木质纤维素水解发酵
制备燃料乙醇技术综述
西南交通大学郭曼
摘要：随着科学技术的发展和机械化程度的提高，燃料能源短缺现象日趋严重。开发石化能源的替代品已成为全世界关注的焦点。纤维素乙醇是一种清洁且资源丰富的可再生能源，其具有广阔的发展前景，将成为未来最重要的可再生能源之一。本文综述了纤维素制取乙醇的原理、纤维素乙醇生产技术、国内外纤维素乙醇研究及应用现状、发展纤维素乙醇的意义，分析了纤维素乙醇产业化亟待解决的技术问题，指出了今后研发方向。
关键词：纤维素；乙醇；燃料乙醇
前言
能源是人类赖以生存和发展的基础，它既是国民经济发展的动力，又是衡量综合国力、国家文明发达程度和人民生活水平的重要指标。工业化的发展及人口的膨胀对自然资源的巨大消耗和大规模的开采，已导致地球上现有资源的削弱、退化、枯竭，资源与环境问题已成为当前世界人类面临的重要问题之一。利用新技术创造出新的能源形式以满足人类社会的可持续发展，已成为解决现有能源日益枯竭问题的必要手段。在新能源开发方面，生物技术被认为是最具有发展前景的技术，必将在解决人类所面临的能源危机方面发挥大的作用。
近年来，随着全球经济的快速增长，尤其是亚洲国家新兴经济体的出现，原油消耗量大幅度增加，原油价格持续走高，开发石化能源的替代品已成为全世界关注的焦点。由于生物燃料具有可补充石化燃料资源、降低石油资源对外依存度、减少温室气体和污染物排放的特点，近年来受到世界各国的广泛关注。乙醇能源以其环保、可再生、资源丰富等优点已成为一种重要的替代能源。木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，也是当前利用率最低的资源，是各国新资源战略的重点。中国可利用的木质纤维素每年在7亿吨左右，这些丰富而廉价的自然资源主要来源于农林业废弃物、工业废弃物和城市废弃物。所以，纤维素乙醇是未来发展的必然方向。
1、纤维素生物质制备乙醇技术
纤维素生物质是由纤维素（30-50%），半纤维素（20-40%），和木质素（15-30%）组成的复杂材料。纤维质生物质中的糖以纤维素和半纤维素的形式存在。纤维素中的
六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样，可以用传统的酵母发酵成乙醇。而半纤维素中含有的糖主要为五碳糖，传统的酵母无法经济地将其转化为乙醇每一种植物的确切成分都不尽相同。纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，是地球上最丰富的分子。将木质纤维素类物质转化为燃料乙醇，必须首先将木质纤维素降解为纤维素、半纤维素和木质素，然后纤维素或半纤维素降解为葡萄糖或戊糖，最后将单糖发酵为乙醇。一直以来，将纤维质生物质转化成乙醇是科学家们面对的巨大挑战。酸、高温等苛刻的条件都曾经被用来尝试将纤维素分子打断、水解成单一的糖。
随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。
纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。
2、纤维素酶的分类和作用机制
2.1 纤维素酶的分类
纤维素酶是降解纤维素原料生成葡萄糖的一组酶的总称，它不是单种酶，而是起协同作用的多组分酶系。根据其催化功能不同分为：①内切葡萄糖苷酶（Cx酶），该酶随机水解β-1,4糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素；
②外切葡萄糖苷酶（C1酶），它能从纤维素分子的还原或非还原端切割糖苷键，生成纤维二糖；③β-葡萄糖苷酶（纤维二糖酶），它把纤维二糖降解成单个葡萄糖分子。只有它们协同作用，才能把纤维素分子降解成葡萄糖。
2.2 纤维素酶的作用机制
纤维素酶降解纤维素时，先吸附到纤维素表面，然后其中的内切酶在葡聚糖链的随机位点水解底物产生寡聚糖，外切酶从葡聚糖链的还原或非还原端进行水解产生纤维二糖，β-葡萄糖苷酶水解纤维素二糖为葡萄糖，这三类酶“协同作用”最终将纤维素降解为葡萄糖。
3、利用纤维素制取燃料乙醇的基本原理
纤维素废弃物的主要有机成分包括半纤维素、纤维素、和木质素3部分。前两者都能被水解为单糖，单糖再经发酵生成乙醇，而木质素不能被水解且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解。
半纤维素是由不同多聚糖构成的混合物，聚合度较低，也无晶体结构，故较易水解。半纤维素水解产物主要是木糖，还包括少量的阿拉伯糖、葡糖糖、半乳糖和甘露糖，含量因原料不同而不同。
纤维素的性质很稳定，只有在催化剂存在下，其水解反应才能显著进行。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和酶水解工艺，其中酸水解又可分为浓酸水解工艺和稀酸水解工艺。纤维素经水解可生成葡萄糖，易于发酵成乙醇。
4、利用纤维素制取燃料乙醇的工艺
4.1生物化学法生产纤维素乙醇
从木质纤维素出发生产燃料乙醇，首先必须将生物大分子降解为能够被酵母或细菌代谢合成乙醇的小分子糖类物质。目前工业上使用的流程如图1所示。
图1. 纤维素乙醇的生产流程
生化法生产纤维素乙醇有3个关键步骤，即生物质预处理、纤维素水解和单糖发酵。由于木质纤维素的结构紧凑，纤维素难于被生物酶水解，通过生物质预处理，改变天然纤维的结构，分离纤维素、半纤维素和木质素，增加纤维素与酶的接触面积，可提高纤维素的酶解效率。纤维素酶水解是生产纤维素乙醇的关键步骤，酶水解具有反应条件温和，无剧毒副产物，糖化效率高，可以和发酵过程耦合等优点，是目前最具有优势的纤维素水解技术。
（1）原料预处理
天然纤维素材料的结构性质非常复杂，主要是纤维素的高度结晶性和木质化，阻碍了
酶与纤维素的接触，使其难以直接被生物降解。对大多数天然纤维素材料来说，直接进行酶促水解，酶解率一般都非常低(<20%)，因此必须对原料进行适当预处理，以破坏木质纤维素结构，释放出纤维素和半纤维素。
木质纤维素分子内和分子间存在氢键，聚集态结构复杂且结晶度高、反应活性低。其含有的木质素和半纤维素在空间上可阻碍甚至封闭纤维素分子与酶或化学试剂的接触，酶可及度差，更增加了水解的难度。通过预处理脱除木质素和半纤维素，消除空间障碍，降低纤维素的聚合度和结晶度，同时避免或消除不利于酶解和发酵的因素，有利于纤维素的降解和发酵生产乙醇。木质纤维素生物质的预处理方法主要有：
①. 物理处理法
可破坏木质纤维素生物质的物理结构，降低结晶度，包括球磨、剪切、挤压等，其中最有效的是球磨，但因能耗高而很少采用。
②. 稀酸处理法
用稀酸在较低的温度下处理木质纤维素生物质，可降解其半纤维素，生成单糖和可溶性低聚糖，提高原料的酶可及度及纤维素的可消化性。该法效果较好、成本较低，已得到广泛应用。尤其用于将半纤维素中的木聚糖转化为木糖，再经微生物发酵生产乙醇。
③. 碱处理法
用NaOH、Ca(OH)2等碱性试剂处理木质纤维素生物质，脱除木质素，提高纤维素的酶可及度。预处理对酶解糖化效率和乙醇生产成本影响极大。
④. 湿法氧化处理法
指水、氧化剂等在高温、一定压力下氧化降解木质纤维素生物质的过程。碱性条件可防止纤维素破坏，使木质素和半纤维素溶于碱液，与纤维素分离，且形成的糠醛等副产物较少。
⑤. 蒸汽爆碎处理法
该法是比较有效、低成本和无污染的新技术。向装有木质纤维素生物质的压力罐通入高压蒸汽，使罐温度达到200～240℃左右，维持较短时间(30s～20min)后，突然减压将物料喷出，使物料爆碎。在高温条件下，原料中的半纤维素会迅速分解释放出有机酸，进而发生自水解作用而溶化。细胞间的木质素也能出现熔化，并发生部分降解，变得易被热水、
有机溶剂或稀碱抽提。加上突然减压爆碎的机械分离作用，使植物细胞间质或细胞壁变疏松，细胞游离，纤维素的可消化性明显增强。
