技术详细介绍
技术简介：
秸秆类纤维素资源的组成、预处理方法、发酵机理、纤维素酶及酶解机理和制取乙醇等。
1．纤维素资源的预处理
由于纤维素被难以降解的木质素所包裹，未经预处理的植物纤维原料的天然结构存在许多物理和化学的屏障作用，阻碍了纤维素酶接近纤维素表面，使纤维素酶难以发挥作用，纤维素酶水解得率低，仅为10%～20%，所以纤维素直接酶水解的效率很低。因此，需要采取预处理措施，除去木质素、溶解半纤维素或破坏纤维素的晶体结构，达到细胞壁结构破坏（包括破坏纤维素—木质素—半纤维素之间的连接、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。
预处理必须满足以下的要求：①促进糖的形成，或者提高后续酶水解形成糖的能力；②避免碳水化合物的降解或损失；③避免副产物形成阻碍后续水解和发酵过程；④具有成本效益。目前，纤维素原料的预处理的方法很多，包括物理法、化学法、生物化学法以及以上几种方法的联合作用.
2．水解工艺
秸秆预处理后，需对其进行水解，使其转化成可发酵性糖。水解是破坏纤维素和半纤维素中的氢键，将其降解成可发酵性糖：戊糖和己糖。纤维素水解只有在催化剂存在下才能显著地进行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶，由此分别形成了酸水解工艺和酶水解工艺。
（1）酸水解
纤维素的结构单位是D-葡萄糖，是无分支的链状分子，结构单位之间以糖苷键结合而成长链，分子式可简单的表示为（C6H10O5）n。纤维素经水解后可生成葡萄糖，该反应可表示为：
(C6H10O5)n+nH2O→nC6H12O6
纤维素分子中的化学键在酸性条件下是不稳定的。在酸性水溶液中纤维素的化学键断裂，聚合度下降，其完全水解产物是葡萄糖。纤维素酸水解的发展已经历了较长时间，水解中常用无机酸（硫酸或盐酸），可分为浓酸水解和稀酸水解。稀酸水解要求在高温和高压下进行，反应时间几秒或几分钟，在连续生产中应用较多；浓酸水解相应地要在较低的温度和压力下进行，反应时间比稀酸水解长得多。由于浓酸水解中的酸难以回收，目前主要用的是稀酸水解。
（2）酶水解
在酸水解过程中，使用了大量的酸、氧化剂和敏化剂等化学试剂，水解条件较为苛刻，后续处理困难，且生成许多副产品。
自然界中存在许多细菌、霉菌和放线菌，以纤维素作为碳和能量的来源。它们能产生纤维素酶，将纤维素分解为单糖，但在自然条件下微生物分解纤维素的速度很慢。纤维素酶的主要成分包括内切-β-葡聚糖酶、外切-β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶。酶水解是生化反应，使用的是微生物产生的纤维素酶，生产工艺包括酶生产、原料预处理和纤维素水解等步骤。酶水解选择性强，可在常压下进行，反应条件温和，微生物的培养与维持仅需少量原料，能量消耗小，可生成单一产物，糖转化率高（＞95%），无腐蚀，不形成抑制产物和污染，是一种清洁生产工艺。
3．发酵工艺
从葡萄糖转化成乙醇的生化过程非常简单，通过传统的酒精酵母，使反应在30℃条件下进行。但半纤维素构成了农作物秸秆的相当部分，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，将木糖及时转化为乙醇对农作物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、树荜赤酵母和休哈塔假丝酵母。目前，主要的发酵方法有以下几种。
（1）直接发酵法
该方法的特点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等前处理过程。该方法一般利用混合菌直接发酵，如热纤梭菌可以分解纤维素，但乙醇产率较低（50%），热硫化氢梭菌不能利用纤维素，但乙醇产率相当高，进行混合发酵时产率可达70%。
（2）间接发酵法
该方法首先用纤维素酶水解纤维素，酶解后的糖液作为发酵碳源。由于乙醇产量受到末端产物抑制、低细胞浓度以及底物基质抑制等因素限制。为克服乙醇产物的抑制，可采取的方法有减压发酵法和阿尔法-拉伐公司的Biotile法。另外筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变菌株，可以克服基质抑制。
