纖維素質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇的研究現(xiàn)狀
- 期刊名字:農(nóng)產(chǎn)品加工·學(xué)刊
- 文件大?。?/li>
- 論文作者:王羅琳,丁長河,楊盛茹
- 作者單位:河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院
- 更新時間:2020-03-23
- 下載次數(shù):次
第4期(總第205期農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊2010年4月Academic Periodical of Farm PoMlurts Pressing文章編號:1671-9646(2010)040021-04纖維素質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇的研究現(xiàn)狀王羅琳,丁長河,楊盛茹(河南業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州450052)摘要:隨著石油的日益短缺,利用可再生資源生產(chǎn)生物乙醇,受到越來越多的關(guān)注。以纖維素質(zhì)為原料生產(chǎn)生物乙醇,是利用農(nóng)業(yè)或T業(yè)廢棄物變廢為寶,實現(xiàn)了原料的利益最大化。利用自然界中存在的細(xì)菌或酵母菌類微生物將纖維素質(zhì)原料通過各種方法水解成木糖、葡萄糖、阿拉伯糖等糖類,然后利用水解產(chǎn)物中的糖類物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)生物L(fēng)醇。水解產(chǎn)物經(jīng)過一定的脫毒處理,將有利于菌株的生長和L醇產(chǎn)率的提高。關(guān)鍵詞:纖維質(zhì)原料;發(fā)酵;生物乙醇中圖分類號:Q93999;T0Q22322文獻(xiàn)標(biāo)志碼:Adoi:10.3969in.1671-9646(X)201004006The Research of Ethanol Production from Cellulosic Materials( College of Cereals and Oilseeds, He'nan University of Technology, Zhengzhou, He'nan 450052, China)Abstract: With the growing shortage of oil, the use of renewable resources to produce bio-ethanol was got more and moreattention. Quality materials with fiber raw materials to produce bio-ethanol were used in agricultural or industrial waste as rawmaterials so that the waste tuming waste into treasure, and also the benefits of raw materials were maximized. The fiber materialswere turned into xylose, glucose, arabinose and other fermentable sugars with the variety ways of hydrolysis. The hydrolysisproducts of carbohydrate can be used to produce the bio-ethanol by the wild strain of bacteria or yeast micro-organisms. After acertain strain of detoxification hydrolyzate will be conducive to the growth and ethanol production rates.Key words: cellulosic materials; fermentation; bio-ethanol0引言業(yè)廢物的數(shù)量也很可觀,這些資源一直沒有得到合理開發(fā)利用,由于秸稈燃燒的能量利用率低,被當(dāng)作隨著人們對環(huán)境問題認(rèn)識的加深,以及對所面臨燃料直接燃燒,也造成了資源嚴(yán)重浪費。