酒精是一种重要的工业原料,广泛应用于食品,化工、
医药等领域,而且可以部分或全部替代汽油,具有安全 、清
洁 、可再生等优点。传统的酒精生产主要以糖蜜、薯类 、谷物
为原料发酵而成 。近年来,随着人口增长和经济的发展以及
可利用耕地面积的减少使得酒精生产成本日趋增高,利用
丰富 、廉价的玉米秸秆为原料生产酒精已成为必然趋势 。我
国是一个农业大国,各种纤维素原料资源非常丰富,仅玉米
秸秆年产量大约2亿吨。目前,玉米秸秆除了少部分被利用
外,大部分以堆积、焚烧等形式直接倾入环境,极大地污染
了环境,也是一种资源浪费 。如果将玉米秸秆经过预处理后
水解,其所含的纤维素和半纤维素可分解成糖,经发酵可转
化为酒精,转热效率可达30%以上 。这样不但缓解人类所面
临的食物短缺,环境污染 、资源危机等一系列问题,而且还
能实现人类的可持续发展,因而近年来玉米秸秆成为生物
能源领域的研究热点。
1玉米秸秆简介
玉米秸秆主要由植物细胞壁组成,基本成分为纤维素 、
半纤维素和木质素等 。木质素将纤维素和半纤维素层层包
围 。纤维素是一种直链多糖,多个分子平行排列成丝状不溶
性微小纤维,半纤维素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖 、
甘露糖组成,木质素是以苯丙烷及衍生物为基本单位组成
的高分子芳香族化合物。其中,木质素是一种燃料,半纤维
素可水解为五碳糖,而纤维素水解为六碳糖比较困难。
2玉米秸秆预处理
由于玉米秸秆结构复杂,不仅纤维素 、半纤维素被木质
素包裹,而且半纤维素部分共价和木质素结合,同时纤维素
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 。常见预处理方法有物理法 、化学法、物理化
学法和微生物法等。
2.1挤压膨化法
该方法属于物理处理法,是将原料粉碎后调节至一定
水分,加入挤压机内,物料在螺杆的旋转推动下向前运动,
同时被剪切 、挤压 。并且在摩擦热的作用下温度可接近
140℃;然后从挤压机中喷出,物料的压力突然降低 、体积迅
速膨胀,纤维素晶体结构被破坏,从而为纤维素的酶解处理
创造条件 。这种预处理方法生产过程连续,不需要消耗蒸
汽,而且具有灭菌效果。
2.2湿氧化法
湿氧化法属于化学处理法,是指在加温加压条件下,水
和氧气共同参加的反应 。湿氧化法对玉米秸秆处理效果很
好,纤维素遇碱,只引起纤维素膨胀,形成了碱化纤维素,但
能保持原来骨架,加入Na2CO3后起缓和作用,能防止纤维
素被破坏,使木质素和半纤维素溶解于碱液中而与纤维素
分离 。这样得到的纤维素纯度较高,且副产物很少。匈牙利
Eniko等人采用湿氧化法在195℃,15min,1 200千帕O2,
Na2CO32g/L条件下,对60g/L玉米秸秆进行预处理 。其中
60%半纤维素、30%木质素被溶解,90%纤维素呈固态分离出
来,纤维素酶解转化率(ECC)达85%左右 。
2.3酸处理法
酸处理法也是一种化学处理法,这种方法可追溯到
1980年,而在德国可能更早。该法是采用硫酸 、硝酸 、盐酸、
磷酸等对纤维素原料进行预处理,其中以硫酸研究和应用
的最多 。处理后,半纤维素首先水解得到无碳糖,纤维素的
结晶结构被破坏,原料疏松,可发酵性强 。但水解前必须将
pH值调整到中性,还应该注意反应器的耐酸性。
2.4蒸汽爆破法
蒸汽爆破法属于物理处理化学法,是用蒸汽将原料加
热至180～200℃,维持5～30min,也可加热到245℃,维持
0.5～2.0min。高温高压造成木质素的软化,然后迅速使原料
减压,造成纤维素晶体和纤维束的爆裂,使木质素和纤维素
分离 。该法成本较高,在我国可采用北京林业大学赖文衡教
授研究的间歇蒸汽汽爆器对玉米秸秆进行爆破处理,经这
种爆破器爆破的玉米秸秆,纤维素水解转化率(ECC)可达
70%以上 。
2.5生物方法
生物处理方法具有节约化工原料 、能源和减轻环境污
