第五章 非粮食生物质的转化

第五章非粮食生物质的转化生物质的来源农业农作物废弃物（稻草、秸秆等）林业采伐废弃物,木材废弃物,森林疏伐,灌木处理专用能源作物(有目的种植)草，树，藻类和其它水生品种城市市政固体废弃物，生物固体，食品垃圾，园林废弃物，不可再生纸，废油脂，污水和其它废水一、木质纤维素化学历史回顾二、木质纤维素的化学组成三、木质纤维素的生物炼制木质纤维素的转换（1）纤维素的糖化作用1819年，法国植物化学家HenriBraconnot发现帆布水解可得到与淀粉水解相同的糖。（2）草酸1829年，锯屑和类似原料与KOH共热，可得到草酸。（3）木炸药和硝化纤维1833年，Braconnot硝酸处理木质纤维或淀粉可形成一种可燃性化合物（木炸药，xyloidin）；1846年，瑞士巴塞尔的化学教授ChristianFriedrichSchonbein开发了硝化纤维（火棉nitrocellulose）一、19世纪的木质纤维素化学（4）纤维素1839年，法国糖厂经理AnselmePayen发现木材经硝酸和NaOH处理后可得到纤维素，并且在浓硫酸作用下可转换为D-葡萄糖。（5）乙酰丙酸1840年，荷兰化学教授GerardusJohannesMulder发现果糖和盐酸共沸可合成乙酰丙酸（Levulinicacid）。（6）木质素1856年，FranzFerdinandSchulze报道了硝酸和KClO3混合物处理木材可分离出纤维素，可溶性部分称为木质素。1868年，F.Bente报道了碱木质纤维素熔化物的芳香族特征。1897年，瑞典科学家P.Klasen也描述了木质素的“非纤维素”性芳香族特性，松柏醇是木质纤维素生物合成的单元中间体。1919年，W.Fuchs描述了一种酚型结构单元。1927年，KarlFreudenberg发现木质素是由苯丙烷的衍生物组成。（7）半纤维素（多糖）和糖醛1831年，J.W.Dobereiner把麦麸和稀硫酸一起蒸馏得到了糠醛。1922年，QuakerOats公司从生产燕麦片废料中生产糠醛，推动了糠醛的工业化。（8）木质纤维素1903年，英国科学家EdwardJohnBevan和CharlesFrederickCross认为木质纤维素为五大天然纤维素之一，木质素和纤维素之间通过化学键相连。20世纪30年代末期出现了木质纤维原料一词(lignocellulosefeedstock),1942年，美国的文献中开始使用木质纤维素这一术语。（1）从木材生产纸和纸浆。（2）可溶性纤维衍生物、黏胶以及其他纤维素基合成纤维。（3）从木材制取糖类产品和木材液化物（4）从木质素生产香草醛（5)

纤维素硝化物（火棉和胶棉）（6）糠醛和尼龙19世纪至20世纪初木质纤维素的工业利用一、木质纤维素化学历史回顾二、木质纤维素的化学组成三、木质纤维素的生物炼制

木质纤维素的转换二、Chemical-TechnicalMajorGroupsofLCF二、ChemicalCompositionofDifferentLCFChemicalCompositionofDifferentAmericanStrawCompositionofSelectedBiomassMaterialsCarbohydratesinLignocelluloses结构特点：直链,氢键作用强,成晶体,难水解纤维素的化学结构结构特点：很多支链,氢键作用弱,非晶体,易水解淀粉的化学结构纤维素与淀粉化学键区别α-1,4葡萄糖苷键α-1,4葡萄糖苷键α-1,6葡萄糖苷键β-1,4葡萄糖苷键结构特点：有支链,非结晶,易水解，水解产物含多种单糖。包括五碳糖类中的木糖、阿拉伯糖,六碳糖类中的半乳糖,、甘露糖、葡萄糖等。