能源危機(jī)現(xiàn)狀的憂慮,清潔、可再生的新能源——生綜合利用纖維素質(zhì)原料受到了各國政府以及世界物乙醇,受到了越來越多的關(guān)注。以植物生物質(zhì)為原環(huán)保組織的熱切關(guān)注,特別是環(huán)境問題越來越突出的料,生產(chǎn)生物乙醇已成為主要的研究方向,它滿足了現(xiàn)實,也讓人們看到了利用纖維素質(zhì)原料生產(chǎn)生物乙綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求。植物生物質(zhì)主要包醇的巨大潛力。括:木材、農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工廢料和廢棄紙品等"。利用纖維素質(zhì)原料生產(chǎn)生物乙醇具有以下優(yōu)勢:1原料的主要組成清潔環(huán)保,不污染環(huán)境;生產(chǎn)成本低;原料來源廣纖維素質(zhì)物質(zhì)的主要成分為:纖維素、半纖維且可冉生。木質(zhì)纖維原料是地球上最豐富、最廉價的素、木質(zhì)素等,不同原料中各成分的含量不同??扇缴Y源,全世界每年通過光合作用產(chǎn)生的木質(zhì)生物質(zhì)中各類纖維素含量見表123纖維生物質(zhì)高達(dá)1000x0t,其中89%尚未被人類纖維素是β-D葡萄糖基1,4-糖苷鍵聯(lián)結(jié)而成的利用線性髙分子化合物。據(jù)戈林(J. Go ring)等人研究,我國是一個農(nóng)業(yè)大國,各類農(nóng)作物纖維質(zhì)資源十在纖維素細(xì)胞的次生壁中,微細(xì)纖維、木質(zhì)素、半纖分豐富,僅秸稈一項每年的產(chǎn)量就達(dá)7×10t以上,維素3種組分均呈不連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu),彼此粘結(jié)又互其中玉米秸(35%)、小麥秸(21%)和稻草(19%)相間斷。微細(xì)纖維是構(gòu)成細(xì)胞壁的骨架,木質(zhì)素、半是我國的三大秸稈資源,林業(yè)副產(chǎn)品、城市垃圾和工纖維素則是微細(xì)纖維之間的填允劑和黏結(jié)劑。纖維素收稿日期:2009-12-05基金項目:河南省杰出人才創(chuàng)新基金資助項目(062100000)。作者簡介:王羅琳(19835-),女,河南人,在讀碩士,研究方向:生物質(zhì)乙醇發(fā)酵。E-mai: linlindepengyouo@ Pvahoocn為通訊作者:丁長河(968-),男,副教授,河南人,研究方向:農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加L。E-ml: dch(hauteducno農(nóng)產(chǎn)品加T學(xué)刊0年第4表1生物質(zhì)中各類纖維素含量隔%72%的硫酸、42%的鹽酸和77%~83%的磷酸中,導(dǎo)植物生物質(zhì)原料纖維素半纖維素木質(zhì)素致纖維素的均相水解。濃硫酸水解是最常用的方法硬木40-45其主要優(yōu)點是糖的冋收率高,大約有90%的半纖維軟木玉米芯453素和纖維素轉(zhuǎn)化的糖被回收叫。然而,從經(jīng)濟(jì)方面考25-4035~50825.55慮,必須回收濃硫酸,硫酸的分離和再濃縮增加了工甘蔗渣藝的復(fù)雜程度,另外濃硫酸腐蝕性強(qiáng),處理較為困小麥稈80~955~20用稀硫酸(體積分?jǐn)?shù)0.5%-1.5%)在高溫狀態(tài)玉米稈下,可較容易地將秸稈中的半纖維素水解成為木糖和分子中的葡萄糖(或其他糖)殘基的多少,又被稱之阿拉伯糖,其中木糖約占90%呵。稀酸水解有2種基為聚合程度的高低,因植物種屬不同,以及時間和空本類型:高溫(大于160℃),低固體濃度(5%間關(guān)系的變化而有差異~10%),連續(xù)反應(yīng);低溫(小于160℃),高固體濃2原料的預(yù)處理度(10%~40%),間歇反應(yīng)叫。