（2）纤维素水解糖化
水解主要是为了将纤维素等多糖水解转化为单糖，主要方法包括酸水解法和生物酶水解法。
①酸水解技术
在酸水解工艺中，可以使用盐酸或硫酸，按照使用酸的浓度不同可以进一步分为浓酸水解和稀酸水解。
浓酸水解的原理是结晶纤维素在较低温度下可完全溶解在硫酸中，转化成含几个葡萄糖单元的低聚糖。把此溶液加水稀释并加热，经一定时间后就把低聚糖水解成葡萄糖。浓酸水解的优点是糖的回收率高（可达90%以上），可以处理不同原料，相对迅速（10~12h），并极少降解。
在纤维素的稀酸水解中，溶液中的氢离子可和纤维素上的氧原子相结合，使其变得不稳定，容易和水反应，纤维素长链在该处断裂，同时又放出氢离子，从而实现纤维素长链的连续解聚，直到分解成为最小的单元葡萄糖。
由于酸对生产设备的腐蚀作用，特别是高温条件下稀酸的强烈腐蚀作用，酸水解反应器不得不采用价格昂贵的贵金属合金或非金属材料制造，使得木质纤维素的酸水解技术难以适应燃料乙醇生产规模大、产品附加值低的特点。同时，水解所生成糖还有可能发生进一步分解或聚合反应，水解同时还会产生一些抑制生物生长副产物，给后续酒精发酵带来困难。
②酶水解技术
纤维素的酶降解技术以其反应条件温和的突出特点为大规模开发利用木质纤维素资源开辟了一条全新的途径，尽管在目前条件下，纤维素酶的价格相对于燃料乙醇生产来说还十分昂贵，吨燃料乙醇生产纤维素酶的成本高达一百美元以上，但是我们相信，随着现代生物技术的发展，特别是通过基因工程技术构建纤维素酶表达量高的工程菌株，在蛋白质工程和功能基因组学原理基础上，对纤维素酶分子进行理性设计以提高其催化活性，木质纤维素的酶解技术应用于大规模燃料乙醇生产不会遥远，在美国政府能源部资助下，杰能科(Genencor)公司目前正在研究开发燃料乙醇生产用纤维素酶，并预期到2005年，将燃料乙醇生产用纤维素酶的成本降低到目前的十分之一。
(3) 纤维素乙醇发酵工艺
发酵工艺主要是用微生物将单糖降解为乙醇，结合水解和发酵过程，发酵主要有以下几种工艺：
①水解发酵二段法（SHF）
将纤维素先用纤维素酶糖化，再经酵母发酵成酒精的方法，即水解发酵二段法。这种方法可以分别使用水解和发酵各自的最适条件，但是酶水解产生的产物(纤维二糖和葡萄糖)会反馈抑制水解反应。为了克服水解产物的抑制，必须不断将其从发酵罐中移出。采取方法有：减压发酵法、快速发酵法。
②同步糖化发酵(SSF)
在加入纤维素酶的同时接种酒精发酵的酵母，可使生成的葡萄糖立即被酵母发酵成酒精；酶水解产物葡萄糖由菌体不断发酵而被利用，消除葡萄糖因浓度高对纤维素酶反馈抑制，酒精得率可明显提高。这就是所谓的同步糖化发酵技术。（如图2所示）。该工艺可以提高生产效率，降低成本，但是由于糖化和发酵温度不协调，成为了制约该工艺的一个因素。目前的解决策略是采用耐高温酵母（如假化酵母、克劳林比酵母）发酵产酒精。
③固定化细胞发酵法
固定化细胞发酵具有能使发酵器内细胞浓度提高，细胞可连续使用，使最终发酵液酒精浓度得以提高。
半纤维素水解糖
图2 木质纤维素的同步水解与发酵工艺流程
4.2 生物合成气制取纤维素乙醇法
生物质合成气制备乙醇的方法集成了热化学和生物发酵两种工艺过程。首先，通过气化反应装置把生物质转化成富含CO、CO2和H2的中间气体，这些气体被称作生物质合成气；然后，再通过化学催化转化或微生物发酵技术将其转化为乙醇。生物质合成气制乙醇
工艺过程可将全部生物质通过流化床气化过程转化成合成气，既提高生物质的利用率，也可解决木质素废液的处理问题。
5、纤维素制取燃料乙醇的国内外研究及应用现状
早在20世纪70年代的第一次石油危机时，美国就开始了用秸秆等木质纤维素类物质生产乙醇的研究。在政府大力倡导下，酒精燃料在美国燃料市场上份额已达8%。第一家商业性转化纤维质为酒精工厂1998年l0月由B C International在路易斯安那Jennings破土动工，该厂以蔗渣和稻壳为原料，年产酒精20×106加仑。2006年1月，布什总统提出“先进能源计划”，为美国能源部的清洁能源研究增加22%的投入。因此2007年2月28日美国能源部部长宣布：在今后4年中，能源部将投资3．85亿美元，用于支持包括上述两家加拿大和西班牙公司在内的6个非传统原料(木片、秸秆、柳枝稷等)生物精炼化工厂项目。
在巴西在生产纤维素乙醇方面也走在了世界前列，政府一方面制定政策限制石油消费，一方面开辟大量土地种植糖蔗，利用榨汁后蔗渣发酵生产燃料酒精。在巴西，3/4新车既可以使用乙醇又可以使用汽油作燃料。2003年巴西的双燃料汽车还只占市场总销量的6％，2005年就高达73％。此外，加拿大艾欧基(Iogen)公司和西班牙的Abengoa生物能源公司都在积极尝试大规模工业化生产纤维素乙醇。
我国国内很早关注纤维素乙醇的生产研究，中国科学院早在1980年在广州召开“全国纤维素化学学术会议”，把开发利用纤维素资源作为动力燃料提到议事日程。进入“九五”、“十五”期间，秸秆转化乙醇技术再次受到国家重视。华东理工大学能源化工系颜涌捷教授及其课题组开发的纤维素废弃物稀盐酸水解法制取乙醇技术，被列为国家863重点科研项目。进行了该技术项目的工业性试验，现已在上海郊区集贤建成了年产燃料乙醇600t的实验装置。中国科学院过程工程研究所已在山东泽生生物科技有限公司建立了年产3000t 秸秆酶解发酵燃料乙醇产业化示范工程。河南天冠集团用秸秆生产乙醇的年产300t乙醇的中试生产线已建成投产。由于国内在酶生产技术、戊糖发酵菌株构建等方面还没有取得根本性突破，所以整体说生产技术尚未完全成熟。
6、发展纤维素乙醇技术的意义
生物能源主要有生物柴油和生物乙醇等形式。生物柴油与普通柴油相比，具有可再生、已于生物降解、燃烧污染物排放低、温室气体排放低等特点。但生物柴油仍存在一些缺点，比如菜籽油为原料生产的生物柴油成本高、用化学方法合成生物柴油工艺复杂、能耗高、
设备投入大、酯化产物难于回收，回收成本高等。生物乙醇以淀粉质（如：玉米、马铃薯、大麦、大米、高粱等）、糖质（如：甘蔗、甜酒、糖蜜等）、纤维素（如：农作物秸秆、森林采伐和木材加工剩余物、柴草、造纸厂和造糖厂含有纤维素的下脚料、生活垃圾的一部分等）为原料，经过一系列物理、化学、生物化学过程转化为乙醇，其燃烧所释放的二氧化碳量等于通过光合作用和酒精发酵所固化的二氧化碳量，因此生物乙醇是一种高效清洁的可再生能源。
以玉米、红薯等为原料生产的生物乙醇虽然属于环保能源，但玉米和红薯是人和动物食物的重要来源，而且其生产需要占用良田才可能高产。因此利用玉米和红薯生产生物能源会引起“与人争粮、与粮争地”的问题，经年来出现的食品价格上涨的原因之一就是大量的玉米被用于生产乙醇，以玉米、红薯为原料生产生物乙醇对于我们这样一个人口众多、粮食紧张的大国来说显然不是长远之计。总的来看，生物能源中以纤维素乙醇最有前途，
因为纤维素乙醇相对于生物柴油具有资源丰富、再生周期短、成本低、CO
2和SO
2
等有害气
体零排放、价格低等众多优点，更重要的是用于生产纤维素乙醇的能源作物对土地的适应性较强，在很多未开发利用的荒山荒地都可以种植，这样就不会引发粮食问题，也避免了资源枯竭的威胁，使能源保持持续稳定的发展，这对于满足社会能源需求以及维护能源安全具有十分重要的意义。种植能源作物具有诸多优点。第一，可以减少土壤流失，有利于保护生态环境，第二，通过形成可持续循环的能源利用方式，减少温室效应。能源作物通过光合作用可以吸收大气中的CO
2
，将其转化为能量储藏，并进一步被开发利用，从而良性消耗了社会经济发展与生活中产生的温室气体。第三，能源作物可以作为动物的饲料，而他们的生长区又可以作为动物的栖息地。因此，生物乙醇的利用有助于建立资源节约、环境友好型社会。第四，能源作物的种植离不开土地，劳动又需要人力，发展能源产业又会带动其他相关产业，如运输业、服务业等，因此发展生物能源可以提高农民的就业机会并增加农民的收入，促进产业结构的调整，加速农村城镇化和工业化进程。
