利用作物秸秆发酵生产工业乙醇

利用作物秸秆发酵生产工业乙醇姓名：高飞学号：MG1430073当前1页，总共39页。化石资源是现代工业和现代农业的物质基础石油、煤炭、天然气不仅提供了基本的能源，而且提供了99%的有机工业原料。当前2页，总共39页。中国的石油生产和需求：

-----现状和预测当前3页，总共39页。Environmentalproblem化石经济，付出了巨大的环境代价（空气污染和温室效应等）当前4页，总共39页。廉价石油时代终结了---人类必须戒除“油瘾”当前5页，总共39页。生物质资源开发是人类继续生存的必然选择面对日益严峻的能源和环境问题，开发利用风能、太阳能、生物质能等可再生能源已成为世界各国的共同选择。孙凤莲,杜巍.生物质能源开发利用中的产业体系建设进展与评述[J].安徽农业科学,2014,42(24):8323-8326当前6页，总共39页。生物质生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。它包括植物、动物和微生物。广义概念：生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。生物质定义当前7页，总共39页。生物质是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，也是我国可再生能源发展的重点。生物质柳枝稷芒草当前8页，总共39页。020301秸秆预处理物理法、物理化学法、化学法和生物法糖化将纤维素酶解为多糖或单糖。微生物发酵和蒸馏提取乙醇糖酵解阶段、丙酮酸转化为乙醇以及乙醇的提取的阶段秸秆发酵机理PrachandShrestha,MaryRasmussen.Solid-substratefermentationofcornfiberbyphanerochaetechrysosporiumandsubsequentfermentationofhydrolysateintoethanol[J].J.Agric.Food.Chem,2008,56,3918-3924当前9页，总共39页。纤维素的结构纤维素的分子结构当前10页，总共39页。

木质纤维素结构植物细胞壁含有多糖和木质素

纤维素分子结晶纤维素分层网格的微纤维植物细胞壁次结晶纤维素当前11页，总共39页。纤维素约45%（主要由葡萄糖聚合而成）、半纤维素约30%（主要由木糖聚合组成）、木质素约25%（主要由复杂酚类聚合而成）。木质纤维素组成当前12页，总共39页。（作物秸秆）木质纤维素预处理工艺一、木质纤维素预处理的作用

天然纤维素的高度结晶性和木质化，阻碍了酶与纤维素的接触使其难以直接被降解。必须通过预处理，以降低纤维素的结晶度，增加纤维原料的多孔性，脱除木质素的保护作用，增加酶与底物的接触面积，从而提高酶解的效率。二、预处理方法

物理法、物理化学法、化学法和生物法。李海涛,姚开,贾冬英等.秸秆纤维素生物转化预处理方法研究进展[J].农业技术与装备,2010,14:56-58当前13页，总共39页。纤维素原料预处理方法1.物理方法

机械粉碎是纤维原料预处理的常用方法，通过切、碾和磨等工艺使纤维原料的粒度变小，增加底物和酶接触的表面积，降低纤维素的结晶度。机械粉碎包括干法粉碎、湿法粉碎、振动球磨碾磨等。2.物理化学法

蒸汽爆破：将木质纤维原料用160~260℃水蒸汽处理适当时间(30sec~20min)后，突然减压，蒸汽从反应釜中迅速喷出，使原料爆破。该预处理加剧了纤维素内部氢键的破坏和有序结构的变化，游离出新的羟基，增加了纤维素的吸附能力，也促进了半纤维素的水解和木质素的转化。

氨纤维爆破(ammoniafiberexplosion,AFEX)法：和蒸汽爆破预处理类似，但是避免了高温条件下糖的降解以及有害物质的产生。当前14页，总共39页。纤维素原料预处理方法3.化学法

稀酸预处理：通常采用0.3~3%的H2S04于110~220℃下处理一定时间。由于半纤维素被酸水解成单糖，纤维残渣形成多孔或溶胀型结构，从而促进了酶解效果。

碱法预处理：是利用木质素能够溶于碱性溶液的特点，脱除木质素，引起木质纤维原料润胀，导致纤维内部表面积增加，聚合度降低，结晶度下降，从而促进酶水解的进行。常用的碱包括NaOH,KOH,Ca(OH)2和氨水等。4.生物法

