木质纤维素乙醇发酵及生物炼制
木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术刘旭亮
木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术刘旭亮发布时间：2021-08-06T07:31:51.419Z 来源：《中国科技人才》2021年第12期作者：刘旭亮[导读] 木质纤维是地球上数量最大的可再生资源，木质纤维生物量可用来生产乙醇，能替代有限的石油产品，而乙醇是一种可再生能源，可通过糖发酵获得。
基于此，本文详细探讨了木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术。
刘旭亮新疆中泰纺织集团库尔勒纤维公司摘要：木质纤维是地球上数量最大的可再生资源，木质纤维生物量可用来生产乙醇，能替代有限的石油产品，而乙醇是一种可再生能源，可通过糖发酵获得。
基于此，本文详细探讨了木质纤维生产燃料乙醇的生物转化技术。
关键词：木质纤维；乙醇；生物转化技术随着现代工业的发展，开发环境友好型可再生资源变得越来越重要。
纤维素乙醇作为一种环境友好的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。
此外，我国植物纤维资源丰富，若能充分利用这些木质纤维资源，开发新的利用途径，将是我国能源可持续发展的必由之路。
一、木质纤维特性木质纤维（xylem fiber）是天然可再生木材经化学处理、机械法加工得到的有机絮状纤维物质，广泛用于混凝土砂浆、石膏制品、木浆海棉、沥青道路等领域。
可用于制造中纤板，用于家居建材行业。
其具有以下特性：①木质纤维素不溶于水、弱酸和碱性溶液；pH值中性，可提高系统抗腐蚀性；②木质纤维素比重小、比表面积大，具有优良的保温、隔热、隔声、绝缘和透气性能，热膨胀均匀不起壳不开裂；更高的湿膜强度及覆盖效果；③木质纤维素具有优良的柔韧性及分散性，混合后形成三维网状结构，增强了系统的支撑力和耐久力，能提高系统的稳定性、强度、密实度和均匀度；④木质纤维的结构粘性，使加工好的预制浆料均匀性保持原状稳定，并减少系统的收缩和膨胀，大幅提高施工或预制件的精度；⑤木质纤维具有很强的防冻和防热能力，当温度达到150℃能隔热数天；当高达200℃能隔热数十小时；当超过220℃也能隔热数小时。
木质纤维素原料生物转化生产纤维素乙醇过程的关键技术研究
在最新的研究中，研究者们通过优化蒸汽爆破参数，如温度、压力和时间等， 实现了更高效的木质纤维素预处理。此外，他们还研究了不同类型木质纤维素原 料的蒸汽爆破效果，为优化预处理条件提供了参考。
木质纤维素生物转化的研究进展
生物转化是一种利用微生物或酶将木质纤维素降解为有用物质的过程。近年 来，木质纤维素的生物转化研究取得了显著进展。研究者们致力于提高转化效率、 优化转化条件以及发掘新型转化方法。
2、纤维素乙醇的制备方法
制备纤维素乙醇的方法主要包括酶解法、酸催化法和生物法等。其中，酶解 法具有反应条件温和、产物纯净等优点，但酶解效率较低，成本较高。酸催化法 虽然反应速度快，但需要使用大量酸碱，对环境造成污染。生物法具有环保性和 可持续性，但发酵时间较长，需要经过多次迭代。各种方法各有利弊，需要根据 实际应用场景选择合适的制备方法。
3、反应器设计
反应器设计是木质纤维素生物转化生产纤维素乙醇过程中的重要环节。合理 的设计可以保证反应的效率、产物质量和产量。反应器设计需遵循的原则包括： 设备选型要满足生产规模和工艺要求；反应环境应有利于微生物的生长和代谢； 还需考虑设备的材质、耐高温高压性能等。同时，反应器设计还需结合实验数据 进行优化，以实现最佳效果。
