要体现在纤维素水解酶价格昂贵、产品得率低、过程能耗高以及大量废水处理所导致的环境成本等方面。

例如，考虑到运输半径的限制（50公里），中国的生物炼制工厂生产规模都较小，而且基本都位于生物质资源丰富但基础设施落后的农村地区，能源供给设施和废水处理系统的完善程度都比不上先进的化工大企业，控制得不好，就会出现上世纪90年代在我国曾经遍地开花后又全面关闭的小造纸厂那样的负面范例。

所以，节能减排对产业的正常运作和可持续发展特别重要。

“华理智造”有什么牌？为大幅降低秸秆制乙醇的成本，鲍杰教授的生物炼制科研团队提出了“干法木质纤维素生物炼制技术”，以节能减排为突破口，打出了3张王牌。

第一张是干式稀酸预处理技术。

根据团队成员张建老师介绍，秸秆制乙醇是个“粗粮细做”的活，首先要通过预处理破坏其纤维结构。

比起常规的稀酸预处理工艺，他们的“干式”做法，使得预处理过程的用水量和蒸汽用量降低了90%，做到了废水的零排放，秸秆与酸液的比例则由10:1变成了1:2。