7、纤维素乙醇产业化亟待解决的技术问题
需解决的技术问题：纤维素乙醇以可以再生的生物质作为原料，它既不同于石化能源的不可再生性，又不会如石化能源那样大量排放温室气体、硫化物及氯化物等造成环境污染。因此具有传统能源无可比拟的优越性，是未来能源的新宠。但是，现阶段纤维素能源的产业化还有许多亟待解决的问题。（1）木质纤维素原料分散，季节性强，尤其是农作物秸秆。（2）木质纤维素预处理技术有待进一步优化和提高。由于天然纤维素原料的结构复杂的特性，使得其纤维素、半纤维素和木质素三者不能有效分离；另外伴随产生一些中间
副产物，实验表明，这些物质抑制酵母的生长和代谢，最终影响乙醇产率。（3）缺乏高效的纤维酶菌株，现有的纤维素酶制剂效果较低，使得酶解糖化经济成本较高，当前生产一吨纤维乙醇需要酶制剂成本在2200～2600元。（4）缺乏能够同时高效利用戊糖和己糖的发酵菌株。在木质纤维水解中，其中有相当比重的木糖（葡萄糖/木糖约为2）。因此，戊糖的利用是影响纤维乙醇综合成本的关键一项。
8、展望
我国是一个农业大国，有着丰富的生物质资源，大力发展以生物质为原料的第二代生物乙醇对于解决当前石油资源短缺、增加农民收入以及减少环境污染等方面具有十分重要的意义。我国第二代生物乙醇的开发利用仍处于发展初期，需要继续投入，对制约成本的纤维素酶、C5利用和生物质热加工等关键技术，应集中力量进行研究开发，实现纤维素乙醇技术和生物质热化学转化技术的突破，为纤维素乙醇产业提供技术支撑；解决制约纤维素乙醇产业发展的原料供应问题，充分做好能源资源的优化利用，建立工业示范装置，为纤维素乙醇产业发展提供实践经验。纤维素乙醇作为国家重点发展的可再生能源产业，应整合多方力量，实现优势互补，催进产业发展，使其在我国能源结构转变中发挥更大的作用。
结语
近年来，纤维素酶转化木质纤维素生物质生产乙醇取得了重大进展，但要实现产业化还有突破性的工作要做。目前，纤维素原料制燃料乙醇的成本仍然很高，其约因素主要是预处理过程和纤维素酶，因而有待在技术和菌种上进一步突破。
通过对预处理工艺特点的深刻认识，建立低成本的预处理工艺是木质纤维素生产乙醇首先要解决的问题。从自然界选育更好的纤维素酶高效菌株，为其改造奠定基础。基因重组及定位突变技术是选育纤维素酶高产菌株最有效的途径，目前对纤维素酶基因的研究主要集中在产纤维素酶的高产真菌及耐热细菌上。随着生物化学和分子生物学的发展，纤维素酶合成的调节机制将成为研究的一个焦点。
纤维素酶作用机理有待进一步研究，由于纤维素酶的空间结构复杂，加之纤维素酶不易分离纯化、结晶难，应进一步在分离纯化技术和研究方法上进行突破。开展木质纤维素酶解过程的研究，如纤维素酶促进剂和不同来源纤维素酶间的协同作用研究，提高转化效率。
利用微生物代谢工程和基因工程等手段进行商业化糖化发酵酿酒酵母的选育是木质纤维素生产乙醇的关键。采用酶循环和同步糖化（共）发酵工艺优化乙醇生产过程，提高效率。纤维素酶基因在酵母中的表达使直接利用木质纤维素生产乙醇成为可能，前景极为诱人，目前存在的问题是酵母表达外源纤维素酶基因的水平仍然有限。00利用植物基因工程对能源植物进行改造，增加木质纤维素中纤维素含量，降低半纤维素和木质素含量，利于纤维素酶降解；另外使能源植物表达异源高活性纤维素酶，酶表达受诱导调控，可在收获前诱导表达，收获后木质纤维素被内源纤维素酶降解，只须添加少量外源酶就可彻底降解，使酶解木质纤维素资源生产乙醇变得十分简单。
总之，纤维素酶转化木质纤维素生物质生产乙醇具有美好前景。
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羟丙基甲基纤维素（HPMC）生产工艺 反应原理：羟丙基甲基纤维素的生产采用氯甲烷和环氧丙烷作为醚化剂, 其化学反应方程是: Rcell –OH（精制棉）+ NaOH（片碱、氢氧化钠）+ CH3Cl （氯甲烷）+ CH2OCHCH3(环氧丙烷)→Rcell - O - CH2OHCHCH3 （羟丙基甲基纤维素）+ NaCl （氯化钠）+ H2O （水） 化学结构式为： 工艺流程：精制棉粉碎---化碱---投料---碱化---醚化---溶剂回收及洗涤---离心分离---干燥---粉碎---混料---成品包装1：生产羟丙基甲基纤维素的原料及辅料 主要原料为精制棉，辅助材料为氢氧化钠（片碱）、环氧丙烷、氯甲烷、醋酸、甲苯、异丙醇、氮气。（精制棉粉碎的目的：通过机械能破坏精制棉的聚集态结构，以降低结晶度和聚合度，增加其表面积。） 2：精确计量与原料质量控制 在设备一定的前提下，任何主副原材料的质量及加入量和溶剂的浓度比例都直接影响产品的各项指标。生产过程体系中含有一定量的水，水与有机溶剂并非完全互溶，水的分散度影响碱在体系中分布。若没有充分搅拌，则对纤维素均匀碱化与醚化不利。
3：搅拌与传质传热 纤维素碱化、醚化都是在非均相（利用外力搅拌均匀）条件下进行的。水、碱、精制棉及醚化剂在溶剂体系中的分散与相互接触是否充分均匀，都会直接影响碱化、醚化效果。碱化过程搅拌不匀，会在设备底部产生碱结晶而沉淀，上层浓度低碱化不够充分，结果是醚化结束后体系还存在大量自由碱，但是纤维素本身碱化不够充分，产品取代不均匀，从而导致透明度差，游离纤维多，保水性能差，凝胶点也低，PH值偏高。 4：生产工艺（淤浆法生产过程） （1：）向化碱釜内加入规定量的固体碱（790Kg）、水（系统总水量460Kg），搅拌升温至80度恒温40分钟以上，固态碱完全溶解（2：）向反应釜加入6500Kg的溶剂（溶剂中异丙醇与甲苯的比值为15/85左右）；将化好的碱压入反应釜，压碱后向化碱釜喷淋200Kg溶剂以冲洗管道；反应釜降温至23℃，将粉碎精制棉(800Kg)加入，精制棉加入后喷淋600Kg溶剂开始碱化反应。粉碎精制棉加入必须在规定时间（7分钟）内完成（加入时间长短很重要）。精制棉一旦与碱溶液接触，碱化反应就开始了。加料时间太长，会因精制棉进入反应体系的时间不同而使碱化程度有差异，导致碱化不均匀，产品均匀性降低，同时会引起碱纤维素与空气长时间接触发生氧化降解，导致产品粘度下降。为得到不同粘度级别的产品，可在碱化过程中抽真空、充氮，也可加入一定量的抗氧剂(二氯甲烷)。碱化时间控制在120min，温度保持20-23℃ （3：）碱化结束，加入规定量的醚化剂（氯甲烷和环氧丙烷），升温至规定温度并在规定的时间内进行醚化反应。醚化条件：氯甲烷加入量950Kg，环氧丙烷加入量303Kg。加入醚化剂冷搅40分钟后升温，醚化一段温度56℃、恒温时间2.5h，醚化二段温度87℃，恒温2.5h。羟丙基的反应在30℃左右即能进行，50℃时反应速率大大加快，甲氧基化反应在60℃时缓慢，50℃以下更弱。氯甲烷和环氧丙烷的量、比例和时机以及醚化过程的升温控制，直接影响产品结构。