染等方面的优点。有许多微生物能产生木质素分解酶,如白
腐菌,其分解木质素的能力较强,但活性较低,而且微生物
处理周期长 、菌体会破坏部分纤维素和半纤维素,降低纤维
素的水解率,因此难以得到利用 。瑞典等北欧国家则利用无
纤维素酶的担子菌突变株对纤维素材料进行脱木质素处
理,取得了一定的效果 。
玉米秸秆发酵生产燃料酒精研究现状及前景
武秀琴1,2马灿玲3
(1天津科技大学,中国天津300222;2河南工程学院环境工程系;3郑州师范高等专科学校生物系)
摘要玉米秸秆是一种丰富的再生资源,主要由纤维素、半纤维素、木质素组成。经过预处理 、水解 、发酵可生产酒精 。预处理方法主要
有物理法、化学法 、物理化学法及生物处理法;水解主要有酸水解法和酶水解法;发酵主要有直接发酵法 、间接发酵法、同步糖化发酵法等 。
介绍了玉米秸秆生产乙醇的关键技术进展情况。
关键词秸秆;酒精;预处理;研究进展
中图分类号TS262.2文献标识码A文章编号1007-5739(2008)13-0240-02
收稿日期2008-05-07
240现代农业科技》2008年第13期
3水解工艺
玉米秸秆进行预处理后,纤维素水解只有在催化剂存
在的情况下才能显著进行 。常用催化剂是无机酸和酶,由此
分别形成了酸水解工艺和酶水解工艺,酸水解工艺又分为
稀酸水解和浓酸水解 。水解主要是破坏纤维素 、半纤维素的
氢键,使之转化为发酵的单糖。
3.1浓酸水解
用70%的硫酸50℃下在反应器中反应2～6h,半纤维素
首先被降解,溶解在水里的物质经过几次浓缩沥干后得到
糖,半纤维素水解后的固体残渣经过脱水后,在30%～40%的
硫酸中浸泡1～4h 。溶液再经脱水和干燥后,在70%的硫酸下
反应1～4h,回收的糖和酸溶液经过离子交换,分离出的酸在
高效蒸发器中重新浓缩,剩余的固体残渣则再循环利用到
下一次的水解中 。浓酸水解过程的主要优点是糖的回收率
高,大约有90%的半纤维素和纤维素转化的糖被回收。但浓
硫酸腐蚀性强,而且从经济方面考虑必须回收浓硫酸,增加
了工艺的复杂程度。
3.2稀酸水解
为了解决浓酸水解法存在的问题,一般采用稀硫酸
(0.2%～0.5%),在较温和条件下进行 。此时水解一般分2个
阶段:第1阶段为低温操作,从半纤维素获得最大糖产量;
第2阶段采用高温操作使纤维素水解为六碳糖,糖的转化
率一般为50%左右 。但稀酸水解容易产生大量副产物。
3.3酶水解
酶水解是利用产纤维素酶的微生物或者纤维素酶制
品,直接将半纤维素 、纤维素水解成可发酵糖 。与酸水解相
比,它可在常压下进行,反应条件温和、效率高 、能耗低 、选
择性强、环保效果好,显示出良好的应用价值和前景 。水解
后可形成单一产物,产率较高(>95%)。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% 。
该法的关键在于纤维素酶的获得和利用,同时要考虑
纤维素酶的成本 。丹麦诺维信公司曾经宣布其纤维素酶生
产成本已比当初降低了12倍,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lL燃料
级乙醇所需纤维素酶的成本已低于6.6美分。这极大地推进
了燃料乙醇的商业化进程 。
4发酵工艺
由于农作物秸秆的相当部分由半纤维素构成,其水解
产物为以木糖为主的五碳糖,还有相当量的阿拉伯糖生成
(可占五碳糖的10%～20%),故五碳糖的发酵效率是决定过
程经济性的重要因素 。木糖的存在对纤维素酶水解起抑制
作用,将木糖及时转化为酒精对玉米秸秆的高效率酒精发
酵是非常重要的。目前人们研究最多且最有工业应用前景
的木糖发酵产乙醇的微生物有3种酵母菌种,即管囊酵母 、
树干毕赤酵母和体哈塔假丝酵母,主要的发酵方法有以下
几种 。
4.1直接发酵法
直接发酵法是基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产