稀酸處理可以破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu),使原料結(jié)構(gòu)變得疏松,從而有利于纖維素經(jīng)水解可生成葡萄糖,半纖維素經(jīng)水解可酶水解。經(jīng)過稀酸處理后,可以顯著提高纖維素的水生成木糖、阿拉伯糖、半乳糖等,糖進(jìn)一步可生產(chǎn)燃解速率n料乙醇、木糖醇、有機(jī)酸、單細(xì)胞蛋白、糠醛、乙酰稀酸可以將半纖維素轉(zhuǎn)化成單元糖,原料中的重丙酸等工業(yè)產(chǎn)品鷴。利用纖維素質(zhì)原料生產(chǎn)生物乙金屬被稀酸溶解,然后以氫氧化物的形式沉淀,最后醇,需要經(jīng)過:預(yù)處理原料和發(fā)酵生產(chǎn)乙醇2個步與石膏或活性炭等吸附劑一起被過濾掉。半纖維素糖漿中富含戊糖和己糖,濃度高,不需要濃縮。這一特預(yù)處理原料的目的是去除木質(zhì)素和半纖維素,并點吸引人們采用基因T程等方法去研制新的微生物。且增加原料的多孔性。處理后的原料要達(dá)到以下要稀酸水解產(chǎn)生一種絡(luò)合物,是大多數(shù)微生物的抑制求:①增加叮發(fā)酵性糖或能被隨后的酶解有效利用的劑,這也是稀酸處理的一個缺點。稀酸預(yù)處理后不糖;②減少碳水化合物的降解或消失;③避免生產(chǎn)對需要進(jìn)行回收,但需要中和掉剩余的酸,以便進(jìn)行隨隨后的水解和發(fā)酵有抑制作用的副產(chǎn)物的生產(chǎn);④經(jīng)后反應(yīng)。濟(jì)效益高。稀酸預(yù)處理過程中會產(chǎn)生一些對發(fā)酵不利的物常用的預(yù)處理方法有物理法、物理化學(xué)法、化學(xué)質(zhì),如糠醛、醋酸等,其中,醋酸是酸水解預(yù)處理法和生物法。中普遍存在的副產(chǎn)物。醋酸的存在對酵母或細(xì)菌的2.1物理預(yù)處理法生長不利,進(jìn)而影響到乙醇的產(chǎn)量。在酵母生長的物理預(yù)處理法包括機(jī)械粉碎、熱解、微波或超聲最適pH值(4.5-5)范圍內(nèi),大部分的醋酸沒有解波處理、高能電子輻射等。這些方法可使纖維素粉離。這些醋酸可以自由擴(kuò)散到酵母的細(xì)胞內(nèi),降低化、軟化,降低結(jié)晶度,提高轉(zhuǎn)化率。但這些方法都細(xì)胞內(nèi)的pH值,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)膜間的質(zhì)子梯度減弱,有一個共同的缺點——能耗高,成本高,水解率低。能量的產(chǎn)生被分開,營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸被減弱;而且因此限制了物理法預(yù)處理在工業(yè)生產(chǎn)乙醇上的應(yīng)醋酸的這種影響在畢赤氏酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇中表現(xiàn)用叫。為,在有氧條件下的影響程度比在無氧條件下的影22化學(xué)處理法響程度高9?;瘜W(xué)方法包括酸處理和堿處理2.2.2堿處理2.2.1酸處理堿處理可分為NaOH和NH預(yù)處理等。常用的酸包括鹽酸和硫酸。酸催化纖維素分解堿處理是利用木質(zhì)素能夠溶解于堿性溶液的特的機(jī)理如下:酸在水中解離出氫離子,纖維素鏈上點,用稀NaOH或NHH處理生物質(zhì)原料,破壞其的β-14糖苷鍵和H0接觸,β-1.4糖苷鍵上的中木質(zhì)素的結(jié)構(gòu),從而便于酶水解的進(jìn)行。堿處理的0-接受一個H',使氧鍵斷裂,與水反應(yīng)生成羥基并機(jī)理在于OH能夠削弱纖維素和半纖維素之間的氫放出H,H可再次催化水解反應(yīng)叫。利用濃酸和稀鍵及皂化半纖維素和木質(zhì)素分子之間的酯鍵。堿水酸的水解反應(yīng)又有所不同。濃酸法一般采用濃硫酸,解對分子間交聯(lián)木聚糖、半纖維素和其他組分的酯鍵其水解過程是纖維素→酸復(fù)合物→低聚糖→葡萄有皂化作用,隨著酯鍵的減少,纖維素原料的孔隙率糖吲。增加。在堿處理的同時將物料加熱,可以大大提高纖19世紀(jì),人們提出了濃酸水解,它的原理是結(jié)維素的水解率口。