生物降解纤维类物质生产燃料乙醇研究前景

近几年来国内外专家、学者通过不断地探讨、研究确认, 中国具有大量潜在的低成本的纤维素生物质原料[1], 可以极大的扩大乙醇的生产量, 降低成本, 废物利用而且可以调节农业经济增长结构, 增加农民收入, 改善农村环境, 更为重要的是通过纤维素降解生产燃料乙醇形成一个新型的能源资源产业链, 以拉动农业经济和林业经济, 真正实现循环经济和可持续性发展[2]。

一、木质纤维质生物的降解预处理:木质纤维素预处理方法的选择, 主要从提高水解效率、降低生产成本、缩短预处理时间和简化工艺设备等方面考虑[3]。

1. 预处理方法:表1.1列出了各种预处理木质纤维素的方法对木质纤维素水解因素的影响。

二、微生物生物酶及生产工艺

1. 木质纤维素酶水解液发酵生产乙醇

木质纤维素经水解后转化为小分子的单糖, 这些单糖经微生物发酵以转化为纤维乙醇。研究者开发了多种乙醇的发酵工艺, 主要包括[4]分步水解发酵工艺, 同步糖化发酵工艺以及固定化酶水解发酵法。

(1) 分步水解发酵法 (Separate hydrolysis and fermentation, SHF)

分步水解糖化发酵法即先用纤维素酶水解纤维素;再将酶解后的糖液作为碳源, 转入发酵罐中发酵生产乙醇。因酶解和酶解液的发酵分别在不同的反应器中完成, 故此方法比较复杂, 投资较大, 工艺路线多, 且需要的设备也较多。但它的优点是酶解和发酵都可在各自最适条件下进行, 前者最适的温度为45-50℃, 后者的为30-35℃。

(2) 同步糖化发酵法 (Simoultanous saccrification and fermentation, SSF)

同步糖化发酵法就是指酶解糖化过程与单糖的乙醇发酵在同一个反应器中进行, 酶解过程中产生的糖类可被微生物迅速利用[5]。这种方法不仅解除了葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用, 而且还提高了酶解效率。但此方法的缺点也很明显, 即酶解与乙醇发酵的最适温度不一致, 这需要同时兼顾两者。

(3) 固定化微生物水解发酵法 (Consolidated bio-processing, CBP)

固定化微生物水解发酵法需选择合适的菌群, 将纤维素酶的产生、纤维素的水解以及糖类的发酵三个过程偶合成一步, 因此, 也被称作微生物直接转化法 (Directmicrobial conversion, DMC) 。从实质上来讲, 它也可以说是SSF过程的衍生。该方法的缺陷在于菌种耐乙醇浓度低, 并同时产生数种副产物, 乙醇浓度及乙醇得率低。采用这种方法研究较多的微生物主要有热纤维端抱菌、热硫化氢梭菌和产乙醇热厌氧杆菌等。

三、小结与展望

木质纤维素原料, 由于其原料丰富、价格低廉, 很容易获得。大力开发、研究对环境无污染且能循环再生的能源——生物质燃料乙醇, 能缓解能源危机、改善环境污染。随着国内外专家学者对木质纤维原料预处理技术, 纤维素酶及纤维素酶解和发酵工艺的不断探索和改进, 新菌种资源的不断发掘, 生物降解纤维类物质生产燃料乙醇不久将会实现工业化。因此, 生物降解纤维类物质生产燃料乙醇的开发和研究具有重大意义和广阔前景。

摘要：生物乙醇作为新型燃料是缓解当前能源危机, 改善环境污染的有效途径之一。目前利用微生物预处理及其酶降解纤维质发酵制备燃料乙醇是提供可再生能源的主要方法。本文综述了对木质纤维素原料预处理技术;生物降解和发酵制备燃料乙醇的生产工艺;以及纤维素原料预处理中的问题分析和解决方法, 并展望了纤维类物质生物降解生产燃料乙醇的研究前景。

关键词：木质纤维素,纤维素酶,发酵,乙醇

参考文献

[1] Gnansounou E, Dauriat A, Wyman CE.Refiningsweetsorghumto ethanol andsugar:economictrade-offs in the context o INorth China[J].Bioreso Pree Techno, l 2005, 96:985-1002.

[2] Weil J R, Sarikaya A, Rau S L, et al.Pretreatment of cornfiber by pressure cooking in water[J].Applied Biochemistry and Biotechnology, 1998, 73 (1) :1-17.

[3] Szczodrak J, Fiedurek J.Technology for conversion of lignocellulosic biomass to ethanol[J].Biomass and Bioenergy, 1996, 10 (5) :367-375.

[4] 张宁, 蒋剑春, 程荷芳, et al.木质纤维生物质同步糖化发酵 (SSF) 生产乙醇的研究进展[J].化工进展, 2010, (2) :238-242.

[5] Garrote G, Dominguez H, Parajo J C.Hydrothermal pro-cessing of lignocellulosic materials[J].Holz Als Roh–Und Werkstoff, 1999, 57 (3) :191-202.