半纤维素的化学结构木质素的化学结构木质素的结构单元一、木质纤维素化学历史回顾二、木质纤维素的化学组成三、木质纤维素的生物炼制木质纤维素的转换3.1木质纤维素——最重要的可再生生物质资源CornStoverWheatStrawRiceStrawBagasseMiscanthus芒草SwitchGrass柳枝稷3.3ProductsofLignocellulosicFeedstockBiorefinery3.4木质纤维素原料全组分利用的重要性阔叶材：纤维素30-45%，20-30%半纤维素，20-25%木质素粮食秸秆：纤维素38-40%，半纤维素20-30%，木质素6-20%。UtilizationofCropResidues3.5木质纤维素的物理结构稳定而坚固3.6预处理(Pretreatment)采用酶法降解纤维质得到可发酵性糖是最理想的方法。当采用纤维素酶水解纤维质生物资源制造乙醇时，纤维素酶必须接触吸附到纤维素底物上才能使反应进行，因此，纤维素对纤维素酶的可及性是决定水解速度的关键因素。木素和半纤维素矩阵的存在阻碍了纤维素对酶的可及性，且纤维素的结晶结构以及纤维质生物资源的表面状态、纤维质生物资源的多组分结构、木素对纤维素的保护作用以及纤维素被半纤维素覆盖等结构与化学成分的因素致使纤维质生物资源难以水解。预处理(Pretreatment)

三个主要目的:1.除去木质素的阻碍,增加纤维可接触度2.分出半纤维和半纤维水解而产的混合糖3.减少纤维结晶度，促进纤维素的水解4.不增加糠醛等对后续发酵有影响的物质预处理(Pretreatment)预处理(Pretreatment)纤维质生物资源随着种类的不同，结构与化学成分存在差异，对酶的可及性也有所差异。未经预处理的天然状态的纤维质生物资源的酶解率小于20%，而经预处理后的水解率可达理论值的90%以上。纤维质纤维原料预处理的方法主要有：物理法化学法物理化学法生物法预处理主要方法预处理主要方法物理方法有：剪切和研磨高温液态法高温分解微波处理高能辐射机械粉碎用球磨、振动磨、辊筒等将纤维素原料进行粉碎处理，木质素仍然被保留，但木质素和半纤维素与纤维素的结合层被破坏，半纤维素、纤维素和木质素的聚合度降低，纤维素的结晶构造改变。粉碎处理可提高反应性能和提高水解糖化率，有利于酶解过程中纤维素酶或木质素酶发挥作用。缺点：粉碎处理对提高糖化率的程度有限，且能耗较高，占工艺过程总耗能的50％～60％。在高温(200℃以上)、压力高于同温度下饱和蒸汽压时，使用液态水去除部分木质素及全部半纤维素，实质上是酸催化的自水解反应。溶解几乎所有的半纤维素和1/3

~

2/3的木质素，但反应需要控制pH在4~7之间，以减少副反应。缺点：但高温作用使产物有所损失，并产生一些有机酸抑制酶解及发酵。西班牙的研究人员佩雷斯等将麦秆在214℃的高温热水中处理2.7min可以得到相当于理论值90.6%的酒精。高温热水处理法微波是一种新型节能、无温度梯度的加热技术，具有处理时间短、减少化学药品用量、无污染、能耗低等优点，是很有发展前途的预处理新技术。微波处理在现代染色生产、溶剂制浆和食品工业中已获得实际应用，而应用于纤维素领域则较为少见。HuanMa等人采用响应面法对微波预处理条件下微波强度、辐照时间及底物浓度3种因素对稻秆酶解糖化的影响进行了研究，发现了在微波强度680W、辐照时间24min及底物浓度75g/L条件下，纤维素、半纤维素及总糖转化率分别增加了30.6%、43.3%和30.3%。微波辐射常用的化学法有：臭氧法酸水解法碱法氧化脱木素法有机溶剂法预处理主要方法该方法中木质素受到很大程度降解，半纤维素只受到轻微攻击，纤维素几乎不受影响。不产生有毒的阻碍生物过程的化合物，在室温常压下进行。缺点：预处理过程中需要大量臭氧，生产成本昂贵。臭氧法酸处理多采用稀硫酸(0.5％~1.0％)，在130~200℃与原料反应数分钟。处理后，半纤维素几乎全部水解为单糖(主要为木糖)，但也有部分因过度降解转化为乙醛等小分子副产物；纤维素及木质素作为固体残留物不发生变化。半纤维素的转移，增加了纤维素表面积及反应活性，提高水解速率及糖化率。稀酸处理的优点在于半纤维素水解得到的糖量大，催化剂成本低，易于中和。缺点：半纤维素水解产物五碳糖易在催化下进一步降解(糠醛)，对后期的发酵有一定的抑制，通常需要采用离子交换、过量石灰中和等措施脱毒。稀酸预处理技术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。缺点：NaOH虽有较强的脱木质素和降低结晶度能力，但在脱木质素的同时，半纤维素也被分解，致使损失太多；同时还存在试剂的回收、中和、洗涤等问题，并且成本太高。碱预处理技术使用氨的预处理方法是将氨水通过装有生物质材料的柱状反应器，用不同的温度加热处理，然后分离。氨水可以循环使用。徐忠等人采用粉碎结合氨处理法对大豆秸秆酶水解影响研究，较适宜的预处理条件为大豆秸秆粉碎至140目，用10%氨水处理24h。经过预处理后大豆秸秆纤维素含量提高70.27%，半纤维素含量下降41.45%，木质素含量下降30.16%，有利于大豆秸秆酶解产糖，效果明显。氨预处理常用的物理化学法有：蒸汽爆裂法CO2爆破法蒸汽爆裂与乙醇抽提结合法氨冷冻爆破法预处理主要方法蒸汽爆破法即将植物纤维原料在高温(135~235℃或以上)高压(1.0~4.5MPa或以上)下用水蒸汽等经几十秒到几十分钟进行处理，然后立即降至常压的一种处理方法，蒸爆的原理是利用水蒸汽在高温高压下通过纤维素表面微孔渗入纤维素内部，蒸煮一段时间，在此过程中发生水解反应。然后突然降压，纤维素原料被内含水闪蒸产生巨大的爆破力、机械摩擦与碰撞力而破碎。蒸汽爆破法