生物法预处理条件温和，能耗低，无污染，但通常处理的时间较长，而且许多白腐真菌在分解木质素的同时也消耗部分纤维素和半纤维素。当前15页，总共39页。纤维素酶水解工艺1.纤维素酶的定义

能水解植物纤维或经物理、化学方法处理过的纤维素（如CMC）的β-1,4糖苷键的酶。

2.纤维素酶的分类（一）内切β-1,4葡聚糖水解酶－Cx

（二）外切β-1,4葡聚糖水解酶－C1（三）β-1,4葡萄糖苷酶－Cb

作用方式

纤维素酶水解纤维素是各组酶（C1、Cx、Cb）协同作用的结果：

1.首先Cx酶在纤维素内部随机的切割，使其露出许多供外切酶作用的末端。

2.然后在C1酶的作用下生成大量纤维二糖和纤维寡糖。

3.最后Cb酶将他们进一步分解成葡萄糖。CXC1Cb纤维二糖当前16页，总共39页。

发酵三个阶段两种途径四步十二个反应1.酵母乙醇发酵法：利用酿酒酵母、管囊酵母、卡尔酵母、清酒酵母在无氧条件下，得到乙醇

2.细菌乙醇发酵法：利用厌氧发酵单胞菌、棕榈发酵菌、运动发酵单胞菌发酵1.发酵前期：发酵菌种繁殖时期2.主发酵期：繁殖基本停止，主要厌氧乙醇发酵3.发酵后期：糖浓度降低，发酵作用减弱，菌种死去1.葡萄糖到二磷酸果糖，3步反应。2.磷酸果糖到磷酸甘油醛，2步反应。3.磷酸甘油醛到丙酮酸，5步反应4.丙酮酸降解成乙醇，2步反应。当前17页，总共39页。发酵微生物学生产中能够发酵生产乙醇的微生物主要有酵母菌和细菌。目前工业上生产乙醇应用的菌株主要是酿酒酵母，这是因为它发酵条件要求粗放，发酵过程pH低，对无菌要求低，以及其乙醇产物浓度高（实验室可达23%，v/v）。细菌由于其生长条件温和，pH高于5.0，易染菌，细菌还易感染噬菌体，一旦感染了噬菌体将带来重大经济损失。所以迄今为止，生产中大规模使用的仍是酵母。当前18页，总共39页。酵母的生长条件

（1）温度。其正常的生活和繁殖温度是29—30℃。在很高或很低的温度下，酵母的生命活动消弱或停止。酵母发育的最高温度是38℃，最低为-5℃；在50℃时酵母死亡。（2）pH。酵母的生长pH为3—8，但最适生长pH为3.8—5.0。当pH降到4.0以下时，酵母仍能继续繁殖，而此时乳酸菌已停止生长，酵母的这种耐酸性能被用来压制和消除其它细菌的生长，即将该培养料加酸调至pH3.8—4.0，并保持一段时间，在此期间酵母生长占绝对优势，细菌污染即可消除。当前19页，总共39页。（3）溶氧。酿酒酵母是兼性厌氧菌。在有氧时靠呼吸产能，无氧时借发酵或无氧呼吸产能。所以乙醇酵母在菌种生长起始通风培养，等长至对数期快结束时停止通风，进行厌氧培养，从而使细胞进行发酵产乙醇。当前20页，总共39页。发酵产生乙醇的其它细菌和真菌当前21页，总共39页。乙醇生产对酵母要求

能应用于生产酵母菌株必须基本符合以下要求：能快速并完全将糖分转化为乙醇，有高的比生长速度，有高的耐乙醇能力，抵抗杂菌能力强，对培养基适应性强，不易变异。要耐渗透压能力强，耐酸耐温能力强，对金属特别是Cu2+的耐受性强，并且产生泡沫要少。当前22页，总共39页。Process当前23页，总共39页。工艺流程当前24页，总共39页。

