木质纤维生物质炼制产燃料乙醇技术进展.doc

木质炼制燃料乙醇技术进展 摘要：本文介绍了木质纤维生物质各成分的生物分解过程以及生物炼制技术，包括生物转化燃料乙醇、木糖醇和副产物利用等的研究现状、存在问题及发展趋势，为木质纤维生物质的应用研究提供理论基础。 关键词：纤维生物质，生物炼制，燃料乙醇 木质纤维生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源，指植物通过光合作用生成的有机资源，如树木、农作物秸秆等。燃料乙醇由于其成熟的生产应用技术和丰富的原料来源成为世界各国首选的生物能源。燃料乙醇的发展应立足于中国国情，走以非粮作物木质纤维素生物质为原料的生产路线。每年全球光合作用产生的木质纤维生物质高达2000亿吨，相当于全世界每年消费能源的10倍，其中89％目前尚未被人类利用。我国的木质纤维原料非常丰富，每年仅农作物秸秆就有7亿多吨。纤维素类物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成采用生物炼制技术将它们充分利用，对我国经济和社会的可持续发展具有十分重大的意义。以生物炼制为核心的生物技术第三次浪潮，将解决人类社会目前面临的资源、能源与环境等诸多重要问题。 木质纤维生物质简介及生物炼制技术 木质生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素约占干重的35-45％，半纤维素约占20－40％，木质素约占15－30％。 纤维素是由D-吡喃葡萄糖基以β-1,4糖苷键连接而成天然链状高分子化合物，完全水解后得到葡萄糖。半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的总称，主要是由木糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等连接而成的高分枝非均一聚糖。各种糖所占比例随原料不同而变化，一般木糖占一半以上。半纤维素排列松散，无晶体结构，故比较容易被水解成单糖。木质素是以苯基丙烷为基本结构单元连接的高分枝多分散性高聚物。木质素有一定的塑性，不溶于水，一定浓度的酸或碱可使其部分溶解。 纤维素乙醇生产成本比粮食乙醇高的部分原因是，目前研究中的木质纤维素类物质转化为乙醇的工艺加工过程复杂，但目标产物单一。生物炼制是开发利用木质纤维素物质的基础，是环境可持续发展和提高经济效益的手段。生物炼制( biorefnery)概念：以生物质为基础的化学工业也必需打破原来用生物质单纯生产单一产品的传统观念，充分地利用原料中的每一种组分，将其分别转化为不同的产品，实现原料充分利用、产品价值最大化和土地利用效率最大化。事实上谷物生产乙醇工业已经在自觉或不自觉地采用了生物炼制技术。河南天冠集团利用小麦生产乙醇时，通过联产麸皮、小麦蛋白(谷元粉)、高蛋白饲料，以及用废水发酵生产沼气，用二氧化碳生产可降解塑料等，将全部原料都转化成不同的产品。 木质生物质生物炼制主要以玉米秸秆或麦秆为原料，通过化学消解或酶水解分解成三种组分：半纤维素、纤维素和木质素。从3类主要组分衍生出不同的化学品：纤维素断开为葡萄糖，葡萄糖发酵制乙醇、有机酸或溶剂；半纤维素可水解成木糖，木糖及其衍生物可以生产各种功能食品，也是糠醛和呋喃树脂的前体；木质素是苯丙烷衍生物的聚合物，可以用于生产高值的芳香族化合物，也可用于制备生物肥料。 木质纤维素物质炼制燃料乙醇过程中的副产物有CO2 、预处理废液、酒精废糟液等。每生产1t乙醇要消耗约5.188t秸秆，产生1tCO2、10t预处理废液、10～15t酒精废糟液。 木质纤维生物质炼制生产燃料乙醇的多产品共生。 木质纤维物质生物炼制的核心技术是纤维素水解和木糖等五碳糖的利用。而妨碍木质纤维素资源酶法生物转化技术实用化的主要障碍，就是纤维素酶的生产效率低和成本高。木糖由半纤维素水解生成，含量可达植物纤维水解糖类的35％以上。木糖的充分利用，由其生产衍生物产品或发酵转化为乙醇被人们视为木质纤维原料生物炼制是否经济可行的关键环节。 2.1 纤维素降解为葡萄糖，发酵生成燃料乙醇。 纤维素经过预处理、水解、微生物发酵生成燃料乙醇。常用的预处理方法包括稀酸处理、蒸汽爆破法、热水处理法(hydrothermal)、有机溶剂法、氨爆破法(AFEX)以及碱处理法等。 纤维素水解工艺有稀酸水解和酶水解。目前成功工业化的是稀硫酸渗滤水解法，稀酸水解糖率较低，能量消耗较大。酶水解是指利用产纤维素酶微生物或纤维素酶将纤维素水解成可发酵糖。该法具有反应条件温和、能耗低、效率高、选择性强、三废少的优点。纤维素酶转化纤维素为糖的成本对高效生产纤维质乙醇来说仍是最关键的技术瓶颈。为降低酶解过程成本，许多研究人员都致力于开发高产纤维素酶菌株。美国可再生能源实验室(NREL)与酶生产商Novozyes及Genencor公司合作研发的生物质燃料乙醇项目获重要进展。从2001年的每加仑5美元到2005年的每加仑l0-18美分。通过技术进步，杰能科的酶成本也降至原成本的l/30。美国能源部认为酶处理成本已不再是产业化的主要障碍。 由于纤维质原料成分的复杂性也决定了纤维素乙醇的生产