木质生物资源的蒸汽爆破预处理方法可有效地分离出活性纤维

不用或少用化学药品，对环境无污染

近年来研究得较多,技术成熟蒸汽爆破法氨冷冻爆破(AFEX)法利用液态氨在可调压反应器中处理纤维原料，处理条件通常为50~80℃，1.5MPa。保持一定时间后，打开控压阀，氨因压力的突然降低而蒸发，导致温度急剧变化使纤维素结构破坏，将增加纤维素表面积和酶解的可及度。与蒸汽爆破相比，氨处理对设备的要求和所需的能耗降低，但氨的有效回收是氨爆破必须妥善解决的问题。

AFEX法的优点是处理过程中不会产生对微生物有抑制作用的副产物，所以不需要水洗就能用于后续工艺。液氨可以回收利用，但氨回收要增加部分设备。氨冷冻爆破生物预处理法褐腐菌、白腐菌和软腐菌等微生物被用来降解木素和半纤维素生物预处理的优点是能耗低，所需环境条件温和。但是生物预处理后水解率很低。预处理主要方法虽然有许多种微生物能产生木质素分解酶，但活性低，一时难以得到利用。木腐菌是分解木质素能力较强的菌，通常分为3种：白腐菌、褐腐菌、软腐菌，而以白腐菌分解木质素的能力较强。白腐菌是自然界中最主要的木素降解菌，其分泌的胞外氧化酶主要包括木质素过氧化物酶(LIP)、锰过氧化物酶(MnP)、漆酶(Laccase)。这些木质素降解酶能有效、彻底地将木质素降解成为H2O和CO2。传统的化学处理、机械处理技术等耗能较多，且不同程度地存在环境污染；蒸汽爆破具有处理时间短、减少化学药品用量、无污染、能耗低等优点，是很有发展前途的预处理新技术；生物处理技术从成本和设备角度考虑，占有独特的优势，但处理效率较低，利用基因工程和传统的生物技术对菌种和酶进行改造，提高酶活力，降低酶成本，也有望应用于大规模工业生产；利用多种预处理方法相结合，开发更加高效、无污染且成本低的预处理手段，将是今后纤维质纤维原料预处理的发展趋势。预处理主要方法水解纤维质生物资源的酶Cellulases内切-1,4-β-D-葡聚糖酶外切-1,4-β-葡聚糖酶β-D-葡萄糖苷酶Hemicellulases内切-1,4-β-D-木聚糖酶β-木糖苷酶

其它碳水化合物酶和酯酶Ligninases木素过氧化物酶锰过氧化物酶漆酶3.7木质纤维素水解酸水解-稀酸水解-浓酸水解酶解纤维素水解为了加快水解的反应，可采用无机酸作为催化剂。常用的无机酸有硫酸和盐酸。溶液中氢离子浓度愈浓，水解速度愈快。氢离子是由酸解离而来。强酸离解完全，故水解时都用强酸。温度升高，酸水解的速度加快。酸水解酸水解过程中要减少已生成单糖的进一步分解或副反应。酸必须回收利用设备容器必须耐腐蚀纤维素浓酸膨胀溶解部分水解，生成低分子多糖少量单糖加水稀释加热进一步水解为单糖浓酸水解某公司浓酸水解流程图浓酸水解纤维素酶是一个复合酶系统，纤维素酶只是一个总称，它是由Cx酶、C1酶、Cb酶等三种酶组成，这些组分还包括一些同功酶。纤维素酶水解这一类酶包括几个随机不同的组分，属于内切酶。它们作用于纤维素大分子的内部，随机切割β-1,4葡萄糖苷键，同时生成许多新的分子末端；不能水解纤维二糖，但能水解低聚纤维素糊精、羧甲基纤维素（CMC）或羟乙基纤维素（HEC）等衍生物，也称CMC酶，俗称Cx酶。内切-β-1,4葡聚糖酶类