乙醇,不需要经过酸水解或酶水解前处理过程 。一般利用混
合菌直接发酵,例如热纤梭菌(Clostridium thermoceUum)能
分解纤维素,但乙醇产率较低(50%),热硫化氢梭菌(Col-
stridium thermohydz)不能利用纤维素,但乙醇产率相当高,
如果进行混合发酵,产率可达70%。吕福英介绍了热纤梭菌
的生理生化特性及发酵生产的研究进展,并对热纤梭菌发
酵生产乙醇的因素以及乙醇等发酵产物对热纤梭菌的抑制
作用作了概述。但热纤梭菌产生乙醇也存在以下问题:发酵
不完全 、发酵速度慢、终产物乙醇和有机酸对细胞有相当大
的毒性,需要进一步改进 。
4.2间接发酵法
间接发酵是目前研究最多的一种方法 。使用纤维素酶
水解纤维素,收集酶解后的糖液作为酵母发酵的碳源,先用
纤维素酶水解纤维素,酶解后的糖液作为发酵碳源。但是受
末端产物抑制,低细胞浓度以及底物基质抑制作用影响乙
醇产量 。因此可采取的方法有:减压发酵法和阿尔法—拉伐
公司的Bi-otile法,还可以通过筛选在高糖浓度下存活并能
利用高糖的微生物突变菌株来克服基质抑制 。
4.3同步糖化发酵法(SSF法)
这种方法的原理和间接发酵法相同,是为了克服反馈
抑制作用,由Gauss等提出的在同一反应器中糖化和发酵同
步进行。这样纤维素酶对纤维素的酶水解和发酵糖化过程
在同一装置内连续进行 。水解产物葡萄糖由于菌体的不断
发酵而被利用,消除了葡萄糖因基质浓度对纤维素酶的反
馈抑制作用 。在工艺上采用一步发酵法,简化了设备,节约
了总生产时间,提高了生产效率。当然也存在一些抑制因
素,如木糖的抑制作用,糖化和发酵温度不协调 。张继泉在
这方面进行了大量的实验研究,并取得了一定的进展 。
4.4固定化细胞发酵
固定化细胞发酵能使发酵罐内细胞浓度提高,细胞可
连续使用,使最终发酵液酒精浓度得以提高。常用的固定化
载体有海藻酸钠、卡拉胶 、多孔玻璃等 。固定化细胞的新动
向是混合固定细胞发酵,如酵母与纤维二糖酶一起固定化 。
将纤维二糖基质转化成乙醇,被看作是玉米秸秆生产乙醇
的重要方法。
5结论与展望
今后,玉米秸秆生产酒精的研究方向将主要集中在以
下几个方面。
5.1预处理方法
单纯的物理法和化学法不足以破坏纤维素晶体结构以
及去除半纤维素和木质素,应综合运用物理法与化学法,一
步完成预处理和水解2个阶段,有效提高纤维素的水解率 。
5.2糖化工艺
发酵过程的酒精产率受许多因素影响,其中主要是水
解效率和单糖产量 。比较而言,酶水解较酸水解有较大的优
越性,将成为今后糖化工艺的主要发展方向。
(下转第243页)
大田农艺
241现代农业科技》2008年第13期
区,在生产中培育优质高产栽培典型,将优良品种 、生产技
术传授给农民,提高生产水平,从而自觉地实行生产操作规
程 。为此,课题组要求各县(市)区狠抓园区建设工作,3年总
计建设20个千亩以上园区,均收到了良好的效果 。在新品
种引进种植展示园和绿色有机杂粮规范化种植展示园方
面,通过实地技术操作和展示效果验证,产生了较强的辐
射带动作用。
2.7为确保实现标准化生产,在栽培管理上大力推选“九
改”集成技术
实现了从基地到餐桌全过程质量控制,涌现出许多谷
物优质高产典型 。如2005年北票市北四家子乡南四家子村
集中连片种植朝新谷5号33hm2,平均产量7 740kg/hm2,最
高产量达到9 780kg/hm2 。
2.8兴建龙头企业,培育绿色有机杂粮市场,延长产业链,
提高产品附加值
“辽西绿色有机杂粮生产基地建设与食品开发 ”项目实
施3年,累计建设杂粮生产基地5.33万公顷以上,其中绿色
有机杂粮生产基地2.16万公顷,从而形成了规模效应,为农
产品加工业提供了可靠的优质原料保障。目前全市共有各
类杂粮加工企业743个,年生产加工销售能力100万吨,其
中绿色有机杂粮6万吨,实现销售收入4.5亿元 。同时,杂粮
基地规模化也带动了当地的杂粮市场建设 。东北最大的杂
