利用木质纤维素生产燃料酒精研究进展

作者/来源：黎先发1，张 颖2，罗学刚1(1.西南科技大学生命科学与工程学院，四川 绵阳 621010)   日期： 2009-03-20   点击率：2614

    环境污染、全球变暖和能源短缺已经使可持续发展成为当今世界各国所面临的最大挑战。为了逐渐摆脱对石油的过度依赖，减少温室气体排放，许多国家纷纷寻找石油的替代能源。我国是仅次于美国的能源消费大国，需要从国外进口大量的石油，2004年我国石油消耗已达到3亿t，其中进口石油1.2亿多t，石油对外依存度超过30％。预计2020年我国石油消费量最少需要4.5亿t，届时石油对外依存度可能达到60％，因此确保国家能源安全具有重大的战略意义。     随着人类的发展和社会的进步，人们更加关注环境问题。石油和天然气在使用过程中会产生大量NOx、SO2、CO2等气体，这些气体导致全球气候的变化，以生物质为基础的液体燃料利用，可以明显减少温室气体排放，以在汽油中添加10％的燃料乙醇为例，将可减少25％～30％的CO排放，分别减少6％～10％和20％的CO2和氮氧化物排放。     燃料乙醇不仅是一种优质的液体燃料，可以直接代替汽油、柴油等石油燃料，是最易工业化的一种民用燃料或内燃机燃料，也是最具发展潜力的石油替代燃料。生物质可以通过热化学转化和生物转化的方法生产燃料乙醇，目前工业上利用生物质通过生物转化方法生产燃料乙醇的原料主要是农产品，如高粱、玉米淀粉以及蔗糖等。     随着新一轮世界粮食危机的到来，导致全球粮食供应紧张；另一方面燃料酒精的需求量越来越大，以粮食或糖类物质生产燃料酒精导致与人争粮、与粮争地的矛盾将更加突出。纤维素是最丰富、廉价的可再生资源，植物每年通过光合作用能产生高达1 550亿t纤维素类物质，其中纤维素、半纤维素的总量为600亿t。因此采用来源更广泛、成本更低廉的木质纤维素生产燃料酒精，可从根本上实现能源工业的可持续发展。      1  生物转化法          木质纤维素原料通过发酵方法转化为酒精，必须首先将木质纤维素中的木质素分离去除，并将纤维素和半纤维素分解为可发酵性单糖。除去木质素一般采用水解或酶解。在木质纤维素原料中，纤维素是以晶体束状态埋植在半纤维素和木质素的复合体里面，木质素在植物细胞结构中起保护作用。因此无论是酸水解或酶水解，其及达度都很低。为了提高纤维素水解速率及糖的得率，木质纤维素原料在水解之前必须经过预处理。 1.1  预处理在木质纤维素原料发酵产酒精的重要地位     木质生物质原料的收割、收集、储存、运输以及原料的预处理是整个燃料酒精的重要环节，占总成本的35％～50％，特别是预处理环节影响整个生产过程。Yang等总结了纤维质不同的预处理方法对整个发酵过程上、中、下游的影响，认为预处理方法是非常关键的一步，预处理成本占总生产成本的20％以上。预处理方式对生物质原料的选择，原料的采收、储存、尺寸减少等上游加工有影响；同时预处理对下游过程加工过程及最终的生产成本有深远的影响。例如，采用酸水解时，水解液除葡萄糖单体外还可能产生大量的阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、木糖等单体或寡聚体，这些糖在发酵过程中不能被直接发酵而影响酒精的产率，另外预处理及水解过程中可能还会产生对发酵有抑制或毒性的酚、醛、酸等有机物，同时水解后pH的调节一方面会引入杂质组分，另一方面水解方式会影响设备的选择，从而影响固定资产的投资，这些都是需要在选择预处理方式上全面考虑。        此外，预处理方式对残余物如木质素、矿物质、蛋白质等的回....