木质纤维素预处理技术研究进展 朱跃钊1,卢定强2,万红贵2,贾红华2 Ξ (1 南京工业大学 机械与动力工程学院,南京 210009;2 南京工业大学 制药与生命科学学院,南京 210009) 摘 要:详细评述了木质纤维素的预处理工艺研究进展,特别是浓酸低温水解-酸回收工艺、稀酸二阶段水解工艺、金属离子在稀酸水解过程中的助催化作用以及水蒸汽爆裂、氨纤维爆裂、C O 2爆裂、酶催化水解等方法的研究进展情况。木质纤维素原料预处理技术发展为发酵生产乙醇技术的研究开发奠定了坚实基础。关键词:木质纤维素;乙醇;水解;发酵 中图分类号: Q539+13 文献标识码:A 文章编号:167223678(2004)0420011206 Progresses on treatment of lignocellulosic material ZHU Y ue 2zhao 1,LU Ding 2qiang 2,WAN H ong 2gui 2,J I A H ong 2hua 2 (1 C ollege of Mechanical and P ower Engineering ,Nanjing University of T echnology ,Nanjing 210009,China ; 2 C ollege of Life Science and Pharmacy ,Nanjing University of T echnology ,Nanjing 210009,China )Abstract :Progress of study on technology of pre 2treatment of lignocellulose is reviewed in this paper.With the exhaustion of oil and rising price of oil ,studies on ethanol production from lignocellulosic material were attra 2tive 1Cellulose and hemicellulose in lignocellulosic material can be converted to sugar via s ome suitable treat 2ments ,and then can be used in the production of ethanol by fermentation further 1The progresses on technology of pre 2treatment of lignocellulosic material were reviewed and commented ,especially the hydrolysis processes via concentrated acid ,tw o 2stage diluted acid ,and catalysis of metal ion in diluted acid 1Several different pre 2treatment methods for cellulase hydrolysis ,such as steam explosion ,aminonia fiber explosion ,C O 2explosion ,acid treatment and enzymatic hydrolysis method ,were reviewed 1The advanced pre 2treatments of lignocellulosic material has laid a concrete basis for ethanol production at a large commercial scale 1K ey w ords :lignocellulose ;ethanol ;hydrolysis ;fermentation 随着现代工业的发展和世界人口的激增,能源危机日趋加剧。专家估计,可开采石油储量仅还可供人 类使用大约50年,天然气还可用75年,而煤炭则为200～300年[1]。目前,世界各国纷纷展开新能源,特别是可再生生物能源的研究与开发。生物能源主要有生物乙醇、生物柴油、沼气、氢气和燃料电池等,其 中以生物乙醇的研究与生产最引人注目。生物法生产的乙醇在一些国家和地区正广泛使用。巴西每年 以甘蔗作为原料,生产1100万t 燃料乙醇。美国则每年大约生产550万t 以上的燃料乙醇。目前我国乙醇年产量为300多万t ,仅次于巴西、美国,列世界第三[2]。其中发酵法乙醇占绝对优势,80%左右的乙醇 Ξ收稿日期:2004211201 基金项目:国家重大基础研究项目(2003C B71600)作者简介:朱跃钊,男,副研,研究方向:热能工程。联系人:卢定强,男,副研,研究方向:生物化工。 第2卷第4期2004年11月 生物加工过程 Chinese Journal of Bioprocess Engineering Nov.2004?11 ?
纤维素生物酒精生产关键技术简要分析 李 明 姚 珺 翁 伟 吴 彬 吴 畏 湖南农业大学工学院 摘 要：全球气候变暖和自然资源的枯竭，纤维素生物酒精研究是热点之一。纤维素生物质作为生产生物酒 精的原料，转化技术难度大，尚不成熟。该文主要对纤维素生物质生物酒精生产过程进行了分析， 提出有待解决的问题，并讨论关键技术。得出生物质机械化收集方式能有效保证生物质原料的数量 和减少原料成本；通过基因工程途径构建生产纤维素酶提高酶适应性和活性，加快水解效率和增强 耐热性能；开发节能精馏装置和注重转化后废物利用。农业工程、生物化学、基因工程等多学科的 综合发展将实现纤维素生物酒精工业化。 关键词：生物能源，生物酒精，生物质，纤维素，生产过程 0 引 言 由于温室气温排放导致全球气温变暖，自然石化资源短缺，生物能源成为世界上研究热点。中国是世界上消耗石油第二的国家，大约占全世界总量的6%[1]。国际能源中心（IEA）估计中国到2030年每天消耗1.4×107桶汽油；随着汽车工业的发展和普及，2020年，汽车的使用量从2004年大约2.4×107台增加到90-140×107台，运输所需的能源从现在比例约33%发展到57%左右，每天的所需量从目前的1.6×107桶到5.0×107桶。因此，到2030年，温室排放气体将增长至7.14Gt/年[2]。对石油的需求导致中国更加依赖进口石油，2030年，75%的石油将依靠进口[2]。因此，中国面临能源需求、国家能源安全和环境污染的挑战。中国作为发展中发展最快，世界上人口最多的国家，在经济快速发展和国际地位大幅提升的基础，应该发挥其主导作用，制定研究政策和目标，开发利用可持续“中性碳”能源，其中包括生物酒精的生产和使用[3]。 纤维素生物质转化成生物酒精是世界上生物能源发展的热点研究之一[4-8]。纤维素生物质主要包括农业残渣（水稻、玉米等秸秆）、森林残渣（树枝、锯末）、废弃物（废纸）、草本植物（芦竹）和木质植物（麻疯树、杨树），资源非常丰富，中国仅秸秆一年约有8.4 亿吨[9]，林木废弃物约2亿吨[10]；到2030年，每年农作物残渣量达5.53EJ；森林残渣达0.9EJ（3/4来自木材加工，1/4来自森林残枝残叶）；加上生物质能源种植（每公顷平均产量15吨干，10%的土地可以作为种植面积[10]），统计计算，每年可以提供约23EJ的能源，相当于6000亿升的石油。而根据IEA的预测，2030年中国需要12.4EJ 的交通运输液体能源[1]。如果能够充分利用木质纤维素生物质，提高转化技术，生成酒精，中国可以足够满足运输能源的需求。通过转化生成生物酒精使用是中性碳排放过程，减少温室气体排放，有利于环境和资源的平衡利用。 世界上纤维素生物质转化生物酒精的技术基本上处于研究阶段[11-15]。我国在纤维素生物质转化生物酒精的技术方面起步较晚，还是处于初步研究阶段[16-17]。本文主要对纤维素生物质生物酒精生产过程中关键技术进行简要分析，指出存在的难点和可能性的解决方法以便进一步深入研究。 1 纤维素生物酒精生产 1.1 纤维素生物质作为生物酒精原料的特征 糖类和淀粉转化酒精的工程通过发酵，在世界上已经实用化；草本纤维素和木材纤维素转化酒精正处于实用化过程研究阶段。从生物质转化为生物酒精的容易程度来比较可以得出：糖类 > 淀粉 > 草本纤维素 > 木材纤维素[4] 。 淀粉：葡萄糖分子同序排列 纤维素：葡萄糖分子交错排列 图1 淀粉和纤维素分子简图