（3）五碳糖的发酵
半纤维素一般占木质原料的10%～40%，比较容易水解，产物是以木糖为主的五碳糖，农作物废弃物和草水解时还生成相当数量的阿拉伯糖（可占五碳糖的10%～20%）。所以，五碳糖的发酵效率是影响纤维素原料发酵的重要因素。一般酵母菌除了可以发酵葡萄糖外，还可发酵半乳糖和甘露糖，但不能发酵阿拉伯糖，因此以前将这两种糖称为非发酵性糖。
（4）同时糖化和发酵工艺
为了降低乙醇的生产成本，在20世纪70年代开发了同时糖化和发酵工艺（SSF），即把经预处理的生物质、纤维素酶和发酵用微生物加入一个发酵罐内，使酶水解和发酵在同一装置内完成，实际上SSF流程也可用几个发酵罐串联生产。目前，它已经成为最有前途的生物质制取乙醇的工艺。
（5）固定化细胞发酵
固定化细胞发酵具有能使发酵罐内细胞浓度提高，细胞可连续使用，使最终发酵液乙醇浓度得以提高。常用的载体有海藻酸钠、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，此法被认为是秸秆生产乙醇的重要方法。
技术的应用领域前景分析：
受世界石油资、价格、环保和全球气候变化的影响，许多国家日益重视生物燃料的发展，并取得了显著的成效。2005年，全世界生物燃料乙醇的总产量约为3000万吨，其中巴西和美国的产量均约为1200万吨。巴西从1975年开始实施“燃料乙醇计划”，以甘蔗为原料生产燃料乙醇替代车用汽油，以减少对石油进口的依赖。目前，巴西所有车用汽油均添加20%～25%的燃料乙醇，并且已有大量使用纯燃料乙醇的汽车。2005年，巴西燃料乙醇消费量为1200万吨，替代了当年汽油消费量的45%，为70多万人提供了就业机会。美国也是从20世纪70年代开始发展燃料乙醇的，主要是利用以玉米为原料生产燃料乙醇。2002年以来，受石油价格大幅上涨的推动，燃料乙醇得到重视，生产销售迅速增长。为了进一步扩大生物燃料的应用，美国国会通过的2005年能源法提出了可再生能源燃料配额标准，从2006年至2012年，生物燃料年用量要从1200万吨增加到2300万吨。同时，美国积极发展纤维素制取燃料乙醇的技术，进一步扩大可利用的生物质资源，以便更大规模地替代石油。
目前生物法生产的乙醇还主要来自糖类和淀粉发酵，面对世界人口的急剧膨胀和粮食短缺，用粮食生产酒精的发展将受到限制。近年来，利用秸秆等纤维素制取燃料乙醇引起人们的浓厚兴趣，被认为具有良好的发展前景。以美国、加拿大、瑞典等为代表的发达国家特别重视秸秆乙醇的研发，技术水平已接近产业化。
美国制定了详细的生物质资源供应路线图、技术路线图，定期进行相关技术的全面总结和信息更新，并向世界公开；与多家国际知名公司合作，在降低纤维素酶生产成本等方面取得重大突破，其成本降低为原来的1/30以下。目前，秸秆乙醇的价格约为2.65美元/加仑（0.7美元/L），据美国能源部预测2010～2012年秸秆乙醇成本将降为1.1美元/加仑（0.29美元/L），真正实现秸秆乙醇商业化生产。
2007年4月21日，加拿大联邦政府宣布，世界上第一个以秸秆纤维素乙醇为燃料的车队在加拿大诞生，这标志着加拿大在秸秆乙醇燃料商业化生产方面走在了世界前列。
我国从“八五”起，通过国家攻关计划的支持，开展了纤维素制取乙醇技术研究，在纤维素制取乙醇方面，取得了较大的突破和进展。
2005年，上海在奉贤建成年产600t乙醇的中试示范生产线。2006年6月，在天冠集团，一条年产300t乙醇的中试生产线已建成投产，6t麦秸可变成1t乙醇。2006年9月，肇东中粮生化能源有限公司500t/年的玉米秸秆制乙醇的中试装置试车成功。2006年8月，天冠投资5000万元在泽生生物科技有限公司与中国科学院联合进行的“秸秆酶解发酵乙醇新技术及其产业化示范工程”于2006年通过中科院专家鉴定，项目规模3000t。国家高技术产业化项目《3万吨秸秆燃料乙醇项目》于2007年4月6月奠基，是我国自主知识产权的第一条生物质能源产业化生产项目。项目总投资1.97亿元，年消化玉米秸秆23万吨，年产燃料乙醇3万吨，秸秆饲料6万吨，生产蒸汽64万吨，电4800万度，满足项目自身能源需求，同时增加农民收入2760万元。