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利用木质纤维素生产燃料酒精 姓名:张晓峰 专业:化学工程 学号:201331678 主要内容 生物乙醇发展现状 木质纤维素发酵生产乙醇的原理 木质纤维素发酵生产乙醇的工艺 存在问题以及自己的看法 生物乙醇发展现状 经济社会的发展以能源为重要动力,经济越发展,能源消 耗越多。到2059年,也就是世界上第一口油井开钻200周年之 际,世界石油资源大概所剩无几。而生物质能是由植物的光合 作用固定于地球上的太阳能,最有可能成为21世纪主要的新能 源之一。 然而燃料乙醇的生产如均以糖类或粮食为原料,其产量受到 粮食资源的限制,难以长期满足能源需求。从长远考虑必须进 行科技创新,扩大原料来源。含木质纤维素的生物质废弃物是 生产燃料乙醇的另一原料来源,它包括农作物秸秆、林业加工 废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃生物质等。 生物乙醇发展现状 木质纤维素发酵生产乙醇的原理 木质纤维素转化为乙醇的步骤主要分为两步:纤维素水解 成糖,糖发酵成醇。由于木质纤维素结构复杂,纤维素、半纤 维素(半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体, 这些糖是五碳糖和六碳糖,包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。) 不但被木质素包裹,而且半纤维素部分共价和木质素结合, 纤维素具有高度有序晶体结构。 因此必须经过预处理,使得纤维素、半纤维素、木质素分 离开,切断它们的氢键,破坏晶体结构,降低聚合度,以提高 水解效率。表2列出了几种木质纤维素中纤维素、半纤维素和木 质素的含量。 木质纤维素发酵生产乙醇的原理 木质纤维素发酵生产乙醇的原理 木质纤维素发酵生产乙醇的原理 木质纤维素发酵生产乙醇的原理 纤维素是一种有100--1000个β-D-吡喃型葡萄糖单体以β- 1,4-糖苷键连接的直链多糖,多个分子平行紧密排列成丝状不 溶性微小纤维。在工业上,纤维素经酸解或酶解预处理后,释 放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径。半纤维素是由多种多糖分 子组成的支链聚合物,不同来源的半纤维素其单糖的组成各异。 经测算,木质纤维素原料中半纤维素组分的有效利用有可能使 乙醇燃料的生产成本降低25%,这主要是木糖的作用。 利用产纤维素酶的微生物或纤维素酶先将纤维素水解成可 发酵性糖,再利用酵母将其发酵成乙醇。 木质纤维素发酵生产乙醇的原理 木质纤维素发酵生产乙醇的工艺 木质纤维素发酵生产乙醇的工艺 1.木质纤维素的预处理 由于木质纤维素的组成成分复杂、稳定,使得其生物降解 难于迅速进行。木质素虽然对纤维素分解物质(如酶等)反应 没有阻碍作用,但它阻止纤维素分解物对纤维素的作用,因此 人们不得不借助化学的、物理的方法进行预处理,使纤维素与 木质素、半纤维素等分离开;使纤维素内部氢键打开,使结晶 纤维素成为无定型纤维素,以及进一步打断部分β-1,4-糖苷键, 降低聚合度;半纤维素被水解成木糖、阿拉伯糖等单糖。经预 处理后,有的纤维素的酶法降解速率甚至可以与淀粉水解相比。 木质纤维素发酵生产乙醇的工艺 木质纤维素发酵生产乙醇的工艺 2. 纤维素发酵生产乙醇 纤维素是一种有100--1000个β-D-吡喃型葡萄糖单体以β- 1,4-糖苷键连接的直链多糖,多个分子平行紧密排列成丝状不 溶性微小纤维。在工业上,纤维素经酸解或酶解预处理后,释 放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径。 木质纤维素发酵生产乙醇的工艺 3. 木糖发酵生产乙醇 木质纤维素发酵生产乙醇的工艺 4.发酵方式 存在问题以及自己的看法 1.木质纤维素发酵生产酒精中木糖不能被有效地转化成乙醇(采用双载体系统、采用PCR技术克隆木糖异构酶基因) 2.当前限制木质纤维素发酵生产燃料乙醇的主要原因是成本太高,降低成本的主要措施是降低纤维素酶的价格,对纤维素酶生产菌株进行改良以降低纤维素酶的价格是当务之急。 * * 注:生物乙醇比重按照0. 79公斤/升折算, 1加仑=3. 785升 国家 生物乙醇发展目标 主要原料 美国 2012年 132亿加仑;2022年 350亿加仑 玉米 巴西 2012年 95亿加仑;2016年 115亿加仑 甘蔗 欧盟 2010年5.75%;2020年10%(生物柴油约占80%) 小麦,甜菜 中国 2010年 13亿加仑;2020年 33亿加仑 玉米,小麦,木薯 加拿大 2010年5% 玉米,小麦 泰国 2007年10% 糖蜜,木薯,甘蔗 菲律宾 2008年5%;2010年10% 甘蔗,木薯 植物细胞壁构成示意图 表2 不同生物质原料的组成 原料 纤维素(%) 半纤维素(%) 木质素(%) 玉米秸秆 43 27 8 麦秸 30
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