PDF《华东理工大学学位论文》

5 年内,通过多种新能源(包括生物质能)替代 4,000 万吨以上石油的替代能力. 木质纤维素来源广泛,包括农林工业废弃物(如玉米秸秆、麦秆、稻草、玉米芯工 业残渣、甘蔗渣、伐木废弃枝叶、木屑、办公废纸等)及可种植于边际土地的能源作物 (如甜高粱、木薯、甜菜等)等.利用木质纤维素原料通过生物转化和生物炼制生产生 物乙醇,不仅解决了因不与人畜争粮导致的原材料短缺问题,同时大大减少因直接焚烧 产生的大气污染气体,间接降低温室气体排放,还将为广阔的农村地区提升经济活力并 提供就业岗位[7] . 然而,由于现有纤维素乙醇原料预处理、低成本水解糖化等关键技术瓶颈[8] ,致使 以木质纤维素为原料发酵所产的第二代生物乙醇价格竞争力还无法与同类化石能源产 品相比.木质纤维素炼制中,纤维素酶的高成本是阻碍木质纤维素转化工艺商业化的重 要原因, 约占总乙醇生产成本的 12-22%, 其中占同步糖化与发酵工段成本竟达 50%[9,10] , 如何在现有商品纤维素酶的基础上降低酶用成本将是本文的研究重点.本章将从木质纤 维素原料选择、糖化发酵的模式、乙醇分离方法、纤维素酶及其循环利用等方面,针对 国内外近年来关于纤维素酶回收和循环利用的最新研究进展进行综述并总结,为本研究 开发新的循环策略来降低纤维素酶成本提供参考及理论依据. 1.2 木质纤维素及其预处理 自然选择下,植物因其具有坚固的细胞壁、纤维素管、木质结构等保护才得以抵抗 第2页华东理工大学硕士学位论文 环境的变化.一般情况下,致密的木质纤维结构不易被纤维素酶直接分解,需通过预处 理,破坏生物质中由坚固管束组成的抗降解屏障[11,12] ,暴露可触位点,使得纤维素酶有 效进行催化.不同的原料对其进行预处理的方式有所不同,效果及要求有所差异.方法 大致分四类: 纯物理法、 纯化学法、 生物法及多方式结合法. 各种方式有其各自优缺点, 详见表 1.1. 总的来说, 有效预处理的评价要看: ①避免糖损失/降解;

②抑制物生成少;

③成本/能耗低;

④后续水解生成更多糖[13,14] . 表1.1 木质纤维素原料不同的预处理方法 Table 1.1 Summary of different pretreatment for lignocellulosic biomass. 方法 处理过程 优点 缺点 物理法 机械粉碎[15,16] 降低纤维结晶度,增加表/孔面 积,无抑制物 耗能大,耗时长,木质素未被去 除 热解[17] 直接获得气/液态产品 温度要求高,灰分累积 化学法 酸水解[18,19] 水解半纤维素,破坏木质素结 构,增加可接触表面积 成本高,产生有毒抑制物,设备 腐蚀严重 碱水解[18,19] 去除半纤维素及木质素,增加可 接触表面积 耗时较长,引入盐离子杂质 有机溶剂抽提[20] 水解半纤维素,提取木质素作产 品 成本高,溶剂需回收再利用 臭氧分解[21] 常压室温条件反应,无抑制物 臭氧消耗量较大,成本昂贵 生物法 真菌降解[11] 环境友好,降解木质素及半纤维 素,无化学试剂,成本低 降解速率低,工业应用受限 结合法 蒸汽爆破[21] 环境友好,葡萄糖损失少,降解 半纤维素、木质素 部分木聚糖被破坏,产生抑制 物,需水洗去除,耗水多 二氧化碳爆破[22] 增加表面积,成本低廉,无抑制 物 反应压力要求高,对木质素及半 纤维素无化学反应 氨纤维膨爆[22] 增加表面积,降解部分木质素及 半纤维素,无抑制物 处理木质素含量高的原料效果 差,氨回收成本高 干式蒸汽稀酸[23] 增加表面积,降解部分木质素及 半纤维素,废水少 设备易腐蚀,产生抑制物 木质纤维素种类繁多,但并非所有的原料适合于生物乙醇的经济性生产.作为木质 纤维素大宗原料之一,玉米秸秆(Corn stover)正用于第二代燃料乙醇的示范规模工厂 的运转,很多研究亦集中于此.目前,较常用的玉米秸秆预处理方式有蒸汽爆破、氨纤 维膨爆、蒸汽稀酸等:早在