未来展望
木质纤维素原料生物转化生产纤维素乙醇过程的关键技术研究对于实现能源 可持续发展具有重要意义。未来，随着科学技术的不断进步，以下几个方面可能 成为研究重点：
1、高性能酶的开发：通过基因工程等技术手段，开发具有高活性和稳定性 的酶制剂，以提高木质纤维素的酶解效率。
2、高效转化技术的研发：进一步优化生物转化技术，提高木质纤维素的转 化率和产量，降低成本。
关键词：木质纤维素，蒸汽爆破 预处理，生物转化，研究进展
一种木质纤维原料的生物炼制方法
一种木质纤维原料的生物炼制方法
1生物炼制木质纤维原料
近年来，科学家已经发现了一种省时省力的新型木质纤维原料生物炼制方法。
该方法即采用人工改良的生物，如酵母菌，从小型木质原料中提取木质分子的方法。
由于改良后的生物可以自动恢复，原料投入量大大降低，而生产效率提高。
考虑到这种新型生物炼制木质纤维原料的优点，它正在被越来越多地用于新材料、装饰和替代包装等行业中。
2生物改良原理
新型木质纤维原料的生物炼制技术，采用的是一种令人惊叹的生物改良原理。
主要步骤是种植木质分子成分的酵母菌在木质原料内分解，异质酶加入酵母菌，在胃液系统中构建了特定结构，活性物质降解木质材料，最终提出木质分子成分，用于制造纤维水性涂料或柔性薄膜。
3优势亮点
木质纤维原料生物炼制技术具有多门技术优势，它比传统的化学炼制技术具有更大的生命力，并且耗能低。
其次，新的生物炼制方法可以有效提高整体的清洁性，可以大大改善对自然环境的影响。
此外，它可以实现低成本的木质分子提取，可以提高木材材料，甚至其他木质状态材料的利用率，节约原料资源。
4应用领域
基于上述特点，生物炼制木质纤维原料正在被广泛应用于新材料、装饰以及替代包装等广泛领域中。
例如，该方法于建筑领域中用来制造具有优质木质效果的新型建筑装饰材料。
此外，由于其出色的耐热性能，以及抗腐蚀性等，在替代包装领域中也非常活跃。
5结论
生物炼制木质纤维原料是一种前沿的新制造工艺，可以大大提高利用木材原料，以及其他木质状态材料的利用率，节约原料资源也更有效地保护环境。
它正在被越来越多地应用于新材料、装饰和替代包装等多个领域，为人类带来了无限可能。
木质纤维素水解发酵制备乙醇的研究
最后对菌种筛选过程中发现的一株能利用纤维素高产红色素的菌种进行初步鉴定,可以作为秸秆利用的一个方向。
2.会议论文陈合.张强酶菌共降解玉米秸秆的研究2007
利用黄孢原毛平革菌固体发酵玉米秸秆降解木质纤维素,第12d时LiP酶活达到最大值11.3u/g,漆酶酶活第15d时达到最大值0.0992u/g。秸秆干基总损失率为18.94%,其中木质素、纤维素、半纤维素的降解率分别达69.8%,18.4%,40.6%;粗蛋白含量从6.34%提高到8.37%。发酵第25d时添加纤维素酶和木聚糖酶进行水解,6d后水解液中还原糖的含量可达0.507g/g秸秆。
将氢氧化钠预处理后残渣中纤维素和半纤维素的乙醇转化、碱处理液中木质素的回收、ห้องสมุดไป่ตู้溶性半纤维素糖类的回收利用进行有机整合,从而实现玉米秸秆各组分的综合利用.对利用玉米秸秆生产燃料乙醇的关键技术进行集成优化,现已在河南天冠燃料乙醇有限公司建成年产300吨纤维乙醇的示范生产线,为进一步实现纤维乙醇的产业化生产奠定了扎实的基础.
采用稀硫酸对玉米秸秆进行预处理,采用DNS法测定玉米秸秆水解液中还原糖的含量,对水解温度、水解时间、稀硫酸质量分数、固液质量比4个因素进行单因素试验分析,再通过正交试验对预处理条件进行优化.试验结果表明,最佳预处理条件:水解温度为121℃,水解时间为1 h,稀硫酸质量分数为
0.6%,固液质量比为10%.