1. 200880112852 包括２－丙烯酰氨基甲基丙烷磺酸的两亲性共聚物和任选的纤维素烷基醚和／或烷基纤维素烷基醚的加香组合物 2. 86101979 采用新型羟丙基甲基纤维素醚作为悬浮剂聚合氯乙烯的方法 3. 88104545 ３－烷氧基－２－羟丙基纤维素醚衍生物的组合物及其在建筑胶料中的应用 4. 89102682 一步法合成交联羧甲基羟丙基纤维素复合醚工艺 5. 89102657 非离子型纤维素醚用于添加剂、缝密封材料及涂层材料 6. 89101622 用作氯乙烯悬浮聚合的悬浮剂及有机液体增稠剂的**丙基甲基纤维素醚类 7. 91100348 一步法合成交联羧烷基羟烷基纤维素复合醚工艺 8. 93120890 高度取代的羧甲基磺乙基纤维素醚及其用途 9. 93120888 高度取代的羧甲基磺乙基纤维素醚及其生产工艺和在纺织品印花油墨中的应用 10. 95190826 含有纤维素醚的热凝胶药物转运载体 11. 96114639 快速混媒法生产食(药)用级羧甲基纤维素醚的工艺 12. 96101672 聚阴离子纤维素醚防伪线及其在商品防伪包装上应用 13. 98808434 纤维素醚和涂敷过的片状载体材料上固定生物分子的方法 14. 98805409 纤维素醚淤浆 15. 98107714 含有2-丙烯基的纤维素醚及其在聚合中作为保护胶体的用途 16. 99808663 增稠性能改善的非离子纤维素醚 17. 99800835 改性纤维素醚 18. 99813715 制备低粘性水溶性的纤维素醚的方法 19. 00118796 把纸浆粉碎为粉末的方法和制造纤维素醚的方法 20. 00111228 高取代羟丙基纤维素醚及其制备方法 21. 00811009 包含疏水改性的纤维素醚的头发调理组合物 22. 00108603 水溶性纤维素醚组合物及胶料
木质纤维素糖化关键技术 木质纤维素是一种重要的可再生资源，目前主要应用于高蛋白饲料的原料、为生物燃料及化学原料三个领域。但是由于天然木质纤维素的化学成分及结构都十分复杂，使其转化为工业发酵可利用的小分子糖类，需通过有效的预处理工艺及利用大量的多种糖苷水解酶共同作用，才能对其进行有效地生物降解。。因此，一直以来木质纤维素生物转化利用中，所遇到的主要瓶颈是水解过程中糖苷水解酶的种类和用量的高需求及降解方式的低效率，这也是造成纤维素生物转化利用高成本的主要原因。 基于上述原因，本实验室主要开展一下关键技术研究并取得一定进展： 一、纤维素酶高产菌种开发： ①B -葡萄糖苷酶菌种：通过筛选及一次DNS诱变获得H16桧状青霉菌种邙- 葡萄糖苷酶酶活达100IU/ml （纤维二糖底物）以上，远远高于里氏木霉和黑曲霉的B-葡萄糖苷酶酶活力，且其Km是已经报道的真菌胞外B -葡萄糖苷酶最低的，表示具有高纤维二糖 结合能力。 ②全酶系高产纤维素酶菌种：基于组合诱变及基因工程技术具有独立知识产权、兼具木霉青霉特性全酶系纤维素酶高产菌株，目前完成了两种菌种的原生质体融合，最终创制纤维素水解平衡酶系高产菌种。 二、底物特异性高效水解酶系制备： ①酶系制备：基于里氏木霉诱变菌种DES-15 （自RUT-C30诱变获得，表 现菌丝分支多且短的优异发酵性状）及多尺度数学模型控制下的发酵工艺（建立养分消耗、菌丝生长及纤维素水解等模型进而优化发酵工艺），目前在200L 罐发酵原液滤纸酶活达到25FPU 以上；
②酶系复配：利用上述酶系，基于木质纤维素组成成分以及结构的差异，调整不同酶及非酶组分组成及用量，制备底物专一性高效复配酶系。目前通过酶系平衡配比以及部分添加剂的使用，滤纸酶活达到35FPU/ml 以上。 三、新型预处理技术： 基于桧状青霉小分子蛋白木质纤维素改性机理解析基础上，建立了藻类类生物预处理技术以及气爆玉米秸秆生物与物理化学预处理相结合的新型工艺。其中利用自由基对藻类细胞壁瞬间预处理后，其转化成还原糖的能力提高了70%，效果显著优于酸碱等预处理工艺，因此可以用于藻类生物炼制以及能源化利用。该预处理方式具有用时短，反应条件温和，成本低，不存在抑制物等优点。
纤维素的水解 一、实验目的 1.了解纤维素水解的实验过程和操作方法。 2.掌握纤维素水解实验的操作技能和演示方法。 3.熟练掌握浓硫酸的稀释过程，以及安全问题。 4.复习含有醛基的有机物的性质。 二、实验原理 纤维素在一定温度和浓硫酸提供的酸性环境条件下，发生水解，最终生成葡萄糖： (C 6H 10O 5)n +nH 2O nC 6H 12O 6 纤维素 葡萄糖 葡萄糖分子中含有醛基，因此具有较强的还原性，在碱性条件下能将新制得的氢氧化铜还原为红色的Cu 2O 沉淀；能和银氨溶液在水浴加热下发生银镜反应。反应方程式为： C 6H 12O 6+Cu(OH)2 (C 5H 11O 5COO)2Cu+Cu 2O ↓+H 2O C 6H 12O 6+2Ag(NH 3)2OH C 5H 11O 5COONH 4+3NH 3+2Ag↓+H 2O 三、实验仪器与试剂 烧杯（50mL 、250mL ）、石棉网、三脚架、试管、试管夹、酒精灯、玻璃棒。 滤纸、浓H 2SO 4、NaOH 、5% NaOH 溶液、pH 试纸、无水Na 2CO 3、2% AgNO 3溶液、5% CuSO 4溶液、2% 氨水、蒸馏水。 四、实验步骤 1．按浓硫酸与水7:3（体积比）的比例配制H 2SO 4溶液20mL 于50mL 的烧杯中。搅拌均匀后，冷却至室温。 2．取圆形滤纸半片撕碎，向小烧杯中边加边用玻璃棒搅拌，使其变成无色粘稠状的液体，然后将烧杯放入水浴（用250mL 烧杯代替水浴锅）中加热约10min ，直到溶液显棕色为止。 3．取出小烧杯，冷却后将棕色溶液倾入另一盛有约20mL 蒸馏水的小烧杯中，用移液管取该溶液1mL 注入一大试管中。用固体NaOH 中和溶液，直至溶液变为黄色，再加无水Na 2CO 3调节溶液的pH 至9。加入少量去离子水，将溶液稀释为约10mL 。 4．洗干净试管（加入少量碱液加热，而后用去离子水清洗干净），配置银氨溶液。取3mL2% AgNO 3溶液于试管中，逐滴加入2% 氨水至生成的白色沉淀恰好溶解。将3中溶液取3mL 滴加到盛有银氨溶液的试管里，水浴加热。一段时间后，可观察到试管壁上有光亮的银镜生成。将反应后液体倒入废液缸，向试管中加入少量稀HNO 3溶解银镜，回收。 5．取一只洁净试管，加入少量5% CuSO 4溶液，而后滴加5% NaOH 溶液，加热 加热 浓硫酸
纤维素醚检验方法 1外观： 在自然散射光下目测。 2粘度： 取400 ml 高搅烧杯称重，并称取294g水置入其中，开搅拌机，然后加入称取的纤维素醚 6.0 g；并不断的搅拌直至全溶，使其溶解配制成2%溶液；放置于实验温度（20±2）℃下3-4 h后；用NDJ-1型旋转粘度计测试，测试时选择合适的粘度计转子号数与转子转速。旋上转子并放入溶液中静置3-5分钟后；打开开关，待数值稳定后，记录结果 注：(MC 4万、6万、7.5万）选择4号转子，转速6转。 3水中溶解状态： 配置成2%的溶液过程中，观察溶解的过程、速度。 4灰分： 取瓷坩埚在马费炉中灼烧后，放在干燥器中冷却，称重，直至恒重后备用。精确称取（5~10）克试样于坩埚中，将坩埚先在电炉上焙烧，达到完全碳化后，放入马费炉中灼烧约（3～4）h，再放入干燥器中冷却，称量，直至恒重。 灰分计算（X）： X = (m2-m1) / m0×100 式中：m1——坩埚质量，g； m2——灼烧后坩埚与灰分总质量，g； m0——试样质量，g； 5含水量（干燥失重）： 称取5.0g 样品于快速水分测定仪托盘上，精确调节至零位刻度线。升温并调节温度于（105±3）℃之间。待显示刻度不动时，记下数值m1（称量精度为 5mg ）。 含水量（干燥失重X（%））计算： X = ( m1 / 5.0) ×100 高效减水剂与水泥相容性检验方法 1、主题内容与适用范围 本方法适用于在试验室内比较高效减水剂与不同水泥的相容性。当使用矿物掺合料时，本方法也可用于比较高效减水剂与不同混合胶凝材料的相容性。 2、引用标准