粮集散地建平朱碌科,建起25 000m2的杂粮交易批发市场,
绿色有机杂粮收购、加工 、销售“十里长街 ”已初具规模,产
品主要销往国内大中城市并出口日本 、韩国、德国 、新西兰
等国家。
3项目成效
3.1规模大 、有特色
建设绿色有机杂粮生产基地与食品开发,认证标识累
计规模为2.16万公顷,占全省认证总面积的60%,具有先进
农业区域经济与外向型经济的特色 。经国内同行专家验收
一致认为:该项目产业化规模和技术水平在我国同类地区
具有领先地位 。
3.2为旱作农业开辟了一条新路
针对辽西干旱地区的自然地理条件的特点,科学地开
发利用有限的耕地,实施绿色、有机杂粮标准认证,提高了
农产品的质量,创造了农业干旱地区增产增收的新途径。
3.3创出一条“科研+公司+农户+生产基地”四位一体的新
模式
形成产 、加 、销良性循环,拉动绿色有机杂粮加工业的
发展,实施农业名牌战略,提高了绿色有机杂粮食品的市场
占有率。3年累计出口创汇1.37亿元,促进了外向型经济的
迅猛发展 。
3.4提高了农产品的附加值
3年中,绿色A级杂粮平均产值为1.92万元/hm2,平均
效益为1.60万元/hm2;有机食品产值2.79万元/hm2,效益为
2.41万元/hm2 。绿色、有机杂粮平均效益为2.03万元/hm2,比
项目区外杂粮对照平均效益增收1.03万元/hm2。
3.5改善了农业生态环境
绿色 、有机农业就是生态农业 。通过该项目的实施,在
认证的区域范围内,从根本上改变了农业的耕作方式,保护
了生态体系及周围环境生物的多样性,有效地减少和治理
了环境污染,不仅提供了安全的食品,而且促进了人与自然
的和谐 。
通过3年绿色有机杂粮生产基地建设项目的实施,极
大地推进了科技产业化进程,推动了外向型经济的快速发
展,促进了第二 、第三产业的繁荣,加速了杂粮新品种的更
新换代。由于推广粮草兼用型朝新谷5号新品种粮草比为
1∶1.3,不仅促进了农业的二元结构向三元结构的转移,而且
还带动了辽西畜牧业的发展 。实践证明:干旱地区建设绿色
有机杂粮生产基地,在科技产业化中发挥了重要的作用,具
有广阔的前景 。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接第241页)
5.3发酵菌株
菌种是发酵工业的灵魂,在玉米秆原料生产酒精过程
中,运用现代的育种技术培育出高效的直接发酵菌株,在适
应特殊基质条件、简化生产工艺等方面将会有所突破。若能
筛选到抗高浓度糖的基因突变菌株则可以克服纤维素原料
水解过程的抑制效应,提高发酵效率 。
5.4发酵工艺
可以采用一定的技术手段,将发酵过程产生的乙醇不
断抽出,使发酵罐中的乙醇浓度≤10%,减轻乙醇对菌株生
长及乙醇生成的抑制作用,降低生产成本 。
以玉米秸秆等纤维素生产酒精技术是世界各国研究的
热点,与其他生物能源、替代能技术相比,无论是在经济合
理性 、技术可行性方面,还是在资源可持续性和环境协调性
方面都具有明显的优势,而且还可解决我国的石油资源短
缺和环境污染问题,有利于保证国家能源安全和社会协调
发展。
酒精是一种重要的工业原料,广泛应用于食品,化工 、
医药等领域,而且可以部分或全部替代汽油,具有安全、清
洁 、可再生等优点 。传统的酒精生产主要以糖蜜 、薯类、谷物
为原料发酵而成 。近年来,随着人口增长和经济的发展以及
可利用耕地面积的减少使得酒精生产成本日趋增高,利用
丰富 、廉价的玉米秸秆为原料生产酒精已成为必然趋势。我
国是一个农业大国,各种纤维素原料资源非常丰富,仅玉米
秸秆年产量大约2亿吨。目前,玉米秸秆除了少部分被利用
外,大部分以堆积 、焚烧等形式直接倾入环境,极大地污染
了环境,也是一种资源浪费 。如果将玉米秸秆经过预处理后
水解,其所含的纤维素和半纤维素可分解成糖,经发酵可转
化为酒精,转热效率可达30%以上 。这样不但缓解人类所面
临的食物短缺,环境污染、资源危机等一系列问题,而且还