由葡萄糖到乙醇的过程主要分成两个阶段，即糖酵解阶段和丙酮酸转化为乙醇的阶段。

在糖酵解阶段葡萄糖经过转化形成丙酮酸。酵母菌在无氧条件下，丙酮酸继续降解，生成乙醇。丙酮酸乙醛乙醇丙酮酸脱羧酶Mg2+CO2乙醇脱氢酶NADHNAD乙醇发酵总过程袁丽婷.玉米秸秆发酵生产乙醇的工艺研究[J].安徽农业科学,2009,37(3):922-925当前25页，总共39页。葡萄糖发酵生成乙醇的总反应式C6H12O6+2ADP+2H3PO42C2H5OH+2CO2+2ATP则1mol葡萄糖生成2mol乙醇，理论转化率为

（2*46.05/180.1）*100%=51.1%

但在实际生产实践中有约5%的葡萄糖用于合成酵母细胞和副产物，实际上乙醇生成量约为理论值的95%，即乙醇对糖的转化率约为48.5%。当前26页，总共39页。甘油正常发酵条件下，发酵醪中只有少量的甘油生成，其含量为发酵醪量的0.3%—0.5%。但在一些条件下，酵母可以转化糖分为甘油杂醇油在乙醇发酵过程中，由于原料蛋白质分解产生了氨基酸，氨基酸的氨基被酵母菌同化，用作氮源，余下的部分脱羧生成相应的醇类，这些醇类就是杂醇油。有机酸除琥珀酸之外，其他有机酸均是由于杂菌污染的结果。乙酸菌可以利用乙醇生成乙酸，乙酸的生成往往会增加挥发酸的含量。酒精发酵的副产物詹美荣.电子受体对超高浓度乙醇发酵副产物形成的影响[D].华侨大学，2013当前27页，总共39页。每吨无水乙醇生产成本估算表当前28页，总共39页。蛋白质组学组学Discovery-driven转录组学代谢组学通量组学DNA芯片技术二维电泳/质谱技术多维色谱/质谱技术同位素-核磁共振技术计算生物学基因组模型化技术涉及的技术途径实验生物科学Hypothesis-driven分子遗传学分子微生物学蛋白质工程结构生物学代谢工程重组DNA技术蛋白质结晶及晶体衍射技术酶的定向进化技术高通量筛选技术微生物生理学反向代谢工程技术从基因组到产品当前29页，总共39页。秸秆发酵乙醇的主要难题原料分散---集运增加成本组分复杂---必先预加处理多酶体系---效率急待提高戊糖难用---酵母先要改造

当前30页，总共39页。中期目标

在完善万吨级木糖相关产品-纤维素乙醇联产示范工厂的基础上：扩大原料品种（如玉米秸和麦秸等）扩大联产产品（如乳酸、PHA等化学品、蛋白饲料、纸浆、木素产品、沼气、二氧化碳等）建立植物全株综合精练技术示范企业当前31页，总共39页。黑龙江华润酒精公司

纤维素乙醇试验基地当前32页，总共39页。中科院过程所秸杆乙醇生产线由中国科学院过程工程研究所与吉林省松原市石化园区的公司合作完成的“万吨级秸秆酶解发酵丁醇产业化技术”和“万吨级秸秆酶解发酵乙醇产业化技术”项目，分别于2014年5月和8月通过了中国科学院长春分院组织的技术成果鉴定。鉴定委员会一致认为：“万吨级秸秆酶解发酵丁醇和乙醇产业化技术创新强，具有自主知识产权，达到国际领先水平”乙醇发酵吸附耦合塔100m3纤维素酶发酵罐当前33页，总共39页。中国的燃料乙醇企业当前34页，总共39页。美国的燃料乙醇企业当前35页，总共39页。Broin公司投资：8000万美元厂址：爱荷华州的埃米茨堡

原料：842吨玉米纤维、芯、秸秆等

/天计划年产：1.25亿加仑的乙醇，其中大约25%是纤维质乙醇

（约10万吨）参与者：duPont、Novozymes以及能源