本方法参照《混凝土外加剂匀质性试验方法》GB8077-87规定的净浆流动度试验方法。 3、高效减水剂与水泥相容性的检测方法如下： 3.1、仪器设备 1）水泥净浆搅拌机； 2）截锥形圆模：上口内径36mm，下口内径60mm，高度60mm，内壁光滑无接缝，为金属或有机玻璃制品； 3）玻璃板（400mm×400mm）； 4）钢直尺（至少400mm）； 5）刮刀 6）药物天平（称量100g，感量0.1g） 7）药物天平（称量1000g，感量1g）。 3.2、试验步骤 1）调整玻璃板至水平位置，将锥模置于水平玻璃板上，锥模和玻璃板均用湿布擦过，并将湿布覆盖上面； 2）称取水泥900g，倒入用湿布擦过的搅拌锅内； 3）加入4.5g粉状高效减水剂及261g或315g水，搅拌4min； 4）将拌好的水泥浆，迅速注入锥模内并用刮刀刮平，将锥模按垂直方向迅速提起，30s时量取互相垂直的两直径（mm），取其平均值作为水泥净浆的流动度。5）30min和60min后，继续搅拌余下的水泥浆，并按上述方法测定相应时间的流动度。 3.3、试验结果处理 1）测定高效减水剂与不同水泥品种相容性，流动度值取三个试样的算术平均值，绘制流动度随时间变化的曲线，得出结论； 2）需注明所用高效减水剂和水泥的品种、标号、生产厂；如果水灰比（水胶比）或高效减水剂掺量与本规定不符，也应注明。 砂浆减水率检验方法 1、主题内容与适用范围 本方法规定了水泥胶砂流动度测定的仪器和操作步骤。 本方法适用于火山灰质硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥和掺有火山灰质混合材料的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥及指定采用本方法的其他品种水泥的胶砂流动度测定。 2、引用标准 GB177水泥胶砂强度检验方法 GB178水泥强度试验用标准砂 JBW 01-1-1水泥胶砂流动度标准样 3、砂浆减水率的检测方法如下： 3.1、仪器设备
木质纤维素预处理方法的研究进展 摘要:概述了几种比较实用的木质纤维素预处理技术,总结了各种预处理技术的方法?原理以及优缺点,进而对木质纤维素预处理方法的发展前景进行了展望? 关键词:木质纤维素;预处理方法;研究进展 Research Advances of Pretreatment Technology of Lignocellulose Abstract: Some practical pretreatment technologies of lignocellulose were briefly introduced, including the main methods, principles, advantages and disadventages. And the development prospect of pretreatment technology of lignocellulose was put forward. Key words: lignocellulose; pretreatment method; research progress 随着世界经济的不断发展和石油资源的日益消耗,开发更加长久有效的能源是各国面临的一个巨大难题?作为一种可再生能源,生物质能源是中国能源可持续发展的必然战略选择之一?利用木质纤维素生产生物乙醇?丁醇等生物质燃料是生物质能源开发的重要内容?我国天然纤维素原料非常丰富(包括农作物秸秆?林业副产品?城市垃圾和工业废弃物等),利用生物技术分解和转化木质纤维素既是资源利用的有效途径,对于解决环境污染?食品短缺和能源危机又具有重大的现实意义? 1 木质纤维素的结构 木质纤维素是指以纤维素?半纤维素和木质素为主要成分的原料,3种成分在植物原料中的含量分别为35%~50%?15%~25%和15%~30%?纤维素是聚合度在 1 000~10 000的葡萄糖的线性直链聚合物,由结晶相和非结晶相交错形成,结晶相结构致密,阻碍纤维素的分解?半纤维素结构较纤维素简单,主要是由木糖?阿拉伯糖等戊糖及少量的葡萄糖?甘露糖和半乳糖等己糖形成的直链或支链聚合物,在适宜的温度下易于溶解在稀酸溶液中并降解成单糖?木质素是一种由苯丙烷结构单体组成的具有复杂三维结构的芳香族高聚物,在植物结构中发挥胶粘作用,将纤维素和半纤维素紧密结合在一起,增大茎秆的机械强度,起到木质化作用,阻碍微生物对植物细胞的攻击,同时减小了细胞壁的透水性?纤维素和半纤维素作为可酵解糖类,占原料总重的65%~75%[1]? 2 预处理的目的 木质纤维素的转化利用可分为原料预处理?酶水解和糖发酵3个阶段,主要的技
羟乙基纤维素的合成及应用 羟乙基纤维素（HEC ）是一种非离子型的水溶性纤维素醚。外观为白色至淡黄色的无毒、无味纤维状或粉末状固体。被广泛应用于石油开采、日用化工、建筑、涂料、高分子聚合等领域，近年来在医药方面的应用也越来越得到重视。 1 生产工艺 1.1 气相法和液相法 气相法和液相法这2种生产工艺都需预先制备碱纤维素，将纤维素于20℃左右浸渍于18%（质量）左右的NaOH 中脱脂、醚化反应后经过中和、洗涤、干燥、粉碎，获得最终产品。 合成HEC 的主要反应方程式如下： a ．碱活化反应 [C 6H 7O 2(OH)3]n + nNaOH [C 6H 7O2(OH)2ONa]n + nH 2O 该反应先在纤维素分子中葡萄糖单元的伯羟基然后在仲羟基上发生碱化，使纤维素分子间的氢键力减弱或被破坏，碱化后的纤维素溶解于高浓度的碱液中。 b.醚化反应 在上述碱纤维素溶液中加入环氧乙烷，随即发生醚化反应： O C 6H 7O 2(OH)2OH ·NaOH + CH 2 2 C 6H 7(OH)2OCH 2CH 2OH 醚化的产物可以和环氧乙烷进一步反应，或使侧链增长，或使侧链数目增加。 （1） 气相法 气相法又分为直接气固法和真空气固法。 ①直接气固法制HEC 的生产过程：棉纤维脱脂、挤干，与环氧乙烷在44～46℃下直接反应1～2小时制取。该法过程简单，但产品粘度太低。 ② 真空充氮气固法制取HEC 的生产过程：把反应器抽成真空，充氮两次，加入环氧乙烷，在真空度9.064×104Pa 、27-32℃下反应3～3.5小时得到产品HEC 。此法虽然生产过程简单，但环氧乙烷消耗量大，反应时间较长，最终产品成本高。工艺框图见图1。
木质纤维素预处理技术 单独某一种预处理方法并非对任何原料都有较好的效果。目前的木质纤维素预处理方法有很多种，可分为物理法、化学法、物理化学法、分步组合法和生物法几大类。 1物理方法 物理方法预处理主要是增大比表面积、孔径，降低纤维素的结晶度和聚合度。常用的物理方法包括机械粉碎、机械挤出、高能辐射等[1]。 1.1机械粉碎 机械粉碎即将物料切碎、碾磨处理成10～30mm或0.2～2mm的颗粒，比表面积增高，结晶度、聚合度降低，可及度增加，有利于提高基质浓度和酶解效率，但不能去除木质素及半纤维素。 粉碎分为干粉碎、湿粉碎，包括球磨、盘磨、辊磨、锤磨、胶体磨、机械挤出等，胶体磨适用湿物料，而球磨对干、湿物料都适合。 由于粒径与能耗相关，经济性不高，效果单一，故粉碎常与其他方法相互补充[2]。研究表明，甘蔗渣、麦秆经球磨与盘磨粉碎后酶解率及乙醇得率均显著提高；经宽角X射线衍射分析，球磨主要通过降低结晶度改善酶解，而盘磨则主要依靠去纤维化。机械挤出是一种应用前景良好的预处理新技术，处理效果受到设备尺寸及参数的影响。物料通过挤出器时在热、混合和剪切作用下引起物理、化学性质的改变，依靠螺旋挤出转速及温度打破木质纤维结构，引发去纤维化、纤维化效应，缩短纤维长度，改善了酶对底物的可及性[1]。 