能实现人类的可持续发展,因而近年来玉米秸秆成为生物
能源领域的研究热点。
1玉米秸秆简介
玉米秸秆主要由植物细胞壁组成,基本成分为纤维素 、
半纤维素和木质素等 。木质素将纤维素和半纤维素层层包
围 。纤维素是一种直链多糖,多个分子平行排列成丝状不溶
性微小纤维,半纤维素主要由木糖 、少量阿拉伯糖、半乳糖 、
甘露糖组成,木质素是以苯丙烷及衍生物为基本单位组成
的高分子芳香族化合物。其中,木质素是一种燃料,半纤维
素可水解为五碳糖,而纤维素水解为六碳糖比较困难 。
2玉米秸秆预处理
由于玉米秸秆结构复杂,不仅纤维素 、半纤维素被木质
素包裹,而且半纤维素部分共价和木质素结合,同时纤维素
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。常见预处理方法有物理法 、化学法 、物理化
学法和微生物法等 。
2.1挤压膨化法
该方法属于物理处理法,是将原料粉碎后调节至一定
水分,加入挤压机内,物料在螺杆的旋转推动下向前运动,
同时被剪切、挤压 。并且在摩擦热的作用下温度可接近
140℃;然后从挤压机中喷出,物料的压力突然降低 、体积迅
速膨胀,纤维素晶体结构被破坏,从而为纤维素的酶解处理
创造条件。这种预处理方法生产过程连续,不需要消耗蒸
汽,而且具有灭菌效果 。
2.2湿氧化法
湿氧化法属于化学处理法,是指在加温加压条件下,水
和氧气共同参加的反应 。湿氧化法对玉米秸秆处理效果很
好,纤维素遇碱,只引起纤维素膨胀,形成了碱化纤维素,但
能保持原来骨架,加入Na2CO3后起缓和作用,能防止纤维
素被破坏,使木质素和半纤维素溶解于碱液中而与纤维素
分离。这样得到的纤维素纯度较高,且副产物很少。匈牙利
Eniko等人采用湿氧化法在195℃,15min,1 200千帕O2,
Na2CO32g/L条件下,对60g/L玉米秸秆进行预处理 。其中
60%半纤维素 、30%木质素被溶解,90%纤维素呈固态分离出
来,纤维素酶解转化率(ECC)达85%左右 。
2.3酸处理法
酸处理法也是一种化学处理法,这种方法可追溯到
1980年,而在德国可能更早。该法是采用硫酸、硝酸 、盐酸 、
磷酸等对纤维素原料进行预处理,其中以硫酸研究和应用
的最多 。处理后,半纤维素首先水解得到无碳糖,纤维素的
结晶结构被破坏,原料疏松,可发酵性强 。但水解前必须将
pH值调整到中性,还应该注意反应器的耐酸性。
2.4蒸汽爆破法
蒸汽爆破法属于物理处理化学法,是用蒸汽将原料加
热至180～200℃,维持5～30min,也可加热到245℃,维持
0.5～2.0min 。高温高压造成木质素的软化,然后迅速使原料
减压,造成纤维素晶体和纤维束的爆裂,使木质素和纤维素
分离 。该法成本较高,在我国可采用北京林业大学赖文衡教
授研究的间歇蒸汽汽爆器对玉米秸秆进行爆破处理,经这
种爆破器爆破的玉米秸秆,纤维素水解转化率(ECC)可达
70%以上。
2.5生物方法
生物处理方法具有节约化工原料、能源和减轻环境污
染等方面的优点 。有许多微生物能产生木质素分解酶,如白
腐菌,其分解木质素的能力较强,但活性较低,而且微生物
处理周期长 、菌体会破坏部分纤维素和半纤维素,降低纤维
素的水解率,因此难以得到利用 。瑞典等北欧国家则利用无
纤维素酶的担子菌突变株对纤维素材料进行脱木质素处
理,取得了一定的效果。
玉米秸秆发酵生产燃料酒精研究现状及前景
武秀琴1,2马灿玲3
(1天津科技大学,中国天津300222;2河南工程学院环境工程系;3郑州师范高等专科学校生物系)
摘要玉米秸秆是一种丰富的再生资源,主要由纤维素 、半纤维素、木质素组成 。经过预处理 、水解 、发酵可生产酒精 。预处理方法主要
有物理法、化学法、物理化学法及生物处理法;水解主要有酸水解法和酶水解法;发酵主要有直接发酵法 、间接发酵法 、同步糖化发酵法等。
介绍了玉米秸秆生产乙醇的关键技术进展情况。
关键词秸秆;酒精;预处理;研究进展