堿處理木質(zhì)纖維原料的效果取決于晶纖維素在較低的溫度下,可完全溶解于體積分?jǐn)?shù)原料中的木質(zhì)素含量。相對酸處理而言,堿處理的反2010年第4期王羅琳,等:纖維素質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇的研究現(xiàn)狀應(yīng)條件比較溫和(55-130℃)。常用的堿性物質(zhì)還有不僅能夠發(fā)酵木糖,而且能快速發(fā)酵葡萄糖,用于熟石灰、氨等。植物纖維類原材料生產(chǎn)乙醇非常合適例。嗜鞣管囊酵因為氨具有易揮發(fā)和便于冋收利用的特點,在預(yù)母發(fā)酵木糖產(chǎn)乙醇,適宜在高好氧條件下進(jìn)行,生處理纖維素質(zhì)原料工藝中越來越受到人們的重視。例產(chǎn)乙醇的最適初始pH值為50,最適接種質(zhì)量分?jǐn)?shù)如,利用NH滲透回收T藝對玉米芯、稻草混合物,為2%,當(dāng)水解液木糖質(zhì)量濃度為3g100mL時,最以及柳枝葉進(jìn)行預(yù)處理,去木質(zhì)素的效率分別為大乙醇質(zhì)量濃度為08g/100mL,是理論得率的60%-80%,65%-85%,有利于隨后的水解過程叫85%閏。休哈塔假絲酵母為微好氧菌株,它利用木糖盡管堿處理對原料的可降解性效果較好,但在處發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的最適發(fā)酵條件是木糖初始質(zhì)量濃度理過程中仍有部分半纖維素被分解,致使損失太多,為40g,溫度為30℃,轉(zhuǎn)速為90rmin,初始pH值同時還存在試劑的回收、中和、洗滌等問題四。堿處為45~50,乙醇產(chǎn)量為102g/L,木糖利用率達(dá)理易產(chǎn)生不溶性副產(chǎn)物,而且用量大,處理時間長。86.9%叫。最初選用的是NaOH,它具有較強(qiáng)的脫木質(zhì)素能力但上述酵母如果用于商業(yè)生產(chǎn)燃料乙醇,卻有諸但有約50%的半纖維素被降解。多弊端。例如:乙醇耐受力低,發(fā)酵速率較慢及發(fā)酵用堿進(jìn)行預(yù)處理,纖維素及半纖維素的損失較過程中供氧不好控制,對纖維素底物的水解和預(yù)處理大,回收率只有50%,故應(yīng)用起來也較為困難叫。過程中產(chǎn)生的阻礙物敏感η。2.3生物法現(xiàn)在的趨勢是利用多種酒精發(fā)酵菌株混合發(fā)酵生物法是利用分解木質(zhì)素的微生物除去木質(zhì)素,利用各自的優(yōu)勢,使得效率更高。盡管進(jìn)行了大量的以解除其對纖維素的包裹作用。因為此方法不需要研究,但還沒有找到哪一種微生物能將所有的糖快速在發(fā)酵之前對纖維素質(zhì)原料進(jìn)行前處理,所以該方有效地全部轉(zhuǎn)化為酒精,近年來,基因工程菌的應(yīng)用法又稱為直接發(fā)酵法。在生物預(yù)處理中,白腐菌、部分解決了這個問題。已有研兗表明,能在共培養(yǎng)褐腐菌和軟腐繭等常被用來降解木質(zhì)素和半纖維素,體系中增加乙醇產(chǎn)量的微生物有:嗜熱厭氧桿菌其中最有效的白腐菌是擔(dān)子菌類。自20世紀(jì)80年( Thermoanaerobacter ethanolicus)、嗜熱硫化氫梭菌代以來,直接發(fā)酵法受到國內(nèi)外同行的重視,它是( Clostridium thermohydrosulfuricum)、嗜熱解糖梭菌僅利用一種微生物產(chǎn)生的纖維素酶和半纖維素酶酶( Clostridium thermosaccharolyticum)解產(chǎn)生糖,仍由同一株菌來完成發(fā)酵的過程,此法Hogsett'等人利用嗜熱解糖梭菌和熱纖梭菌直接工藝簡單,用時短,對纖維性材料的生物法全利用轉(zhuǎn)化纖維性物質(zhì)為乙醇方面做了研究,能提高C醇產(chǎn)有很大實際意義。量3發(fā)酵纖維素質(zhì)原料水解產(chǎn)物中的一些副產(chǎn)物,對酵母的生長,以及對乙醇的產(chǎn)量都有副作用。這些抑制物纖維素質(zhì)原料經(jīng)預(yù)處理和酶解后都會產(chǎn)生混合主要有醛類、有機(jī)酸、呋喃、木質(zhì)素的降解產(chǎn)物、鹽糖。根據(jù)來源的不同,混合糖分:木糖、阿拉伯糖、類等。