1.2高能辐射 高能辐射是用高能射线如电子射线、γ射线对原料进行预处理，可使纤维素聚合度下降，降解为小纤维片段、寡葡聚糖甚至纤维二糖，使结构松散，打破纤维素晶体结构，增加反应活性。 采用γ射线辐照处理秸秆，可使纤维素酶解转化率提高至88.7%。KIM等[3]证明电子束照射确实能增加纤维素的酶解率：稻秆用80kGy、0.12mA、1MeV的电子束照射后酶解葡萄糖得率达52.1%，比直接酶解的22.6%增加近30%。 2化学方法 2.1酸预处理 酸法是研究得最早、最深入的化学预处理方法，分为低温浓酸法和高温稀酸法。低温浓酸(如72%H2SO4、41%HCl、100%TFA)处理效果通常优于高温稀酸，能溶解大部分纤维素和半纤维素，但是其毒性、腐蚀性及危害大，需要特殊的防腐反应器，酸回收难度较大，后期中和需消耗大量的碱，因此应用受到限制[2]。稀酸法是目前较常用而成熟的方法之一，生物质在较高温度(如140～190℃)和低浓度酸(如0.1%～1%硫酸)作用下，可实现较高的反应速率，半纤维素组分几乎100%除去，纤维素的平均聚合度下降，反应能力增大，酶水解率显著提高，但去除木质素不很有效。稀酸法因其效果好、污染少成为研究的热点并获得了较大进展，如美国国家可再生能源实验室(NREL)开发了比较成熟的稀硫酸预处理—酶解发酵工艺并建成了中试装置。稀酸法最大的缺点是产生副产物如甲酸、乙酸、糠醛、羟甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等，即影响酶解又抑制微生物生长和发酵。稀酸法可在较高温度(180℃)处理较短时间(5min)也可在较低温度(120℃)处理较长时间(30～90min)，温度和酸浓度越剧烈预处理效果越好，但抑制产物会增加。 CHEN等[4]提出“半纤维素/纤维素分离-分步发酵”(XCFSF)工艺路线，玉米芯经稀硫酸预处理后木糖得率为78.4%，纤维素回收率为96.81%，水解木糖和纤维素残渣酶解后的糖液发酵乙醇，酶解残渣同步糖化发酵(SSF)，最终将70.4%的半纤维素和89.77%的纤维素转化为乙醇。酸可以用硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、碳酸等无机酸，也可用乙酸、丙酸、草酸等有机酸。将蔗渣在高于160℃条件下经稀磷酸预处理，可有效水解半纤维素为单糖，且副反应少[5]。用80%乙酸、0.92%硝酸在120℃处理麦秆20min，81%的半纤维素和92%的木质素被水解或
木质纤维素的酶水解 Biological conversion of cellulosic biomass to fuels and chemicals offers the high yields to products vital to economic success and the potential for very low costs. Enzymatic hydrolysis that converts lignocellulosic biomass to fermentable sugars may be the most complex step in this process due to substrate-related and enzyme-related effects and their interactions. Although enzymatic hydrolysis offers the potential for higher yields, higher selectivity, lower energy costs and milder operating conditions than chemical processes, the mechanism of enzymatic hydrolysis and the relationship between the substrate structure and function of various glycosyl hydrolase components is not well understood. Consequently, limited success has been realized in maximizing sugar yields at very low cost. This review highlights literature on the impact of key substrate and enzyme features that influence performance, to better understand fundamental strategies to advance enzymatic hydrolysis of cellulosic biomass for biological conversion to fuels and chemicals. Topics are summarized from a practical point of view including characteristics of cellulose (e.g., crystallinity, degree of polymerization and accessible surface area) and soluble and insoluble biomass components (e.g., oligomeric xylan and lignin) released in pretreatment, and their effects on the effectiveness of enzymatic hydrolysis. We further discuss the diversity, stability and activity of individual enzymes and their synergistic effects in deconstructing complex lignocellulosic biomass. Advanced technologies to discover and characterize novel enzymes and to improve enzyme characteristics by mutagenesis, post-translational modification and over-expression of selected enzymes and modifications in lignocellulosic biomass are also discussed. 基于酶水解技术基础上的纤维素乙醇生产技术是20世纪80年代生物质技术的主要研究领域，自从20世纪70年代“能源危机”之后，美国能源部一直积极支持规模以上乙醇生产，并建立独立部门用于管理和支持这项工作。虽然通过纤维素酶水解纤维素生物质产生的生物燃料和化学产品提供了更高的收益率，较高的