北京化工大学
硕士学位论文
木质纤维素水解发酵制备乙醇的研究
姓名:***
生物质制备生物乙醇醇实验报告
生物质制备生物乙醇醇实验报告生物质制备生物乙醇实验报告一、实验目的本次实验旨在探究利用生物质制备生物乙醇的可行性和最佳工艺条件，为开发可持续的生物能源提供实验依据。
二、实验原理生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。
通过预处理、酶解和发酵等步骤，可以将生物质中的碳水化合物转化为可发酵糖，进而发酵生成生物乙醇。
预处理过程旨在破坏生物质的结构，提高后续酶解的效率。
酶解则是利用纤维素酶和半纤维素酶将纤维素和半纤维素分解为葡萄糖和木糖等单糖。
发酵阶段，微生物（通常为酿酒酵母）在适宜的条件下将单糖转化为乙醇和二氧化碳。
三、实验材料与设备（一）实验材料1、生物质原料：玉米秸秆2、酶制剂：纤维素酶、半纤维素酶3、微生物：酿酒酵母4、化学试剂：硫酸、氢氧化钠、葡萄糖标准品等（二）实验设备1、粉碎机2、高压灭菌锅3、恒温培养箱4、摇床5、气相色谱仪6、分光光度计四、实验方法（一）生物质预处理将玉米秸秆粉碎至一定粒度，用稀硫酸在一定温度和时间下进行预处理，然后用氢氧化钠中和至中性。
（二）酶解将预处理后的生物质加入适量的纤维素酶和半纤维素酶，在一定温度和 pH 值下进行酶解反应。
（三）发酵将酶解液过滤，调整糖浓度，接入酿酒酵母，在一定温度和通气条件下进行发酵。
（四）分析检测1、采用 DNS 法测定酶解液中的还原糖含量。
2、使用气相色谱仪测定发酵液中的乙醇浓度。
五、实验结果与分析（一）预处理条件对生物质结构的影响不同的预处理温度、时间和硫酸浓度对玉米秸秆的结构破坏程度不同。
经过优化，发现预处理温度为_____℃，时间为_____小时，硫酸浓度为_____%时，能够较好地破坏生物质的结构，提高后续酶解效率。
（二）酶解条件的优化研究了酶用量、温度、pH 值和反应时间对酶解效果的影响。
结果表明，在酶用量为_____g/L，温度为_____℃，pH 值为_____，反应时间为_____小时的条件下，酶解液中的还原糖含量最高。
木质纤维素生物炼制
木质纤维素生物炼制实验名称：木质纤维素生物炼制一、摘要生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料。
根据近来研究开发的不同情况，生物炼制分为木质纤维素炼制、全谷物炼制和绿色炼制。
本实验属木质纤维素炼制，这是利用自然界中干燥的原材料如含纤维素的生物质和废弃物作原料进行的生物炼制。
生物炼制大幅扩展可再生植物基原材料的应用，使其成为环境可持续发展的化学和能源经济转变的手段。
纤维素生物转化燃料乙醇对解决当前世界能源危机、粮食短缺和环境污染等问题具有重要意义，已成为当前研究的热点。
二、实验目的、原理2.1实验目的本课程的目的是在生物反应器工程国家重点实验室生物炼制微型工厂公共平台实验室通过进行以类似工厂化的木质纤维素生物炼制流程操作，以玉米秸秆为起始原料经过典型的生物炼制过程生产燃料乙醇。
通过对玉米秸秆的预处理和预处理效果评价以及玉米芯残渣的酶解制糖过程，使学生理解生物炼制工程的基本原理在科学研究和工业生产上的应用，掌握生物炼制工程的基本实验流程和技能，学会正确使用生物炼制专用仪器，观察记录实验数据，并对实验结果进行分析讨论。
2.2实验原理高温稀酸预处理原理：玉米秸秆主要由大分子聚合物纤维素、半纤维素和木质素组成，而且在长期进化过程中演化出了对周围环境、生物酶、病虫害等具有极强生物抵抗性的致密结构。
在高温的酸性环境中，可以促使半纤维素快速降解，破坏木质素的结构和纤维素的晶体结构，提高玉米秸秆中纤维素的酶解转化率。
预处理效果评价及玉米芯残渣糖化原理：在纤维素酶的作用下，将预处理后玉米秸秆中的纤维素/玉米芯残渣中的纤维素组分酶解生成葡萄糖。
三、实验材料、方法3.1原材料与纤维素酶原料：含有木质纤维素的生物质样品：外地产农作物玉米秸秆，用烘箱烘干后备用，采用稀释硫酸进行预处理。
试剂：已知酶活的纤维素酶(20FPU/g)，beta-葡萄糖苷酶(30CBU/ml)，柠檬酸缓冲液：0.1mol/L，3.5%的稀硫酸，调节pH至4.8。
利用木质纤维素联合生物加工生产生物乙醇的展望和新方向