（1,4-β-D-glucanohydrolase,EC3.2.1.4）也称微晶纤维素分解酶，俗称C1酶，能水解低聚纤维素糊精，但不能水解CMC或HEC和纤维二糖，此类酶含有两个酶系：β-1,4葡聚糖纤维二糖水解酶，也作用于纤维素分子链的非还原末端，但产物是纤维二糖。β-1,4葡聚糖葡萄糖水解酶，作用于纤维素分子链的非还原末端，切割β-1,4键，产物是葡萄糖；外切-β-葡聚糖酶类

（1,4-β-D-glucancellobiohydrolase,EC3.2.1.19）

俗称Cb酶，能水解纤维二糖和短链寡糖生成葡萄糖，但不能水解纤维素或高分子量的纤维糊精。β-1,4葡萄糖苷酶

（β-D-glucosideglucohydrolase,EC3.2.1.21）协同作用一般认为是内切葡聚糖酶(Cx酶)首先进攻纤维素的非结晶区，形成C1所需的新的游离末端，然后由C1酶从纤维素大分子多糖链的还原端或非还原端分解为可溶性的纤维寡糖，最后由β-葡聚糖苷酶(Cb酶)将纤维二糖水解成二个葡萄糖。真纤维分解菌由于能分泌C1酶，所以它能分解天然纤维素，而非真纤维分解菌则不分泌C1酶，所以只能分解纤维衍生物。不过，纤维素酶的协同作用顺序不是绝对的，随后的研究中发现，C1-Cx和β-葡聚糖苷酶必须同时存在才能水解天然纤维素。若先用C1酶作用结晶纤维素，然后除掉C1酶，再加入Cx酶，如此顺序作用却不能将结晶纤维素水解。纤维素酶的协同作用典型的有木酶属(Trichoderma)、曲霉属（Aspergillus）和青霉属(Penicillium）。目前有使用价值的：

里氏木霉（Trichodermareesei）

绿色木霉（Trichodermaviride）

康氏木霉(Trichodermakoningii)产生纤维素酶的菌种容易退化，导致产酶能力降低。产纤维素酶的微生物细菌产纤维素酶的产量较少，主要是葡聚糖内切酶，大多数对结晶纤维素无降解活性，且所产生的酶多是胞内酶或吸附在细胞壁上，不分泌到培养液中，增加了提取纯化的难度。但由细菌所产生的纤维素酶一般最适pH为中性至偏碱性。近20年来，随着中性纤维素酶和碱性纤维素酶在棉织品水洗整理工艺及洗涤剂工业中的成功应用，细菌纤维素酶制剂已显示出良好的应用前景。最适温度

一般纤维素酶的最适温度范围为40-60oC。最适pH纤维素酶酶活对环境pH值很敏感，不同菌种、不同组分的纤维素酶最适pH值有差异。如曲霉、青霉及木霉产生的酸性纤维素酶，一般在酸性环境pH4.0-5.0有较高活性。

而细菌表现出差异，如田新玉从200余株嗜碱细菌中筛选到一株产碱性纤维素酶的菌株N6227，其酶反应的最适pH值为8.5。纤维素酶的多样性

产纤维素酶微生物一般不会只有一类纤维素酶组分。即使只产生一类纤维素酶组分，也往往有多种不同形式。如有报道，一种白热担子菌依靠碳源，能在细胞外、细胞内和细胞壁上产生三种不同的Cb酶。同一微生物也可能因不同地区来源、不同培养条件而使纤维素酶成分有很大差别。纤维素酶的诱导性