收稿日期:2000-11-13 3基金项目:广东省科技厅研究经费资助项目 作者简介:黄少斌(1964-),男,副教授,主要从事天然高分子改性和环境化工研究.文章编号:1000-565X(2001)07-0066-04 反应工艺对纤维素醚化反应效果的研究3 黄少斌 郭璇华 (华南理工大学应用化学系,广东广州510640) 摘 要:用精制棉纤维素为原料,分别用捏合机和搅拌式反应釜进行纤维素的醚化反应活性研究,并分别用氯乙醇和一氯乙酸为醚化剂,制备羟乙基纤维素和羧甲基纤维素.研究结果表明,在高强度搅拌的情况下,采用搅拌式反应釜进行纤维素的醚化反应,纤维素有较好的醚化反应活性,表现在醚化反应效率提高、产品在水溶液中的透光性增强等方面皆比用捏合机的方法好.因此提高反应过程的搅拌强度,是研制取代均一性好的纤维素醚化产品的较好方法. 关键词:醚化反应;纤维素;羟乙基纤维素;羧甲基纤维素 中图分类号:TQ325.7 文献标识码:A 在我国,精制棉纤维素醚产品的研制,普遍用溶媒法[1～2],用捏合机为反应设备.而棉纤维素主要由分子排列较整齐而又紧密的结晶区组成,用捏合机为反应设备,因反应时捏合机捏合臂转速慢,醚化剂进入纤维素不同层面的阻力较大且速度慢,造成反应时间长、副反应比例高、取代基在纤维素分子链上的分布极不均匀. 通常纤维素的醚化反应为由外及里的多相反应,若缺少外加动力的作用,醚化剂很难进入纤维素结晶区内.而通过对精制棉进行预处理(如用物理方法增大精制棉的比表面),同时用搅拌式反应釜为反应设备,采用快速搅拌进行醚化反应,根据推理,纤维素可强烈溶胀,使纤维素无定形区和结晶区的溶胀性趋于一致,提高反应活性.通过提高外加搅拌动力等,可达到在非均相醚化反应体系中,纤维素醚取代基分布较为均一的目的.因此用搅拌式反应釜为反应设备来研制高质量纤维素醚化产品将成为我国未来的发展方向. 1 试验部分1.1 试验用精制棉纤维素原料 根据试验所用反应设备不同,所用棉纤维素的预处理方法也不同,其中用捏合机为反应设备时,所用精制棉纤维素的结晶度为43.9%,精制棉纤维素的平均长度在15～20m m;用搅拌式反应釜为反应设备时,所用精制棉纤维素的结晶度为32.3%,精制棉纤维素的平均长度小于1m m. 1.2 羧甲基纤维素和羟乙基纤维素的研制 羧甲基纤维素和羟乙基纤维素的研制可以采用2L捏合机为反应设备(反应时平均转速为50r/mi n)和用2L搅拌式反应釜为反应设备进行反应(反应时平均转速为500r/mi n). 羧甲基纤维素和羟乙基纤维素的反应式分别为: Cell-(O H)3+2nNaO H+nCl C H2COO H Cell-(O H)3-n(O-C H2COO Na)n+nNa Cl+ 2n H2O和 Cell-(O H)3+nNaO H+nCl C H2C H2O H Cell-(O H)3-n(O-C H2C H2O H)n+nNa Cl+ n H2O. 反应时所有的原料皆来自于严格的计量反应, 反应所得产品用w=95%的乙醇洗涤,而后在 60℃、0.0005m Pa负压下进行24h真空干燥,所 得样品的水分含量w=2.7%±0.3%,其中用于分 华南理工大学学报(自然科学版) 第29卷第7期J our nal of Sout h Chi na U niversit y of Tech nology V ol.29 N o.7 2001年7月(Nat ural Scie nce Edition)J uly 2001
天然纤维素生产酒精的研究进展 秸杆的主要成分是木质纤维素。是纤维素、半纤维素和木质素混合在一起的材料。用木质纤维素作为糖源生产燃料酒精，目前糖的利用和转化率还很低，通常只有百分之十几。在秸秆中纤维素、半纤维素和木质素通过共价键或非共价键紧密结合而成的木质纤维，占秸杆总重量的约70-90％左右。植物中三者各占的比例随不同来源的植物或植物的不同部分而有所区别，大概的比例数字为： 纤维素30-50% 半纤维素 20-35% 木质素20-30% 灰份0-15% 其实纤维素的非结晶结构是很容易被打破的，它可以完全降解成葡萄糖，后者是发酵乙醇的原料。 目前遭遇的主要问题是，纤维素的结晶结构难以被破坏，致使人们无法完成后续处理。纤维素和半纤维素被难以降解的木质素包裹，使得纤维素酶和半纤维素酶无法接触底物，这构成了木质纤维素利用的重大障碍。只有经过有效的预处理方法，破坏了木质纤维素的高级结构，实现纤维素酶和半纤维素酶对纤维素的可及性，才能使木质纤维素作为自然界里最大宗的资源，像淀粉一样被人和动物完全利用。 纤维素被纤维素酶水解的反应通常又称为糖化反应，水解的主要产物是单糖。植物细胞壁中，纤维素被半纤维素和木质素通过物理和化学作用所包裹，不利于纤维素酶对纤维素的进攻。木质素是由苯基丙烷聚合而成的一种非多糖物质。由芳香烃的衍生物以-C-C-键、-O-键纵横交联在一起，其侧链又与半纤维素以共价键结合，形成一个十分致密的网络结构，将纤维素紧紧包裹在里面。所以，要彻底降解纤维素，必须首先降解木质素。未经预处理的植物纤维原料的天然结构存在许多物理和化学的屏障作用，纤维素酶水解得率低，仅为10%～20%。 禾本科植物秸秆含有的半纤维素一般为木聚糖，占干重的25－30％。半纤维素能被木聚糖酶( xylanase，EC3．2．1．8)——半纤维素酶，降解成木糖。 天然半纤维素水解产物的85-90%是木糖。以植物纤维素原料中的木糖发酵生产酒精，能使纤维素原料的酒精发酵的产量在原有的基础上增加25%。因此，木糖发酵生产酒精是决定植物纤维资源生产酒精经济可行的关键因素。酵母木糖代谢的途径比葡萄糖代谢的途径复杂得多。在代谢的过程中部分木糖转化为其它副产物。因此，酵母木糖代谢产生酒精的理论得率为0.46克酒精/克木糖，低于葡萄糖酒精发酵的理论得率为0.51克酒精/克葡萄糖。
磺酸树脂NKC-9催化离子液体中纤维素的降解 小组成员：应化0901：周凯、白晓鹏日期：2012/9/6 应化0903：王成武、康靖 一丶实验原理： 1固体酸水解原理 固体酸水解原理不同于传统的酸水解原理，固体酸与纤维素的作用发生在固体酸表面，而不是酸溶液中。固体酸水解可分为三步骤： 第一步：纤维素水解为可溶性葡聚糖； 第二步：可溶性葡聚糖的糖苷键吸附在固体酸的活性位上; 第三步：葡聚糖进一步水解得到葡萄糖并且释放于液相中。 2还原糖测定原理 还原糖的含量采用3，5-二硝基水杨酸比色法(DNS法)测定。还原糖的测定是糖定量分析的基本方法。还原糖一般是指含有自由醛基或酮基的糖类，单糖都是还原糖，多糖和双糖不一定是还原糖，其中麦芽糖和乳糖是还原糖，淀粉和蔗糖是非还原糖。利用溶解度不同可将单糖、双糖与多糖区分开来。对于没有还原性的双糖和多糖，可以用酸水解的方法使其降解成有还原性的单糖，然后进行测定。还原糖在碱性条件下加热能将3，5-二硝基水杨酸中的硝基还原成氨基，生成棕红色的3-氨基-5-硝基水杨酸。在一定范围内，还原糖的量与棕红色物质颜色的深浅成正比关系，利用紫外分光光度计，在540nm波长下测定吸光度值，再根据标准曲线计算，便可求出样品中还原糖的含量（吸光度控制在0.2到0.8之间）。 二丶实验器材： 水浴锅，电子天平，圆底烧瓶，20ml试管，移液枪，具塞刻度试管，紫外分光光度计 蒸馏水，微晶纤维素，咪唑氯离子液体，DNS试剂，葡萄糖标样 三丶实验步骤： 1葡萄糖标准曲线的制作 （1）溶液的制备 葡萄糖标准溶液的制备：取约0.1g葡萄糖标样，80oC真空干燥3-4h，然后准确称量0.05g 左右的干燥样品，加少量的蒸馏水溶解，转移到50ml的棕色容量瓶中，摇匀，定容，计算溶液的准确浓度，备用。 咪唑氯离子液体的合成：6mlN-甲基咪唑和9.5ml1-氯丁烷混合，加热干燥，80-85oC，反应10-20分钟，然后升温至100-105oC反应24小时，再升温至115oC反应8小时，直至最终体系无明显分层。用10ml乙酸乙酯洗涤萃取三次。剧烈混合乙酸乙酯和离子液体产物，分液，蒸馏除去残留乙酸乙酯，产物在90oC真空干燥6-8小时，称重，计算产率。 DNS试剂的制备：取3.15克DNS样品和131ml 2mol/L NaOH 溶液，加入250ml含有92.5克酒石酸钠的热水溶液中，加2.5克亚硫酸钠和2.5克苯酚，搅拌溶解，冷却，定容至500ml,储存于棕色试剂瓶中备用。（配制显色剂过程中加入苯酚可增加试剂的显色作用,亚硫酸钠可进一步增强试剂的稳定性。样品测试液的制备过程中,水解时间要严格控制,时间短则多糖水解不完全,时间长则单糖和盐酸发生化学反应生成糖醛,不能和3,5-二硝基水杨酸发