利用木质纤维素联合生物加工生产生物乙醇的展望和新方向李金伟张姗姗（青岛科技大学化工学院，山东青岛266042）摘要：美国能源部能源独立和安全法案要求，到2022年全国的生物燃料产量达到360亿加仑，其中210亿加仑必须来自可再生可持续的原料（例如木质纤维素）。
为达到这个目标，必须研制出能将植物生物质转变成可发酵糖且经济合算的工艺技术。
生产生物乙醇的一种重要途径是利用微生物，通过联合生物加工（CBP）将生物质转化成可发酵糖并将生成的糖发酵成乙醇。
CBP技术一体化程度高，能有效降低生产成本。
关键词：生物乙醇；联合生物加工；木质纤维素中图分类号: TQ223. 122 文献标识码: ＡPerspectives and new directions for the production of bioethanol using consolidated bioprocessing of lignocelluloseLI Jin-wei ,ZHANG Shan-shan(College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao, 266042 China) Abstract:The U.S. DOE Energy Independence and Security Act (EISA) mandated attainment of a national production level of 36 billion gallons of biofuels by 2022, of which 21 billion gallons must be derived from renewable/sustainable feedstocks (e.g. lignocellulose). In order to attain these goals, the development of cost effective process technologies that can convert plant biomass to fermentable sugars must occur. An alternative route to production of bioethanol is the utilization of microorganisms that can both convert biomass to fermentable sugars and ferment the resultant sugars to ethanol in a process known as consolidated bioprocessing (CBP). CBP features cellulase production, cellulose hydrolysis and fermentation in one step.Key words:bioethanol；consolidated bioprocessing；lignocellulose1、引言目前生物燃料的的生产以生物质糖的发酵为主。
纤维原料制备生物乙醇工艺
纤维原料制备生物乙醇工艺
纤维原料制备生物乙醇是一种常见的生物燃料工艺。
以下是纤维原料制备生物乙醇的一般工艺步骤：
1. 原料预处理：选择适宜的纤维原料，如稻草、木材、秸秆等，进行切碎、破碎或研磨处理，以增大表面积，便于后续的酶解和发酵过程。
2. 酶解：将经过预处理的纤维原料与适量的水混合，加入纤维酶，进行酶解反应。
纤维酶可以将纤维原料中的纤维素分解为糖类物质，如葡萄糖。
3. 糖化：将酶解后的糖类物质与适量的酵母菌菌种混合，进行糖化反应。
酵母菌将糖类物质经过发酵作用转化为乙醇和二氧化碳。
4. 发酵：将经过糖化的混合物在恒定的温度和pH值下进行发
酵反应。
发酵时间根据纤维原料类型和工艺条件的不同而有所差异。
5. 蒸馏：将发酵产生的混合物进行蒸馏，以分离乙醇和其他杂质。
蒸馏过程可以使用多级蒸馏塔或其他分离技术进行。
6. 脱水：通过进一步的处理，去除乙醇中的水分，提高乙醇的纯度。
常使用分子筛吸附、蒸馏或其他脱水方法进行。
7. 乙醇精制：对脱水后的乙醇进行精制处理，去除余留的杂质，
得到高纯度的生物乙醇。
需要注意的是，纤维原料制备生物乙醇过程中存在一些挑战，如纤维原料的选择和处理、酶解和糖化过程的优化以及废物处理等问题，需要综合考虑各种因素来优化工艺流程。