它們所表現(xiàn)出來的抑制作用主要有以下方面:葡萄糖、甘露糖、海藻糖和鼠李糖-。抑制菌體生長;降低微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的利用率;抑利用葡萄糖發(fā)酵乙醇技術(shù)成熟,有大批優(yōu)良菌種制匕醇的生成,降低乙醇的產(chǎn)率。例如,醋酸、糠可供選擇,其中釀酒酵母是工業(yè)化生產(chǎn)乙醇中應(yīng)用最醛、硝甲基糠醛(HMF)是稀酸處理的劓產(chǎn)物,也為廣泛的優(yōu)良品種四。另外,對運動發(fā)酵單孢菌是對微生物生長和乙醇產(chǎn)率都有抑制作用的物質(zhì)( Zymomonas mobili)的研究較為引人注目。這種菌所以,稀酸處理后的水解液要經(jīng)過消毒才能進(jìn)行下一是原核生物,為厭氧菌,但它的酶系統(tǒng)能高效地將葡步的發(fā)酵。解除這些抑制物的方法解毒,除了增大接萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇,具有乙醇得率高、耐酒精能力強(qiáng)、種量、調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH值等一般方法外,還有用代謝產(chǎn)物少等優(yōu)點。因此,利用運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵Ca(OH2,NaOH屮和或活性炭吸附,離子交換,有機(jī)何充分利用半纖維素是生物質(zhì)利用率的關(guān)鍵,所4順“電解,分子篩過濾竽可以降低乙醇的生產(chǎn)成本溶劑抽提天然半纖維素水解產(chǎn)物的85%-90%是木糖,如以,有效地利用木糖發(fā)酵將能較大程度上提高乙醇經(jīng)濟(jì)有效地將木糖轉(zhuǎn)化為酒精,依賴于纖維素水的最終產(chǎn)量。下面幾種酵母菌能較好的發(fā)酵木糖產(chǎn)解原料的成本以及選用有效的木糖發(fā)酵菌株。雖然近生乙醇:休哈塔假絲酵母( Candida shehatae)、嗜鞣年來已經(jīng)有研究小組或?qū)嶒炇以谶@方面做了大量研管囊酵母( Pachysolen tannophilus)、樹干畢赤酵母究,但仍然存在問題。對稀酸處理過程中產(chǎn)生的“有( Pichia stipitis)、酒香酵母( Brettanomyces)和產(chǎn)朊毒”物質(zhì)(醋酸、糠醛等)的脫毒,以及減少堿處理假絲酵母( Candida utilis)。其中休哈塔假絲酵母過程屮堿的加亼量等,仍需進(jìn)一步硏究。在發(fā)酵過程農(nóng)產(chǎn)品加T·學(xué)刊2010年第4期中,更好地利用水解產(chǎn)生的混合糖,將對提高乙醇的ing and optimization of the dilute sulfuric acid pretreatment生產(chǎn)率有很大幫助,從而對減少利用纖維素質(zhì)原料發(fā)of com stover, poplar and switch grass 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Model-(下轉(zhuǎn)第41頁)010年第4期林小燕,等:貯藏過程中荔枝罐頭褐變的初步分析果不相符合,具體原因有待于進(jìn)一步研究pH值是影響非酶褐變的重要因素。根據(jù)對觀察結(jié)果的統(tǒng)計,在pH值3.5-45范圍內(nèi),pH值的變化對荔枝罐頭的褐變沒有顯著影響,沒有隨著pH值的下降變輕。這與以前的研究結(jié)果在pH值40-42時荔枝罐頭褐變程度最輕結(jié)論并不矛盾。理論上,pH值5.0以下非酶褐變反應(yīng)緩慢,況且荔枝罐頭采用檸檬酸調(diào)節(jié)pH值,可能是檸檬酸與pH值共同作用導(dǎo)340360380400420440460致的結(jié)果。pH值圖3pH值對褐變指數(shù)的影響結(jié)論95-100℃,40min殺菌的荔枝罐頭,基本消除了多荔枝罐頭的褐變原因復(fù)雜,主要由美拉德反應(yīng)酚氧化酶和過氧化物酶等引起的酶促禍變。果汁、罐多酚氧化和抗壞血酸氧化引起,影響因素眾多。頭加工與貯存過程中多發(fā)生非酶褐變。