真菌纤维素酶是诱导酶，在诱导物存在下才能产生。

许多不溶性纤维素、可溶性纤维素衍生物、一些低聚糖类以及某些单糖和二糖均可作为纤维素的诱导物。

纤维二糖、葡萄糖等低分子可溶性糖在低浓度时有促进作用，而较高浓度时便开始抑制。当然对于不同微生物来说，同一浓度、同一物质也可能有着不同甚至完全相反的作用。培养基种子培养基为0.75%CMC-Na，0.5%蛋白胨，2%吐温80，0.03%MgSO4，CaCl2，水，微量FeSO4，MnSO4，ZnSO4，CoCl2。

发酵培养基为0.75%CMC-Na，(NH4)2SO4，2%吐温80，其余同种子培养基。固态发酵的正确含义是指微生物在没有游离水的固体基质上生长。固态发酵是需要水分的，但是，水分是以吸附或结合的形式存在于固态基质内部。游离水的出现同培养基的水分含量和基质的性质有关。例如，槭树树皮出现游离水时的水分含量为40%，而对麦草来说则为75%。对于大多数基质来说水分在达到80%以前都将出现游离水。

固态发酵工艺是当今世界上生产纤维素酶的常用工艺之一。固态发酵生产纤维素酶②细菌污染少，基质不一定要灭菌。③所用培养基简单，往往是副产品，价格低廉。④供氧通风容易，往往不要或只要间歇搅拌。⑤固体废料量少，处理容易。产品的物理性质较为稳定。⑥基建投资少，能量消耗低。

优点：①由于水分少，每克基质的体积小，这将带来一系列的好处：

a、要处理的废水量很少；

b、产品浓缩在基质里，往往不要过滤浓缩就可以使用；

c、即使要萃取制成酶制剂，所需的溶剂量较少；

d、成品储藏所需的场地较少。固态发酵(SSF

)和液体深层发酵(SmF)对比固态发酵(SSF

)和液体深层发酵(SmF)对比缺点：①只有能适应无游离水的少数霉菌，酵母和放线菌能生长。②大规模生产时热量排除较困难。③发酵过程中氧的传递无法控制。④对水分、pH、O2、CO2和产品产率等重要参数的测定比较困难。⑤固态发酵的工程问题。如反应器、搅拌、通风等研究和报道尚少。⑥人力消耗较大。

提高现有酶的催化效率筛选新的活力更高的酶制备更适合于预处理底物的优化的复合酶体系降低酶的生产成本解决酶成本高的应对措施（1）葡萄糖（2）山梨醇（3）葡糖苷（4）果糖（5）乙醇（6）羟甲基糠醛（HMF)（7）乙酰丙酸3.8纤维素基产品链ChemicalIndustrialCellulose-BasedProductFamilyTree纤维素在酸或纤维素酶的作用下可降解得到葡萄糖，葡萄糖——生物炼制过程的“平台化合物”、“关键化合物”（1）葡萄糖甜度约为蔗糖的50%。吸湿性适宜，广泛作为添加剂应用于造纸、纤维、烟草、化妆品、皮革、制药、食品、化工等行业。化工应用：生产维生素C、醇酸树脂、表面活性剂、炸药等。RaneyNi,100-150atm,100-150OC（2）山梨醇异山梨醇二甲醚无色的良好溶剂变色涂料防伪涂料商业聚酯：PEIT、聚醚、聚酯、聚氨酯二硝酸异山梨酯药物中间体用作皮肤护理和药物配方的持续溶剂已成功应用于阿司匹林稳定液的合成利尿药血管扩张药提高PET玻璃化转变温度，用于封装热粘液体异山梨醇五大应用用于监测温敏颜色变化南京一种以葡萄糖作为糖成分的配糖体。是具有各种配质与葡萄糖还原基结合的结构，这类化合物总称为葡糖苷。催化剂：1%的盐酸（Fischer反应），硫酸盐型阳离子交换树脂（收率88%）。应用：制造醇酸树脂、涂料、表面活性剂等（3）葡糖苷D-果糖是最甜的糖，甜度是蔗糖的1.73倍。在医药和食品工业中D-果糖经常作为糖的替代品，特别是在糖尿病患者的治疗上。在生物基化学工业中，是合成HMF和乙酰丙酸的重要起始原料。天然果糖来源：蔗糖和菊糖（4）果糖不与民争粮、不与粮争地，发展非粮乙醇。（5）乙醇（6）羟甲基糠醛（HMF）（7）乙酰丙酸乙酰丙酸半纤维素基产品家族谱（1）半纤维素的分离（2）聚甘露糖/甘露糖（3）木聚糖/木糖（4）糠醛/糠醛基产品3.9