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需的能源、材料、大宗化学品、医药等。
物质转化体系的第三次革命
煤炭经济
化石原料（石油）经济 碳水化合物经济
第一代燃料乙醇大量消耗粮食
液体燃料的CO2和能量平衡
纤维素资源来源广、产量大
美国政府的三大目标
2012年：纤维乙醇的生产成本在经济上具有竞争力 2017年：对石油的依赖要降低20％ 2030年：对石油的依赖降低30%
Abengoa
主要试图生产纤维乙醇的公司
Ceres ：利用基因工程开发能源作物用于酒精生产，例如柳 枝秫 switchgrass Chevron/NREL: NREL 的合作者，可发NREL专利 Colusa Biomass Energy (CLME.PK): 利用大米壳生产酒 精 Diversa DVS ：与DuPont合作研究白蚂蚁多种酶降解木材 纤维素 DuPont： 研发纤维素酒精生产技术并产业化 (Dupont/Diversa/Broin). Dyadic DIL 研发酶发生产糖 与Abengoa 合作 Genahol 计划在 Long Beach, CA, Chandler, AZ, Columbus, OH, and Orville, OH建多家纤维素酒精厂 Globex GLXI 研发超临界(SCF) 流体和酶水解结合成产纤 维素酒精
中国的燃料乙醇企业
目前主要原料：谷物、糖类、油脂 近期发展目标：木薯、甘薯、甜高粱 长期发展目标：植物纤维资源
植物纤维类生物质降解转化
纤维质原料
纤维质原料是自然界最丰富的可再生资源，目前尚未 得到充分利用。 利用纤维质原料生产乙醇工艺的研究和开发目前是国 内外寄予厚望的重点。
纤维素转化的社会效益
实现政府的目标，需600个年产1亿加仑 （30 多万吨）的乙醇厂
丰原生化09年产量41万吨。
Abengoa Bioenergy Biomass 及Chesterfield公司
投资：76：700吨的玉米秸秆、麦秸、高粱秆、
柳枝稷以及其他原料/天 计划年产：1140万加仑乙醇（约3.5万吨）， 产生足够的电力以供应生产设施，还有富余 的能源供给周边
ALICO有限公司
投资：3300万美元 拟建厂址：佛罗里达州LaBelle郡
原料：770吨木材、植物废弃物等/天
计划年产：1390万加仑乙醇（约4.2万吨），
6255千瓦电力，以及每天生产8.8吨氢和50 吨氨
BlueFire Ethanol有限公司
投资：4000万美元 拟建厂址：加利福尼亚州Irvine市
可分离纤维素资源组分的物理、化学方法：辐射 处理、粉碎、高压热水、有机溶剂、稀酸、低温浓 酸、酸催化的蒸汽水解、蒸汽爆碎、液氨爆碎、碱 水解及使用非离子表面活性剂等。
稀酸预处理
蒸汽爆碎处理
低温氨爆处理
湿氧化预处理
预处理技术的比较
方法/作用 非催化蒸气爆破 热水 热水（调pH） 热水（流动) 稀酸 稀酸（流动） AFEX ARP 石灰
化石资源是现代工业和现代文明的物质基础
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。
环境问题经济观点全球影响
全球暖化的威胁 超过恐怖主义 普京总统签署正式批准 京都议定书之联邦法令
我们愿意做到超越 京都议定书的要求 即使京都议定书不生效， 欧盟都会坚守承诺
30 25 20 15 10 5
会稳定
改善城市大气质量；实现封闭的碳循环，减
少二氧化碳净排放，减轻温室效应
973计划
2003年：生物催化与生物转化 2004年：极端微生物 生物冶金 秸杆资源高值化利用 2005年：生物基化学品的生化网络 2006年：生物炼制细胞工厂 2007年：生物过程工程优化
“十一五”863计划重点项目
木质纤维素资源的生物精练技术
可持续发展
可再生资源 清洁生产工艺 环境友好产品
生物质资源开发 木质纤维素
生物加工工艺 酶法有机转化
绿色生物产品 生物酒精
目前的工业生产模式不可持续
化石资源－不可再生资源→资源危机
化石燃料－不可再生能源→能源危机 三废排放－生态环境污染→环境危机
廉价石油时代终结了 ---人类必须戒除“油瘾”
未经过预处理：
蔗渣、林产加工废物、食品加工废物……
已经过预处理：
造纸废渣、木糖渣、糠醛渣……
开发原料收集、运输体系
木质纤维素组成：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）。
