第一讲微生物能源.ppt

共沸蒸餾法酒精脫水流程圖 含水酒精 共沸劑 有機層 無水酒精 萃取蒸餾法酒精脫水流程圖 萃取劑 含水酒精 無水酒精 分子篩吸附法酒精脫水流程圖 無水酒精 抽真空 含水酒精 滲透汽化膜分離法酒精脫水流程圖 乙醇发酵工业能耗问题 除原料预处理(粉碎)和木薯发酵 的能耗仅占总能耗的6％， 蒸馏提纯占57％ ， 蒸煮糖化占37％， 其他部分忽略不计。 蒸煮糖化、蒸馏提纯占木薯乙醇总能耗的90％以上。 纤维素原料乙醇 制造乙醇的原料从糖发展到淀粉、木质纤维素、甚至生物质废弃物等。由于粮食供应紧张，一般认为。以糖质原料和淀粉原料来生产燃料乙醇的现实意义不大。 廉价原料大幅降低了成本，但也导致发酵过程更加复杂，这种复杂反应过程的优化控制也就成为控制发酵成本的重要因素。 纤维素乙醇生产工艺 纤维素原料（主成分：纤维素、半纤维素、木质素 ） 预处理（去除阻碍水解和发酵的物质）： 最有工业化价值的预处理方法是酸法和蒸汽爆破法 。 水解（进一步转化为乙醇发酵的糖源 ）： 纤维素生产酒精过程 (1)预处理 预处理纤维索和半纤维素，去除阻碍糖化和发酵的物质，使其更容易降解和发酵。 预处理方法主要有物理法和化学法． 物理法是用研磨或水汽破坏原料的结构，减小原料的体积，使其与水解物的接触面积增大．水解容易进行。 化学预处理的方法有稀酸、碱、有机溶剂、氨、二氧化硫、氧化碳处理或其他使纤维索型易被降解的化学试剂处理。 预处理原因 纤维素的结晶区纤维素分子是由葡萄糖苷通域是由纤维素分子整齐规则地折叠排列而成的。在结晶区域里，葡萄糖分子的羟基与分子内部或与分子外部的氢离子相结合，没有游离的羟基存在，所以纤维素分子具有牢固的结晶构造，酶分子及水分子难以侵入内部。因此，纤维素的结晶部分比无定形部分难降解。 由于木质素、半纤维素对水解的保护作用, 以及纤维素本身的结晶结构使得天然的木质纤维素直接进行酶水解的程度很低, 一般只有 10 %-20 %。为了提高纤维素的水解率, 必须对木质纤维素原料进行预处理, 脱去木质素和半纤维素, 从而提高水解效率。 预处理方法 木质纤维素的预处理方法大致可分为物理法、化学法、物理化学法以及生物法。 1、物理法：常见的物理方法包括机械破碎法、 高温热水法等。一般物理法对环境污染较小, 且过程较为简单, 但物理法处理需要较高的能量和动力, 因此会增加生产成本。 2、化学法：化学法主要是指以酸、碱、有机溶剂作为物料的预处理剂, 破坏纤维素的晶体结构, 打破木质素与纤维素的连接, 同时使半纤维素溶解。 3、物理化学方法：蒸汽爆破法、CO2 爆破法、氨纤维爆破法 4生物法：采用分解木质素的微生物降解木质素, 从而提高纤维素和半纤维素的酶解糖化率。 水解 纤维素制燃料乙醇的难点在于纤维素的水解，目前已有的水解方法包括浓酸水解法、稀酸水解法和酶水解法。 产纤维素酶菌种 产纤维素酶的微生物：细菌、放线菌、霉菌、担子菌类都能产生纤维素酶，但能产生胞外纤维素酶系的种类则主要局限于少数丝状真菌，如绿色木霉、黑根霉、青霉、曲霉、毛壳菌、链孢菌以及许多木材腐朽菌。 目前，用于生产纤维素酶的微生物菌种大多是丝状真菌，其中产酶活力较强的菌种集中在木霉属、曲霉属和青霉属，特别是里氏木霉及其近缘菌株。获得纤维素酶高产菌株的常用方法为，利用物理、化学诱变剂单独或复合处理微生物细胞或孢子，选育高产突变种。 纤维素酶是由多种酶所构成的多组分酶系，包括外切酶、内 切酶、纤维二糖酶及其他辅酶，它们协同作用将纤维素水解 为单糖。 纤维素酶分为3类： 内葡聚糖酶：它无规则的作用在可溶的和不可溶的纤维素链上。 外葡聚糖酶：它包括纤维二糖水解酶，作用于纤维素链的末端，释微生物能源放出纤维二糖和葡萄糖。 葡萄糖苷酶：可将纤维二糖降解为D一葡萄糖。 纤维素酶 Cellulose Fiber Hemicellulose Lignin Pectin Other polysaccharides 生物质原料的结构 纤维素呈结晶状拧合成纤维束 半纤维素和其他多聚糖缠绕着纤维束 木质素像胶水一样覆盖和凝合着各种物质 水解酶或其他化学物质很难渗透到纤维素表面 纤维束 半纤维素 木质素 果胶质 其他多聚糖 Crystalline Region Amorphous Region Cellulose Lignin Hemicellulose Pretreatment 预处理的作用 预处理 纤维素 木质素 无定形区 结晶区 半纤维素 β -glucoside 内切葡聚糖酶 外切葡聚糖酶 纤维二糖水解酶 纤维二糖酶 纤维素 葡聚糖 纤维二糖 葡萄糖 纤维素水解 纤维素水解由纤维素酶系完成 纤维素酶