中图分类号TS262.2文献标识码A文章编号1007-5739(2008)13-0240-02
收稿日期2008-05-07
240现代农业科技》2008年第13期
3水解工艺
玉米秸秆进行预处理后,纤维素水解只有在催化剂存
在的情况下才能显著进行 。常用催化剂是无机酸和酶,由此
分别形成了酸水解工艺和酶水解工艺,酸水解工艺又分为
稀酸水解和浓酸水解 。水解主要是破坏纤维素、半纤维素的
氢键,使之转化为发酵的单糖。
3.1浓酸水解
用70%的硫酸50℃下在反应器中反应2～6h,半纤维素
首先被降解,溶解在水里的物质经过几次浓缩沥干后得到
糖,半纤维素水解后的固体残渣经过脱水后,在30%～40%的
硫酸中浸泡1～4h 。溶液再经脱水和干燥后,在70%的硫酸下
反应1～4h,回收的糖和酸溶液经过离子交换,分离出的酸在
高效蒸发器中重新浓缩,剩余的固体残渣则再循环利用到
下一次的水解中 。浓酸水解过程的主要优点是糖的回收率
高,大约有90%的半纤维素和纤维素转化的糖被回收。但浓
硫酸腐蚀性强,而且从经济方面考虑必须回收浓硫酸,增加
了工艺的复杂程度 。
3.2稀酸水解
为了解决浓酸水解法存在的问题,一般采用稀硫酸
(0.2%～0.5%),在较温和条件下进行 。此时水解一般分2个
阶段:第1阶段为低温操作,从半纤维素获得最大糖产量;
第2阶段采用高温操作使纤维素水解为六碳糖,糖的转化
率一般为50%左右。但稀酸水解容易产生大量副产物 。
3.3酶水解
酶水解是利用产纤维素酶的微生物或者纤维素酶制
品,直接将半纤维素 、纤维素水解成可发酵糖 。与酸水解相
比,它可在常压下进行,反应条件温和 、效率高、能耗低 、选
择性强 、环保效果好,显示出良好的应用价值和前景。水解
后可形成单一产物,产率较高(>95%) 。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% 。
该法的关键在于纤维素酶的获得和利用,同时要考虑
纤维素酶的成本。丹麦诺维信公司曾经宣布其纤维素酶生
产成本已比当初降低了12倍,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lL燃料
级乙醇所需纤维素酶的成本已低于6.6美分。这极大地推进
了燃料乙醇的商业化进程 。
4发酵工艺
由于农作物秸秆的相当部分由半纤维素构成,其水解
产物为以木糖为主的五碳糖,还有相当量的阿拉伯糖生成
(可占五碳糖的10%～20%),故五碳糖的发酵效率是决定过
程经济性的重要因素 。木糖的存在对纤维素酶水解起抑制
作用,将木糖及时转化为酒精对玉米秸秆的高效率酒精发
酵是非常重要的。目前人们研究最多且最有工业应用前景
的木糖发酵产乙醇的微生物有3种酵母菌种,即管囊酵母、
树干毕赤酵母和体哈塔假丝酵母,主要的发酵方法有以下
几种 。
4.1直接发酵法
直接发酵法是基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产
乙醇,不需要经过酸水解或酶水解前处理过程 。一般利用混
合菌直接发酵,例如热纤梭菌(Clostridium thermoceUum)能
分解纤维素,但乙醇产率较低(50%),热硫化氢梭菌(Col-
stridium thermohydz)不能利用纤维素,但乙醇产率相当高,
如果进行混合发酵,产率可达70%。吕福英介绍了热纤梭菌
的生理生化特性及发酵生产的研究进展,并对热纤梭菌发
酵生产乙醇的因素以及乙醇等发酵产物对热纤梭菌的抑制
作用作了概述 。但热纤梭菌产生乙醇也存在以下问题:发酵
不完全 、发酵速度慢 、终产物乙醇和有机酸对细胞有相当大
的毒性,需要进一步改进 。
4.2间接发酵法
间接发酵是目前研究最多的一种方法。使用纤维素酶
水解纤维素,收集酶解后的糖液作为酵母发酵的碳源,先用
纤维素酶水解纤维素,酶解后的糖液作为发酵碳源 。但是受
