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1、玉米秸秆发酵生产乙醇的研究进展摘要:秸秆是丰富的可再生资源,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。秸秆经过预处理,水解和发酵可生成乙醇。秸秆生产乙醇的工艺包括预处理,水解和发酵。发酵方法有直接发酵法、间接发酵法、混合菌种发酵法、同时糖化发酵法和非等温同时糖化发酵法以及固定化细胞发酵法。介绍了秸秆生产乙醇几个关键工艺的最新进展。关键词:秸秆,酒精,木质纤维素我国是一个农业大国,各类农作物纤维资源十分丰富,仅秸秆一项就达7亿t吨以上,其中玉米秸秆约2.2亿t吨,这些资源长期没有得到合理的开发。作为农业废
2、弃物的玉米秸秆多以燃料烧掉,其烟雾中含大量的TSP和SO2,造成大气严重污染。近年来生物质能的研究已经成为一个热门的研究课题，利用农业废弃物发酵生产燃料酒精正逐步成为人们研究的热点,玉米秸秆作为一种重要的农业废弃物,受到了广泛的关注。在我国，玉米秸秆除了少部分被利用外，大部分以堆积、荒烧等形式直接倾入环境，造成极大污染和浪费，而且这种直接燃烧的方法热效率很低，只有10%左右。如果将它们转化成气体或液体燃料（酒精、氢气、柴油等）热效率可达30%以上。这样不但缓解人类所面临的资源危机，食物短缺，环境污
3、染等一系列问题，也为人类持续发展提供了保证。1玉米秸秆简介玉米秸秆主要由植物细胞壁组成，细胞壁基本组成是纤维素、半纤维素、木质素，纤维素和半纤维素被木质素层层包裹，纤维素是一种有1000-10000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，多个分子平行排列成丝状不溶性微小纤维，其基本组成单位是纤维二糖,它是地球上最丰富的聚合体。而半纤维素主要是木糖以及少量阿拉伯糖，半乳糖，甘露糖组成，而木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物，对水解纤维素起到屏障作用。到目
4、前为止,还未发现能利用木质素的单聚体来生产乙醇的微生物。半纤维素较易水解为五碳糖，纤维素较困难水解为六碳糖，而木质素一般作为燃料。2玉米秸秆预处理玉米秸秆结构复杂，纤维素、半纤维素不但被木质素包裹，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。3水解工艺秸秆预处理后,需对其进行水解,使其转化成可发酵性糖。水解是破坏纤维素和半纤维素中的氢键,将其降解成可发酵性糖:戊糖和己糖。纤维素水解只有
5、在催化剂存在下才能显著地进行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶,由此分别形成了酸水解工艺和酶水解工艺。3.1酸水解酸、碱水解再经酵母发酵生成法在热酸作用下,纤维素被降解主要转化成葡萄糖;半纤维素则生成多种单糖(木糖、阿拉伯糖、甘露糖等)。木质素则降解成多种单环芳香族化合物。另外还有一些如甲酸、乙酸、糠醛、羟甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等不稳定生成物。在发酵工业上,把这些物质分为两大类:可发酵性糖,主要有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖以及甘露糖等;酒精发酵工业上所谓的“有毒物质”,主要包括各种有机酸、醛类、醇类化
6、合物以及一些无机离子等。纤维素的酒精发酵传统上以酸法水解工艺为主。稀酸水解要求在高温和高压下进行,反应时间几秒或几分钟,在连续生产中应用较多;浓酸水解相应地要在较低的温度和压力下进行,反应时间比稀酸水解长得多。由于浓酸水解中的酸难以回收,目前主要用的是前者。杨斌等研究了硫酸和磷酸水解蔗渣的动力学,并建立了模型。目前生产中存在的主要问题就是酸解条件苛刻,对设备有腐蚀作用,需要耐酸耐压设备和解决水解产物对发酵微生物的“毒性问题”。碱水解也存在着与酸水解同样的问题。近年来,对于纤维素酸解产物毒性问题的研
7、究取得了一定的进展。现在,基本上明确了这种毒性是来源于酸解过程中产生的一些有机酸、醛类化合物。对于它们的作用机理也进行了深入研究,并在此基础上研究了相应的各种解毒方案。但是,更加经济适用的解毒方案还有待于进一步研究。3.2酶水解由于酶解反应条件温和,设备简单,能耗低,污染小,因此纤维素酶解条件的研究得到广泛的重视。从现有的水平来看,采用温和的酶水解技术可能更为合适,酶水解是生化反应,与酸水解相比,它可在常压下进行,这样减少了能量的消耗,并且由于酶具有较高选择性,可形成单一产物,产率较高(>95%)
8、。匈牙利Eniko等人采用NovoYm188等水解经湿氧化处理的玉米秸秆酶解纤维素转化率(ECC)高达85%左右。尽管研究很多年,纤维素酶的成本仍然很高,丹麦诺维信(Novozymes)公司曾经宣布其纤维素酶生产成本已比当初降低了12倍,生产1加仑燃料级乙醇所需纤维素酶的成本已从最初的超过5美元的水平大幅减少到50美分,极大地推进了燃料乙醇的商业化进程。现在该公司又取得了重大进展,纤维素酶生产成本已比最初降低了20倍,生产1加仑燃料级乙醇所需纤维素酶的成本已低于30美分。4发酵工艺
