【免费】生物质能源转化技术与应用_生物质的转化技术原理与应用

  化为可发酵的小分子糖 ; 3)微生物发酵将糖转化 为清洁燃料和化工原料 ; 4)生物质转化产品的分 离 、提纯和精制 [ 3 ] 。以下主要介绍木质纤维素原 料的生物转化技术 。 2. 1原料预处理

  木质纤维素的细胞结构中 ,纤维素被半纤维 素和木质素通过物理和化学作用所包裹 ,未经预 处理 的 植 物 纤 维 原 料 的 酶 解 率 仅 为 10 % ～ 20 %。因此 ,植物纤维原料在酶解前一定要经过预 处理 ,以达到破坏细胞壁结构 、降低纤维素的结晶 度和除去木质素或半纤维素 、增加纤维素比表面 积的目的 ,以便适合于纤维素酶的作用 。

  大部分微生物都是以葡萄糖为起点 ,通过发 酵将糖转化成其他生物制品 。由于天然木质纤维 素结构十分复杂 ,如何高效将它降解成可发酵糖 是进行生物转化的技术难点之一 。完全降解木质 纤维素需要纤维素酶 、半纤维素酶和木质素降解 酶等多种酶系 。其中 ,纤维素酶是木质纤维素降 解中最主要的酶 。目前 ,一致认为纤维素酶的作 用机制是纤维素内切酶先将结晶纤维素降解成无 定形纤维素 ,然后再由纤维素外切酶降解成纤维 二糖 ,最后由 β-葡萄糖苷酶将纤维二糖水解成葡 萄糖 [ 2 ] 。影响纤维素酶的酶解效果的因素有 : 1) 酶解产物纤维二糖和葡萄糖对酶的抑制作用 。为 了消除这种反馈抑制 ,可以在水解过程中添加 β葡萄糖苷酶降低纤维二糖的含量 ,也能够使用同 步 水 解 发 酵 ( simultaneous saccharification and ferm entation, SSF)或超滤膜 [ 5 ]去除酶解液中的纤 维二糖和葡萄糖 。 2 )木质素与纤维素牢固结合 降低了纤维素酶的可及性 。纤维素酶用于降解天 然纤维素原料时 ,首先要吸附在纤维素底物上 ,酶 解结束后 ,纤维素酶又可从纤维素底物中释放到 酶解液中 。然而 ,木质素与纤维素交联组成致密 的结构极度影响纤维素酶的吸附作用 。结合预处 理方法或者加入木质素降解酶 ,消除木质素的阻 碍作用能改善纤维素酶水解效率 。

  生物质原料最重要的包含淀粉和木质纤维素两大 类 。对于木质纤维素原料而言 ,其主要成分是纤 维素 、半纤维素和木质素 。其中纤维素和半纤维 素降解后生成的己糖和戊糖 ,可被微生物利用 ,转 化成乙醇 、丙酮 、丁醇 、丁二醇等液体燃料和化工 原料 ; 也可作为有机酸如柠檬酸 、乳酸的发酵原 料 。木质素的单体为苯丙烷衍生物 ,可进一步转 化为其他化工产品 。天然纤维素原料的生物转化 的化工产品如图 1所示 。

  生物质是地球上存在最广泛的物质 ,它包括 所有动物 、植物和微生物以及由这些有生命物质 派生 、排泄和代谢的许多有机质 。生物质能源是 一种可以与环境协调发展的可再次生产的能源 。通过现 代生物质能转化技术能将生物质转化成各种清

  洁燃料 ,替代煤炭 、石油和天然气等矿物能源 。目 前 ,生物质能源的研究与开发技术最重要的包含物理 转化 、热化学Biblioteka Baidu化和生物转化三大类 [ 1 ] ,其中生 物转化技术主要是以酶法水解和微生物发酵为手 段 ,促进生物质转化的过程 。

  (中国科学院 过程工程研究所 生化工程国家重点实验室 , 北京 100190)

  从世界范围看 ,生物质能转化的原料主要还 是玉米 、小麦等淀粉类粮食作物 。与石油燃料相 比 ,以农作物为原料转化的产品成本比较高 ,且受人 口 、土地等因素限制 ,产量也不可能大幅度增加 。 植物秸秆等农业废弃物中富含葡萄糖和木糖等可 发酵糖 ,以大量廉价的农作物废料和植物秸秆等 木质纤维素为原料是解决能源危机的有效途径 。 然而 ,木质纤维素的结构和组分与淀粉质原料有 很大的不同 ,使得高效 、经济地实现木质纤维素的 生物转化一直成为困扰各国研究人员的难题 。本 文作者针对木质纤维素的生物转化过程的关键技 术包括原料的预处理 、纤维素酶解 、微生物发酵和 产品的分离提纯作了介绍 ,并对生物质的生物转