末端产物抑制,低细胞浓度以及底物基质抑制作用影响乙
醇产量 。因此可采取的方法有:减压发酵法和阿尔法—拉伐
公司的Bi-otile法,还可以通过筛选在高糖浓度下存活并能
利用高糖的微生物突变菌株来克服基质抑制。
4.3同步糖化发酵法(SSF法)
这种方法的原理和间接发酵法相同,是为了克服反馈
抑制作用,由Gauss等提出的在同一反应器中糖化和发酵同
步进行 。这样纤维素酶对纤维素的酶水解和发酵糖化过程
在同一装置内连续进行 。水解产物葡萄糖由于菌体的不断
发酵而被利用,消除了葡萄糖因基质浓度对纤维素酶的反
馈抑制作用。在工艺上采用一步发酵法,简化了设备,节约
了总生产时间,提高了生产效率。当然也存在一些抑制因
素,如木糖的抑制作用,糖化和发酵温度不协调 。张继泉在
这方面进行了大量的实验研究,并取得了一定的进展 。
4.4固定化细胞发酵
固定化细胞发酵能使发酵罐内细胞浓度提高,细胞可
连续使用,使最终发酵液酒精浓度得以提高。常用的固定化
载体有海藻酸钠、卡拉胶 、多孔玻璃等 。固定化细胞的新动
向是混合固定细胞发酵,如酵母与纤维二糖酶一起固定化 。
将纤维二糖基质转化成乙醇,被看作是玉米秸秆生产乙醇
的重要方法。
5结论与展望
今后,玉米秸秆生产酒精的研究方向将主要集中在以
下几个方面 。
5.1预处理方法
单纯的物理法和化学法不足以破坏纤维素晶体结构以
及去除半纤维素和木质素,应综合运用物理法与化学法,一
步完成预处理和水解2个阶段,有效提高纤维素的水解率 。
5.2糖化工艺
发酵过程的酒精产率受许多因素影响,其中主要是水
解效率和单糖产量。比较而言,酶水解较酸水解有较大的优
越性,将成为今后糖化工艺的主要发展方向 。
(下转第243页)
大田农艺
241现代农业科技》2008年第13期
区,在生产中培育优质高产栽培典型,将优良品种 、生产技
术传授给农民,提高生产水平,从而自觉地实行生产操作规
程 。为此,课题组要求各县(市)区狠抓园区建设工作,3年总
计建设20个千亩以上园区,均收到了良好的效果。在新品
种引进种植展示园和绿色有机杂粮规范化种植展示园方
面,通过实地技术操作和展示效果验证,产生了较强的辐
射带动作用 。
2.7为确保实现标准化生产,在栽培管理上大力推选“九
改 ”集成技术
实现了从基地到餐桌全过程质量控制,涌现出许多谷
物优质高产典型 。如2005年北票市北四家子乡南四家子村
集中连片种植朝新谷5号33hm2,平均产量7 740kg/hm2,最
高产量达到9 780kg/hm2。
2.8兴建龙头企业,培育绿色有机杂粮市场,延长产业链,
提高产品附加值
“辽西绿色有机杂粮生产基地建设与食品开发 ”项目实
施3年,累计建设杂粮生产基地5.33万公顷以上,其中绿色
有机杂粮生产基地2.16万公顷,从而形成了规模效应,为农
产品加工业提供了可靠的优质原料保障。目前全市共有各
类杂粮加工企业743个,年生产加工销售能力100万吨,其
中绿色有机杂粮6万吨,实现销售收入4.5亿元 。同时,杂粮
基地规模化也带动了当地的杂粮市场建设 。东北最大的杂
粮集散地建平朱碌科,建起25 000m2的杂粮交易批发市场,
绿色有机杂粮收购、加工、销售“十里长街”已初具规模,产
品主要销往国内大中城市并出口日本 、韩国 、德国、新西兰
等国家。
3项目成效
3.1规模大 、有特色
建设绿色有机杂粮生产基地与食品开发,认证标识累
计规模为2.16万公顷,占全省认证总面积的60%,具有先进
农业区域经济与外向型经济的特色 。经国内同行专家验收
一致认为:该项目产业化规模和技术水平在我国同类地区
具有领先地位 。
3.2为旱作农业开辟了一条新路
针对辽西干旱地区的自然地理条件的特点,科学地开
发利用有限的耕地,实施绿色 、有机杂粮标准认证,提高了
农产品的质量,创造了农业干旱地区增产增收的新途径。
3.3创出一条“科研+公司+农户+生产基地 ”四位一体的新
模式
形成产、加 、销良性循环,拉动绿色有机杂粮加工业的