引起非酶禍變氧氣促進(jìn)褐變加速、光照對褐變無影響、可溶性的主要原因有:美拉德反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)、抗壞血酸固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(<13%)及還原糖質(zhì)量濃度相氧化分解和多元酚氧化縮合。一般而言,焦糖化對較低(90-120gD)的荔枝罐頭褐變嚴(yán)重;pH值反應(yīng)一般在高溫、堿性及高糖濃度條件下發(fā)生;而荔為35~4.5,其變化對荔枝罐頭的褐變影響不顯著。枝罐頭的可溶性固形物含量大致為14%-~22%,因此,罐頭荔枝的褐變并非焦糖化反應(yīng)引起。根據(jù)荔枝罐頭參考文獻(xiàn):內(nèi)容物的成分和加T特點,筆者認(rèn)為荔枝罐頭中的非]夏杏洲.關(guān)于出口糖水荔枝罐頭的質(zhì)量控制門.食品研酶褐變主要是由美拉德褐變反應(yīng)、多酚氧化和抗壞血究與開發(fā),2001(10):16-18.酸氧化引起的。根據(jù)Hoe(1953年)的研究,各2]馬霞,王瑞明,關(guān)風(fēng)梅,等,果汁非酶褐變的反應(yīng)機(jī)制種非酶褐變反應(yīng)歷程有共同的中間產(chǎn)物、受一些相同及其影響因素.糧油加工與食品機(jī)械,2002(9):因素的影響。4648.氧氣能促進(jìn)非酶褐變,但觀察表明,40d后才因]劉金豹,翟衡,張靜果汁褐變及其影響因素研究進(jìn)展.飲料T業(yè),2004(7)3:1-5.顯示氧氣促進(jìn)褐變的加速,這可能是由于貯藏溫度4張水華食品分析實驗M,北京:化學(xué)工業(yè)出版杜低、褐變反應(yīng)速度緩慢的緣故。光照實驗表明,紫外2005:106-109線對荔枝罐頭的反應(yīng)沒有影響,符合理論分析的結(jié)巧] Stamp J A, Labuzat e. Kinetics of the maillard reactionbetween aspartame and glucose in solution at high tempera-在水分活度合適的條件下,一般認(rèn)為可溶性固形tures J. Joumal of Food Sci, 1983, 48: 543-547物含量越高,可能的反應(yīng)產(chǎn)物的濃度就越高,褐變速]楊毅濃縮場山酥梨汁非酶促禍變機(jī)理及其控制技術(shù)研度越快η。而觀察發(fā)現(xiàn),可溶性固形物含量相對較低究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007(<13%)及還原糖含量相對較低(90-120g)的荔7]寧正祥食品生物化學(xué)M第二版廣州:華南理工大學(xué)出版社,2005:415-418枝罐頭的褐變程度更加嚴(yán)重,這顯然與理論分析的結(jié)上接第24頁)139馬曉建,趙銀峰,祝春進(jìn),等以纖維素類物質(zhì)為原料a Saccharomyces cerevisiae Strain with Enhanced Resistance發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展[.食品與發(fā)酵工業(yè)to Phenolic Fermentation Inhibitors in Lignocellulose2004,30(11):77-81Hydrolysates by Heterologous Expression of Laccase [J].(40 Hogset t D A, Ahn H J, Bemardez TDApplied Biochemistry and Biotechnology, 1999, 77(1/23)conversion: Prospects, progress and obstacle[ J]91-103Biotechnology,1992,34(35):527-54118] Sreenath H K, Jeffries T W. Production of ethanol from [41] Charles E Wyman. 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