  各种预处理方法中 ,蒸汽爆破法适合于植物纤 维原料的预处理 。在蒸汽爆破过程中 ,醋酸自水解 是一个十分重要的反应 ,通过物理和化学的作用使 半纤维素水解成单糖和寡糖 ,部分木质素溶解 ,从 而使原料有利于纤维素酶的作用 。陈洪章等 [4 ]基 于秸秆与木材在化学组成和结构上的差异 ,开发了 新型低压无污染蒸汽爆破技术 。该技术在汽爆的 过程中不需要添加任何化学药品 ,只需控制秸秆的 含水量即可以分离出 80 % 以上的半纤维素 ,且使 秸秆纤维素的酶解率达到 90 % 以上 。 2. 2木质纤维素的酶解

  此外 ,纤维素酶的成本过高降低了其使用量 导致酶解时间延长 。尽管 ,丹麦诺维信和美国杰 能科两大酶制剂公司均声称已开发出更高效便宜

  的酶用于水解纤维素 ,但这些商品酶也是针对特 定的底物 , 不 能 有 效 地 应 用 于 其 他 底 物 [ 6 ] 。因 此 ,重复回收利用纤维素酶使整个生物转化过程 更具经济可行性 。酶解结束后 ,存在于酶解上清 液和底物残渣中的纤维素酶大约各占 50 % 。 [ 7 ] 对于游离在上清液中的纤维素酶的可采用超滤膜 回收 [ 8- 9 ] ;或将新鲜的底物直接加入到酶解液中 再次酶解 [ 10- 12 ] 。对于吸附在底物中的纤维素酶 , 可采用碱 、甘油 、尿素和不同 pH 值的磷酸盐缓冲 溶液洗脱 [ 8 ] 。另外有文献报道加入特殊蛋白或 表面活性剂 (吐温 、聚乙烯醇等 )能够大大减少纤维素 酶的无效吸附 [ 6, 13 ] 。

  淀粉质原料的生物转化技术最重要的包含淀粉的 糖化 ,微生物发酵和产品的精馏等过程 。淀粉发 酵生产是一种古老的发酵方式 ,随着淀粉酶大规 模工业化生产和现代深层液态发酵技术的进步 , 淀粉发酵的生产效率有了很大提高 。但是淀粉发 酵的原料成本占整个生产所带来的成本的 60 % ～70 % , 以农作物发酵生产化工产品在价格上无法与石化 产品相竞争 。面对世界人口的急剧膨胀和粮食短 缺 ,采用粮食发酵生产石化原料也将会受到限制 。 对比淀粉发酵过程 ,利用低成本的木质纤维素原 料进行生物转化的过程很复杂 ,主要涉及 4 个 步骤 : 1)天然纤维素的预处理 ; 2 )纤维素酶解转

  摘 要 :生物质能源是惟一可再生 、可替代化石资源转化成气态 、液体和固态燃料以及其他化工原料或者产品的碳资源 。 随着化石资源的枯竭和人类对全球性环境问题的关注 ,生物质能源替代化石资源利用的研究和开发 ,已成为国内外众多学 者研究和关注的热点 。本系列讲座主要介绍以生物质资源为主要的组成原材料 ,通过不同途径转化为洁净的 、高品位的气体 、液体 或固体燃料 。本讲主要综述了木质纤维素的生物转化过程的关键技术 ,包括原料预处理 、纤维素酶解 、微生物发酵和产品 的分离提纯 ,指出生物转化技术的发展的新趋势是非粮生物质的生物转化和利用 ,关键酶的改进和微生物代谢的调控以及生产 过程的集成和产品的综合利用 ,并说明积极开展生物质产品的能效评价将有利于提高生物质能转换的经济效益 。 关键词 :生物质 ;木质纤维素 ;生物转化技术 中图分类号 : TQ91; Q81文献标识码 : A 文章编号 : 1673 - 5854 (2008) 04 - 0067 - 06

  常用的植物纤维原料预处理的方法有物理 法 、化学法 、生物化学法以及这几种方法的联合 。

  陈洪章 ,等 :生物质能源转化技术与应用 ( Ⅷ) ———生物质的生物转化技术原理与应用

  物理法预处理需要较多能量 ,预处理成本高 ;化学 法预处理的坏因是处理后的原料在酶解前需 用酸或碱中和 ,产酶时间较长 ;生物化学法主要是 利用白腐菌进行预处理 ,而白腐菌在除去木质素 的同时会分解消耗部分纤维素和半纤维素 。