发展,实施农业名牌战略,提高了绿色有机杂粮食品的市场
占有率 。3年累计出口创汇1.37亿元,促进了外向型经济的
迅猛发展 。
3.4提高了农产品的附加值
3年中,绿色A级杂粮平均产值为1.92万元/hm2,平均
效益为1.60万元/hm2;有机食品产值2.79万元/hm2,效益为
2.41万元/hm2。绿色 、有机杂粮平均效益为2.03万元/hm2,比
项目区外杂粮对照平均效益增收1.03万元/hm2 。
3.5改善了农业生态环境
绿色、有机农业就是生态农业 。通过该项目的实施,在
认证的区域范围内,从根本上改变了农业的耕作方式,保护
了生态体系及周围环境生物的多样性,有效地减少和治理
了环境污染,不仅提供了安全的食品,而且促进了人与自然
的和谐。
通过3年绿色有机杂粮生产基地建设项目的实施,极
大地推进了科技产业化进程,推动了外向型经济的快速发
展,促进了第二 、第三产业的繁荣,加速了杂粮新品种的更
新换代 。由于推广粮草兼用型朝新谷5号新品种粮草比为
1∶1.3,不仅促进了农业的二元结构向三元结构的转移,而且
还带动了辽西畜牧业的发展 。实践证明:干旱地区建设绿色
有机杂粮生产基地,在科技产业化中发挥了重要的作用,具
有广阔的前景。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接第241页)
5.3发酵菌株
菌种是发酵工业的灵魂,在玉米秆原料生产酒精过程
中,运用现代的育种技术培育出高效的直接发酵菌株,在适
应特殊基质条件 、简化生产工艺等方面将会有所突破。若能
筛选到抗高浓度糖的基因突变菌株则可以克服纤维素原料
水解过程的抑制效应,提高发酵效率 。
5.4发酵工艺
可以采用一定的技术手段,将发酵过程产生的乙醇不
断抽出,使发酵罐中的乙醇浓度≤10%,减轻乙醇对菌株生
长及乙醇生成的抑制作用,降低生产成本 。
以玉米秸秆等纤维素生产酒精技术是世界各国研究的
热点,与其他生物能源、替代能技术相比,无论是在经济合
理性 、技术可行性方面,还是在资源可持续性和环境协调性
方面都具有明显的优势,而且还可解决我国的石油资源短
缺和环境污染问题,有利于保证国家能源安全和社会协调
发展。
6参考文献
[1]张继泉,郭利美,王瑞明.玉米秸秆发酵生产燃料酒精工艺探讨[J].广
州食品工业科技,2004,19(2):24-25.
[2]张强,陆军,侯霖,等.玉米秸秆发酵法生产燃料酒精的研究进展[J].
饲料工业,2005,26(9):20-23.
[3]吕伟民,王宇,傅国红,等.玉米秸秆发酵生产燃料酒精[J].酿酒,
2002,29(5):84
[4]张强,陆军,侯露,等.玉米秸秆制酒精———秸秆预处理及水解方法的
探讨[J].酿酒科技,2004(4):56-58.
[5]罗鹏,刘忠.用木质纤维原料生产乙醇的预处理工艺[J].酿酒科技,
2005(8):42-47.
[6]蒋应梯,庄晓伟,王衍彬.利用农作物开发生物能源和有机肥初探[J].
生物质化学工程,2006,40(6):48-50.
[7]李盛贤,贾树彪,顾立文.利用纤维素原料生产燃料酒精的研究进展
[J].酿酒,2005(3):13-16.
[8]张继泉,孙玉英,王瑞明,等.玉米秸秆水解液生产燃料酒精的研究
[J].西部粮油科技,2003(5):63-65.
[9]王乃菊,宋萍.农作物秸秆制取燃料酒精的研究[J].酿酒,2007,34(6):
51-53.
[10]常秀莲.木质纤维素发酵酒精的探讨[J].酿酒科技,2001(2):39-42.
[11]BOBLETER O.Hydrothermal degradation ofpolymers derivedfrom
plants[J].Progressin Polymer Science,1994,19(5):797-841.
大田农艺
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