纤维素的结构
木质纤维素原料组分的分离方法
能源部联合生物能源研究所 DOE Joint BioEnergy Institute
位于加利福尼亚州，属于能源部劳伦斯伯克利国家实 验室（DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory） 合作单位：桑地亚国家实验室（Sandia National Laboratories），能源部劳伦斯利物默国家实验室 （DOE’s Lawrence Livermore National Laboratory），加州大学伯克利分校（University of California - Berkeley），加州大学戴威斯分校 （University of California - Davis），斯坦福大学 （Stanford University）
增加表面积 纤维素脱晶 去半纤维素 去木质素 改变木质素结构
+++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++
------+++ +++ --
+++ +++ +++ +++ +++ +++ + + +
---+ -+ +++ +++ +++
+ + -+ +++ +++ +++ +++ +++
(%)
我国在世界CO2排放中的比例
0 1990
2000
2010
2020
2030
2050
2075
2100年
化石经济，付出了巨大的环境代价（白色污染和温室效应等）
生物质资源开发 是人类继续生存的必然选择
生物质资源为可再生的原料
模仿自然界的生物过程，以酶为催化剂，（逐步地）
以生物可再生资源为原料，来大规模生产人类所急
开发利用生物质能，对于调整能源结构，缓解 化石能源供应的紧张局面，保障国家能源安全，建 立可持续发展的能源供应体系，促进经济社会可持 续发展具有重大意义。
中国的石油生产和需求： -----现状和预测
开发生物质资源的重大战略意义
减少石油进口；平衡外汇收支；保证国家安
全
促进农村经济发展；增加就业机会；保持社
能源部生物能源科学研究中心 DOE BioEnergy Science Center
位于田纳西州，隶属于能源部橡树岭国家实验室
（DOE’s Oak Ridge National Laboratory） 合作单位：乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology），能源部国家可再生能源研究 室（DOE’s National Renewable Energy Laboratory），乔治亚大学（University of Georgia），达特茅思学院（Dartmouth College），田纳西大学（University of Tennessee）
主要试图生产纤维乙醇的公司
ABGOF： Babilafuente (Salamanca), 西班牙， 2007 建立第一家工业化的纤维素酒精厂 Arkenol: 酸水解生产酒精 Archer Daniels Midland ADM： 利用玉米秸杆 Alternative Energy Sources (AENS): 玉米淀粉酒精，计划转 为纤维素酒精 Bioengineering Resources Inc. (BRI)：利用废物生产酒精 BlueFire BFRE ：计划用酸水解法生产酒精. Broin ：美国最大的干磨酒精生产商与Novozymes 和 Dupont 合作 Celunol ：购买了SunOpta 的生物质酒精生产专利，计划2007 在洛杉矶建厂。
纤维素外切酶
纤维素内切酶
葡萄糖苷酶
木糖
半纤维素经碱性水 解或酶解为木糖。
木酮糖
木糖经过木糖异构 酶、木酮糖激酶等 形成木酮糖，这个 途径在很多微生物 中不存在。
原料：700吨分类的绿色废料和来自填埋厂
的木材废料 /天 计划年产：1900万加仑乙醇（约5.7万吨）
Broin公司
投资：8000万美元 拟建厂址：爱荷华州的Emmetsburg
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：du Pont 、 Novozymes 以及能源 部国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）